足球机器人小车控制器设计

xx大学xx届毕业论文设计 表3-1 20针JTAG,接口定叉 引脚 1 2 3 4、6、8、10、12、 14、16、18、20 5 7 9 11 13 15 17、19 名称 VTref VCC nTRST GND TDI TMS TCK RTCK TDO nRESET NC 接电源 测试系统复位信号 接地 测试数据串行输入 测试模式选择 测试时钟 测试时钟返回信号 测试数据串行输出 目标系统复位信号 未连接 描述 目标板参考电压，接电源 2. 电机驱动电路

近年来，随着微电子技术和电力电子技术的发展以及工业界对系统可靠性和小型化等诸方面的要求，许多厂商相继推出了各种伺服电机控制的智能化功率集成电路(Smart Power IC)，它们把具有不同功能的功率单元、逻辑单元、传感单元、调节控制单元和保护单元集成在一起，具备了“电路”的功能。由这类电路可灵活地构成直流模拟式或数字式的小型化、高可靠运行的PWM伺服系统，其主要优点在于：可靠性高，结构紧凑，设计简单，且实现了模块化。

现在有多种电压和电流等级的标准电机功率模块，如双H桥功率集成电路。每个通道最大供电电压可达46伏，输出最大电流可达4安，支持最大的PWM频率为50KHz。其逻辑供电部分是单独的，以逻辑输入——1或0来开启或关闭每个通道。H桥的输入信号：两个PWM波(Inl和In2)，一个使能端EnA；输出信号：电压输出(OUTI和OuT2)，接地端或接取样电阻。

L298这种智能化功率集成电路结构紧凑，具有过热和过载保护等功能，特别适用于足球机器人这种对电路尺寸要求严格，伺服直流电机驱动的场合。

在PWM系统中，保护电路是重要部分。保护电路的主要目的是在发生误动作(如过载、短路、过温等)时，使事故不致扩大到整个系统。狭义地说，就是当误动作时保护PWM装置自身不受事故的牵连。

由于足球机器人的比赛环境比较恶劣，常有强烈碰撞发生，小车的电机经常会堵转和快速反转。为此，为L298设计了过流保护电路。该电路充分利用了L298的使能端EnA或EnB和取样电阻联接端。用1个电阻值为l Ω，功率为1W的电阻作取样电阻，进行电流电压变换后，再与一标准电压基准比较，通过一个简单的电压比较器，就可以判断出该H桥电路过流与否，再经过简单的逻辑运算，输出一信号到L298的使能端，当H桥电流过流时，就使能端就输入一个低电平，从而，该H桥就被关掉了，保护了L298功率驱动芯片和直流电动机。

3.基于CPLD的速度检测单元

转速检测的精确度和快速性对电机调速系统的静、动态性能影响极大。不管是在硬件设计还是软件开发中，速度检测单元的处理都是特别重要的。

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xx大学xx届毕业论文设计 使用专用的计数芯片8253或82C54计数，其优点是减轻了微处理器的计算任务，并且它的价格比较便宜，但它在与S3C2410接口电路设计中比较复杂，必须加入等待状态发生电路，这样就增加了整个电路系统的复杂度和体积。本文提出用一片CPLD来实现电机反馈脉冲的鉴相、四倍频和计数，大大提高了电机速度的测量精度和控制精度。

CPLD是在PAL、GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。它具有集成度高、速度快、开发周期短、费用低、用户可定义功能及可重复编程和擦写等许多优点，其应用领域不断扩大。具体使用的CPLD是Altera公司EMP7128，它有128个宏单元，从而有足够的资源来实现双电机反馈脉冲的鉴相、四倍频和计数，能够与运行的S3C2410实现无缝接口，免去用PLD实现等待状态发生电路的麻烦，并且S3C2410能用16位数据线与CPLD联接，比与82C54用8位数据线联接速度更快。电机光电编码器发出的两路脉冲是正交的，可以从中获得电机的旋转方向，判断机器人小车的运动方向。为了提高被控对象的测量精度和控制精度，对光电编码器的脉冲进行四倍频处理。

具体的结构如图3-4所示。该电路包括数字四倍频电路、电机转向辨别电路、数据锁存器(11位)和输出三态f1(16位)，其中A和B分别是电机输出的正交编码脉冲信号，CLK是5MHz的时钟信号。

数 字 四倍频 计数器 10位 数 据 锁存器 11位 输 出 三态门 16位

图3-4 EPM7128实现的数字电路

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xx大学xx届毕业论文设计 D[15..0] A[15..12] /IS /RD CLKOUT S3C2410 EPM 7128

图3-5 S3C2410与EPM7128的接口电路

S3C2410的16根数据线和4根地址线连到EPM7128，通过选择信号、写信号和读信号完成对EPM7128的读写操作。S3C2410的CLKOUT为脉冲四倍频电路提供时钟信号。如图3-5所示。

用CPLD器件实现双电机的两路正交脉冲的鉴相、四倍频和计数，可将S3C2410的CPU主要用于电机的速度控制，以便于实现高级复杂的控制算法，充分发挥S3C2410的作用。不仅省去了专门的正交脉冲鉴相电路，而且对脉冲进行了四倍频，大大提高了电机速度的测量精度和控制精度。并且，这种器件采用JTAG的接口，可以随时在线更改片内的程序，升级方便。

4. 车载接收通讯单元

根据MIROSOT比赛规则的要求，上位机与机器人小车之间必须采用无线通讯的形式。在足球机器人系统中，上位机与机器人小车之间采用单向串行通讯的方式，主机的控制指令数据通过计算机的串行口送至单片机，单片机将接收的数据进行频率和格式的转换，再送给无线通讯模块，经过调制后发射出去，机器小车的车载通信模块接收并解调然后传送给车载微处理器。

RF(Radio Frequency)通讯模块采用的是专用的集成模块(Radiometrix)。这种模块集成度高，性能稳定，具有以下特点：(1)有418MHz和433MHz两种可选频率；(2)半双工通信最大速度可达40Kbit／s；(3)室内有效传输范围为30米；(4)易于与RS一232串口通讯接口。

S3c2410微处理器内有个通用异步收发模块(UART)，通过设置寄存器可以

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xx大学xx届毕业论文设计 配置为后来进行通讯。但由于RS232标准定义的高、低电平信号与S3C2410系统的LVTTL电路所定义的高、低电平信号完全不同，L、，TTL的标准逻辑“1”对应2V～3．3V电平，标准逻辑“O”对应OV～O，4V电平。而RS232的标准逻辑“O”对应．5V～-15V电平，标准逻辑“l”对应+5V～+15V电平，显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换，目前常使用的电平转换电路为MAX232，其电路设计较为简单，参考其文献就可以完成设计。

5. 电源电路

在该系统中，需要使用5V和3．3V的直流稳压电源，其中S3C2410及部分外围器件需3．3V电源，另外部分器件需5V电源，由于足球机器人车载电池的输出电压为6--9V，必须进行两次电压转换。第一次完成电池输出电压到5V的转换，第二次转换完成5V到3．3V的转换。系统电源转换电路如附图1所示。

有很多DC．DC转换器可完成5V到3．3V的转换，在此选用Linear Technology的LTl08X系列。常见的型号和对应的电流输出如下：

(1)LTl083CT-33 7.5A (2)ITl084CT-33 5A (3)LTl085CT-33 3A (4)LTl086CT-33 1.5A

根据系统的实际功耗，选择的器件为LTl085。

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