圖 1機器人控制系統(tǒng)功能框圖
   其主控單元為一款主頻為300MHZ的基于PC104總線協(xié)議的CPU板。作為上位機它主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制決策，包括多傳感器的信號融合，數(shù)字圖像處理以及路徑規(guī)劃。超聲波陣列配合全景視覺模塊完成機器人的避障和路況識別功能。語音識別模塊用于完成對特定人聲的識別以及語音合成輸出。無線通訊使用目前應(yīng)用廣泛的無線收發(fā)數(shù)傳MODEM芯片PRT2000來實現(xiàn)。底層電機驅(qū)動模塊主要負(fù)責(zé)執(zhí)行來自上位機PC104的控制命令，同時將機器人的速度和位置信息，通過串口通訊反饋給PC104，實現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)的電源由串聯(lián)的兩塊12AH的蓄電池提供，經(jīng)過一塊單輸入多輸出的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換模塊為整個系統(tǒng)提供所需電壓。本文將主要討論底層運動控制模塊的設(shè)計。

3． 底層電機運動控制系統(tǒng)
3.1 MSP430F149特點和硬件總體設(shè)計
MSP430是一種新型的混合信號處理器，本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機，它是超低功耗flash型16位RISC指令集單片機，具有強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊和方便高效的開發(fā)方式 。它具有：
⑴片內(nèi)有1個硬件乘法器。
⑵2個16位的定時器，且?guī)в卸鄠�捕獲／比較寄存器，定時器可以設(shè)置成PWM輸出方式。
⑶2個串行通訊接口，支持通用異步協(xié)議(UART協(xié)議)和同步協(xié)議(SPI協(xié)議)。
⑷一個8路12位精度、高效通用的A/D轉(zhuǎn)換模塊。
⑸有48個I/O引腳，每個I/O口分別對應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個寄存器，使得功能口和通用I/O口可以復(fù)用，大大增強了端口功能和靈活性。
   目前電機驅(qū)動模塊的主控芯片普遍采用TI公司的DSP作為主控芯片，但其芯片本身及其仿真器價格偏高，不適合小規(guī)模開發(fā)。而我們使用的MSP430F149采用了JTAG技術(shù)、FLASH在線編程技術(shù)，省去了仿真器，采用自制的仿真接口即可實現(xiàn)在線仿真調(diào)試，因此與DSP相比，同樣是貼片封裝MSP430F149的具有更高的性價比。下圖是以MSP430F149為主控單元的底層電機驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 底層運動控制模塊結(jié)構(gòu)圖
本系統(tǒng)采用MSP430F149作為主控芯片，其產(chǎn)生的2路PWM信號通過光藕TIL113輸出到集成H橋芯片LMD18200驅(qū)動電機，與電機的同軸的光電碼盤信號通過四倍頻電路輸入單片機的I/O口，單片機利用其I/O口的中斷捕獲功能對光電碼盤信號進(jìn)行正反相計數(shù)，并將其作為反饋信號，用軟件實現(xiàn)電機速度和位置的PID控制 。

3.2 電機驅(qū)動模塊設(shè)計
3.2.1 LMD18200特點
LMDl8200是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的、用于電機驅(qū)動的功率集成芯片。它將4個DMOS管構(gòu)成的H橋及其控制邏輯電路均包含在1個11腳的T—220封裝中，其額定電流3A，峰值電流為6A；內(nèi)含防橋臂單側(cè)直通電路；芯片過熱報警輸出和自動關(guān)斷。圖3為其典型應(yīng)用。

圖3 LMD18200 典型應(yīng)用
LMDl8200可采用兩種不同類型的PWM信號：①PWM信號中既包含方向信息又包含幅值信息，50％占空比的PWM信號代表零電壓。使用時，該信號應(yīng)加于方向輸入端(DIR)，同時將PWM信號輸入端置邏輯高電平。②分別由方向信號與幅值信號組成。幅值由PWM信號的占空比決定，零脈沖時代表零電壓。在實際使用時，DIR接PWM信號,PWM邏輯高電平BREAK接邏輯低電平 。
3.2.2光電碼盤的信號處理
提高反饋信號的精度，我們對光電碼盤的信號進(jìn)行信號處理，除了具有四倍頻信號還具有鑒向功能。其電路圖如圖所示

其時序圖如圖5所示：

圖5 四倍頻及鑒向電路時序圖
3.3系統(tǒng)供電
MSP430系列單片機工作電壓為3.3V，因此我們選擇了AME1117-3.3這款LDO（低壓降線性調(diào)節(jié)器）為其單獨供電（圖5）。其它由外部蓄電池經(jīng)電源模塊提供。為了監(jiān)控蓄電池的狀態(tài)，我們還設(shè)計了電源模塊中包含具有欠壓報警功能的電池監(jiān)控模塊，防止蓄電池過度放電，影響其壽命。
3.4底層驅(qū)動軟件設(shè)計
本系統(tǒng)的控制軟件共包括初始化主程序，串口通訊子程序，PID算法子程序和光電碼盤信號捕獲中斷子程序等四個部分組成。如圖6所示：

   圖6 底層驅(qū)動系統(tǒng)軟件流程圖
本系統(tǒng)所采用PID算法為防止飽和積分得變速積分PID算法，在很多資料中均有詳細(xì)介紹，本文不再贅述。
MSP430F149有兩個硬件UART，通過對控制寄存器UXCTL和波特率寄存器UXBR0(或UXBR1)設(shè)置串口。其接收和發(fā)送分別具有獨立的中斷向量，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可以在不同的中斷程序中執(zhí)行 。本系統(tǒng)定義的串口通信協(xié)議為：

表中左右輪速度為兩位二進(jìn)制數(shù)所表示的低速，中速，中高速，高速四種速度等級。

4． 結(jié)論
實驗證明，將MSP430F149單片機作為主控制器，LMD18200為驅(qū)動芯片設(shè)計出來的ROBOCUP中型組機器人的底層運動控制系統(tǒng)的速度和位置控制精度，以及左右輪的同步性等指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。與以DSP為主控芯片的控制系統(tǒng)相比，減低了設(shè)計成本。

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作者簡介：
陳全福（1981-），男，江蘇省連云港市人，碩士研究生，研究方向為智能機器人控制系統(tǒng)。