集成电路应用
■手ＤＳＰ的移动机■人的设计与实曩
上海交通大学电子信息学院（２０００３０）
王洪升
田蔚风金志华
杭州浙江科技学院教育技术学系（３ｌ００２１）
摘
陈以蒙
要：智能交通系统是２ｌ世纪城市交通的发展方向，移动机器人作为智能车辆控制系统实验
平台的一个主要部分，对智能交通系统的关键技术的研究具有十分重要的意义。介绍了面向智能交通系统的Ｓ盯ＮＣ一１移动机器人的组成和结构，并详细叙述了基于数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的控制系统的设计和实现。
关键词：智能交通系统
移动机器人
数字信号处理器
双１０位Ａ／Ｄ转换器和ＣＡＮ控制器模块。
智能交通系统（ｎｌｓ）的概念是美国智能交通学会于１９９０年提出的，它将先进的信息技术、通信技术、自动控制技术、电子技术及计算机处理技术综合运用于整个运输管理系统中，通过对交通信息的采集、传输和处理，对交通运输进行协调和管理，建立起实时、准确、高效的综合交通运输管理体系，从而提高了交通效率和安全了，实现性交通运输服务和管理的智能化。
智能车辆的导航与定位、自动驾驶与控制和车辆的预警防碰等智能交通系统关键技术的研究，近年来受到国内外越来越广泛的关注，也取得了丰硕的成果。但真正的实验研究还是很少，基本上只进行了仿真试验。鉴于理论上的模拟和实际应用情况可能相差甚远，选择了具有智能性、易扩展性和移动性等优点的车型移动机器
２移动机器人的运动机构
考虑到该移动机器人是面向ＩｒＩ’ｓ的，所以采用的是车型结构（四轮结构）。前两轮通过减速比为８：１的齿轮减速机构与转向电机进行连接，实现移动机器人的转向功能；后两轮通过减速比为６：１的齿轮减速机构与驱动电机进行连接，实现移动机器人的驱动。电机的选型可根据实际情况选择小型步进电机或小型直流电机。这里选用的是瑞士Ｍｉｎｉｍｏｔｏｒ公司生产的直流电机，这种电机具有体积小、转矩大等特点。
３移动机器人控制系统
控制系统以控制器Ｆ２４０７为核心，由无线通信、电机驱动、速度传感器、数字罗盘、差分ＧＰｓ（ＤＧＰｓ）接收机和４转１串口通信模块等组成，如图１所示。无线通信模块根据自行约定的通信协议接收上位机的规划好的路径信息，整个控制系统通过控制驱动电机和转向电机使移动机器人跟踪该路径行驶。电机采用ＰＷＭ调速方式，其中驱动电机采用双闭环（速度和电流）ＰＩＤ控制策略，而转向电机则通过把数字罗盘的航向信息作为转
ＤＧＰｓ接收机
ＣＯＭ２
人作为ｒｒＳ关键技术的研究平台中的主要部分——车
辆模拟器。
本文所阐述的移动机器人ＳＪＴＮＣ一１，就是面向ｒｒｓ提出的。考虑到关键技术研究中需进行大量的计算，如模糊控制、卡尔曼滤波和路径导引等，并且系统对数据的实时性要求很高，所以采用数字信号处理器（ＤＳＰ）作为移动机器人主控ＣＰＵ。
１
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ简介
’ｒＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ（以下简称Ｆ２４０７）是１ｒＩ公司在
４转１串口
通信模块ＣＯＭ３
ＣＯＭｌ
