基于ARM+DSP+FPGA模塊的機器人運動控制器設(shè)計

趙 巖 李秀榮 臧 勇

（宿遷學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇宿遷223800）

0 引言

隨著工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大以及現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，人們對工業(yè)機器人性能的要求越來越高，因此高速、高精度、智能和模塊化成為目前工業(yè)機器人發(fā)展的主要趨勢[1]。近年來，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，一種基于ARM微處理器+DSP+FPGA的嵌入式機器人運動控制系統(tǒng)逐漸成為主流。該控制器具有數(shù)據(jù)處理能力強、運行速度快、實時性好的特點，且具有良好的開放性。

1 運動控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于ARM+DSP+FPGA的開放式機器人運動控制器選用TI浮點處理器DSP C6000系列中的TMS320C6713作為主處理器，實現(xiàn)算法處理、指令控制等功能；選用XILINX公司的XC3S400A FPGA作為協(xié)處理器，實現(xiàn)并行采集、外部信號處理、接口轉(zhuǎn)換等功能。ARM選用ARM9系列三星公司的S3C2440，該芯片主頻高達400 MHZ，工作電壓為1.2 V，具有低價格、低功耗、高性能特點，負責(zé)LCD、串口、以太網(wǎng)、USB接口的處理。使用ARM處理器作為上位機開發(fā)平臺，適用于工業(yè)機器人、自動化生產(chǎn)線、運動控制、設(shè)備制造等方面。該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，上手容易，可長時間無故障運行，其擴展性極強，參數(shù)配置簡單，易于維護[2]。本文重點介紹控制部分DSP+FPGA。總體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 運動控制器總體系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 DSP數(shù)據(jù)處理模塊分析

TMS320C6713是32位浮點DSP，最高工作主頻可達300 Hz，處理速度高達2400MIPS，片上共有264kB×8位存儲器，片上外設(shè)資源豐富，此外還具有32位EMIF總線[3]，特別適用于計算復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大及實時性要求較高的場合。

DSP數(shù)據(jù)模塊主要功能：自動復(fù)位和手動復(fù)位、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲與處理、結(jié)果數(shù)據(jù)的輸出等。數(shù)據(jù)處理模塊包含電源模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊、JTAG模塊、外擴Flash ROM和SDRAM模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TMS320C6713 DSP模塊結(jié)構(gòu)

2.2 FPGA數(shù)據(jù)處理模塊分析

XC3S400A FPGA屬于Spartan-3A系列，高性能、低功耗，具有可配置邏輯資源豐富和邏輯設(shè)計經(jīng)濟有效等優(yōu)點。根據(jù)本設(shè)計要求，F(xiàn)PGA需要四個模塊的邏輯功能，即PC104Plus總線通信模塊、伺服控制模塊、I/O接口模塊和D/A接口模塊。XC3S400A外圍結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 XC3S400A外圍結(jié)構(gòu)

3 接口設(shè)計

EMIF接口能力強，數(shù)據(jù)吞吐高達923 MB/s，總線寬度為32bit，而且能夠與存儲器直接相連。FPGA當(dāng)作DSP的外部存儲器處理，通過在FPGA內(nèi)部設(shè)計兩個相互獨立的FIFO，實現(xiàn)EMIF對FPGA的數(shù)據(jù)訪問[4-5]，F(xiàn)PGA內(nèi)的狀態(tài)寄存器用于記錄兩個FIFO的狀態(tài)，為DSP控制兩個FIFO信息。在FPGA中還有一個控制邏輯，用于控制兩個FIFO工作，確保數(shù)據(jù)正確傳輸。

TMS320C6713 DSP主機接口（HPI）是一個16位并行接口，通過HPI與外部ARM微處理器進行連接，ARM可以直接訪問DSP的內(nèi)部存儲器。與通過一片雙口RAM使ARM和DSP連接方式相比，采用HPI連接方式更簡單方便，不需要增加外圍邏輯電路[6-7]。

4 運動控制器軟件設(shè)計

首先進行DSP和控制器參數(shù)初始化、DSP初始化，包括時鐘設(shè)置、外接設(shè)備、中斷優(yōu)先級、計時器等工作模式。初始化完成后，DSP從HPI接口讀取ARM中控制指令，同時從FPGA中讀取當(dāng)前關(guān)節(jié)電機位置和狀態(tài)信息，若無異常情況，則進行數(shù)據(jù)運算；若有異常情況，則停止數(shù)據(jù)運算和位置控制，等待異常處理。其工作流程如圖4所示。

圖4 DSP工作流程

5 結(jié)語

本文介紹了基于ARM+DSP+FPGA的運動控制器設(shè)計方案，該設(shè)計能更好地實現(xiàn)硬件的可重構(gòu)性，提高運動控制器的靈活性和開放性。該設(shè)計中各芯片間采用的接口設(shè)計，不僅滿足了高傳輸速率和簡單方便的原則，也縮小了體積，可靠性提高。

[1]王田苗，陶永.我國工業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機械工程學(xué)報，2014，50（9）：1-13.

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[3]三恒星科技.TMS320C6713 DSP原理與應(yīng)用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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[7]徐魯旭.基于ARM+DSP的機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.