’ｒＭＳ３２０系列ＤＳＰ的基础上，专为数字电机控制而设计的。除了具有一般ＤＳＰ的改进的哈佛结构、多总线结构和流水线结构等优点外，它还采用高性能静态ＣＭＯＳ技术，电压从５Ｖ降为３．３Ｖ，减少了功耗。并且指令执行速度提高到４０ＭＩＰＳ，几乎所有指令都可以在２５Ｉｌｓ的单周期内完成。如此高的运算速度使其可以通过采用高级控制算法如模糊控制、卡尔曼滤波以及状态控制等来提高系统的性能。而且，它具有电机控制应用所必需的外设，如：３２Ｋ片内ＦＬＡＳＨ、２Ｋ单访问ＲＡＭ、串行外设接口（ＳＰＩ）、串行通信接口（ＳＣＩ）、两个事件管理模块、１６通道
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转向数字
ＣＯＭ３
无线通信模块
罗盘
ＳＣＩ
Ｉ／Ｏ
ＱＥＰ
电机
Ａ／Ｄ检流
工
驱动
模块
ＰＷＭＰＷＭ
图ｌ控制系统结构框图
欢迎邮购本刊１９９５～１９９９年光盘版，每套ｌＯＯ元
《电子技术应用》２００４年第６期
集成电路应用
向的反馈量进行ＰＩＤ控制。整个控制系统把ＤＧＰｓ接收机的位置信息作为系统的位置反馈信息，用以完成整个系统的位置闭环控制。３．１无线通信模块
ＭＣ３５是德国西门子公司生产的可二次开发的支持ＧＰＲＳ的双频ＧＳＭ模块，可以通过标准串口与ＰＣ机相连。本系统用ＭＣ３５作为移动机器人与上位机的通信模块。它具有ＧＰＲＳ技术带来的一切优点，如一直在线和提供高速价廉的数据传送服务等。该产品的特性如下：
・支持双频：ＥＧＳＭ９００／ＧＳＭｌ８００・支持ＧＰＲＳＣｌａｓｓ８协议
・支持数据、语音、短消息和传真服务
・采用电路交换方式，最大传送速率为１４．４ｋｂｐｓ・支持的电压范围：８Ｖ一３０Ｖ・采用标准工业接口・体积：６５ｍｍ×７４ｍｍ×３３ｍｍ・重量：１３０９３．２驱动模块
驱动电机和转向电机的驱动原理相同，都采用脉宽调制（ＰＷＭ）方式进行调速，ＰＷＭ信号由Ｆ２４０７产生。驱动电路采用Ｈ全桥方式，由４个达林顿管（２个ＴＩＰｌ３２和２个ＴＩＰｌ３７）、４个ＩＮ４００１二极管及与非门组成。电路原理图如图２所示。当ＰＷＭ２、ＰＷＭ４为低电平而ＰＷＭｌ、ＰＷＭ３为高电平时，Ｔ１、Ｔ４饱和导通，ｒＩ’２、Ｔ３截
块都采用ＲＳ一２３２异步串行通信，而Ｆ２４０７只有一个串行口，所以必须将４个串口数据通过转换处理来完成与Ｆ２４０７的串口通信。为此研制了基于分时复用方法的４转１串口通信模块。当Ｆ２４０７需要某个传感器（或无线通信模块）的数据时，就通过电路选通该传感器占用Ｆ２４０７串口进行通信；当需要另外传感器或无线通信模块数据时，则关断上次传感器的选通，同时选通该次传感器或无线通信模块。４转１串口通信模块由３—８译码器７４ＬＳｌ３８、三态输出的四总线缓冲门７４ＬＳｌ２５和电平转换器ＭＡＸ２３２等组成，其电路原理图如图３所示。
止，电流从Ｔ１一电机一Ｔ４，电机正转；反之，当ＰＷＭｌ、
ＰＷＭ３为低电平而ＰＷＭ２、ＰＷＭ４为高电平时，ｒＩｌ２、ｒＩ’３饱
和导通，Ｔ１、Ｔ４截止，电流从，Ｉ＇２一电机一，Ｉ．３，电机反转。
图３４转ｌ串口通信模块电路原理图
３．４定位传感器
３．４．１
ＤＧＰＳ接收机
ＧＰＳ（全球定位系统）是基于卫星的无线电导航系统，它提供一种廉价实用的可在全球范围内确定位置、速度和时间的工具。ＧＰｓ由２４颗卫星（２１颗工作星、３颗备份星）组成星座，星座分布在与地球赤道面倾角为５５。的６个轨道面上，其运行周期为１１小时５８分，轨道半径为２０２００ｋｍ，各轨道面夹角为６０。。每颗卫星向地球发射Ｌ频段的特高连续波，调制两种伪随机码（军用高
图２电机驱动电路原理图
精度保密Ｐ码和民用Ｃ／Ａ码）。这样的分布特点保证了用户在地球上任何地点、任何时间至少可以连续地收到
为防止Ｔ１、Ｔ３或，１１２、Ｔ４同时导通，形成短路而击穿器件，要用一对无重叠的ＰＷＭ输出去正确地开启和关断这两对管子。在一个管子关断和另一个管子开启之间加入死区时间，这样就使得一个管子开启前，另一个管子已完全关断。Ｆ２４０７具有死区控制单元是其一大特色，从而可用软件确保功率电路上下桥臂开关元件的开通区间没有重叠，简化了硬件电路设计，提高了可靠性。
３．３４转１串口通信模块
４颗以上卫星的导航信号，从而联立解算出接收机的三维坐标以及接收机和ＧＰｓ间的时间偏移。三维坐标采用ＥＣＥＦ笛卡儿坐标系或大地坐标系如ＷＧＳ８４。
虽然美国政府于２００１年５月取消了民用Ｃ／Ａ码的可选择性保护，但民用导航型ＧＰｓ接收机的单点实时定位精度只能达到２５ｍ左右，不能满足系统的定位导航要求。而采用实时差分ＧＰＳ（ＤＧＰｓ），其定位精度可以达到２—５ｍ，该精度已能满足系统定位和导航的要求。
为此研发了单基站ＤＧＰｓ（ＳＲＤＧＰｓ）系统，其结构框
由于ＤＧＰｓ接收机、磁罗盘、里程计和ＭＣ３５通信模
《电子技术应用》２００４年第６期本刊投稿邮箱：ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ
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集成电路应用
图如图４所示。基准站由ＡＵＳ’ｒＡＲ
ＢＡＳＥ
ＧＰｓ接收机、其弊端。系统的框架如图５所示。下面对关键的几大模块进行简要的阐述。
天线和ＭＤＳ无线电发射台、天线组成，流‘动站由ＳＵ－
ＰＥＲＳＴＡＲ
ＧＰＳ接收机、天线和ＭＤＸ无线电接收台、天
线组成。其中基准站安装在上海交大徐家汇校区教学一楼楼顶，该基准站能覆盖方圆３０公里的范围，流动站安装在车载单元上。
ＧＰＳ天线
电台天线
电台天线ＧｐＳ天线
基准站部分
图４
０
流动站部分
ＤＧＰＳ的结构框图
图５软件控制系统框图
５．１串口通信模块
该模块程序采用串口中断方式实现，主程序主要由系统初始化、串口初始化、串口中断设置和等待中断组成。而中断子程序分为发送子程序和接收子程序。本文给出发送子程序流程图。主程序及发送子程序流程图如图６所示。
３．４．２数字罗盘和车速传感器
采用ＨｏｎｅｙＷｅｌｌ公司的ＨＭＲ３３００数字罗盘作为移动机器人的方向检测传感器。其主要技术指标为：（１）１度航向精度，０．１度分辨率；（２）０．５度重复性；（３）±６０度倾斜俯仰范围；（４）１５Ｈｚ响应时间；（５）一４０±８５度工作温度；（６）６—１５Ｖ直流电压。
同时采用用于大众汽车公司桑塔纳２０００型轿车的霍尔车速传感器作为移动机器人的车速传感器。其工作原理是以霍尔传感器为变换元件，将机械旋转量转化为电脉冲信号输出。主要技术指标为：（１）输出波形为矩形脉冲，占空比为５０％；（２）每旋转一周产生６个脉冲；（３）额定电压为１２Ｖ。
４电源模块
电源模块需分别给各传感器、ＤＳＰ芯片、其它芯片和电机供电。其中，磁罗盘、码盘和ＤＧＰｓ接收机使用１２Ｖ直流电压，ＤＳＰ芯片使用３．３Ｖ直流电压，其它芯片使用５Ｖ直流电压，还有电机电源使用１２Ｖ直流电压。所以，采用１节１２Ｖ的直流蓄电池（４ＡＨ），直流５Ｖ通过ＳＴ半导体公司的Ｌ７８０５和扩流用的功率管实现，ＤＳＰ芯片
用３．３Ｖ电源采用ＯＮ半导体公司的１ＳＭＢ５９１３鹏实现。
Ｆ２４０７正常工作时，所有电源管脚都为３．３Ｖ；写入ＦＬ～ＳＨ存储器时，ＶＣＣＰ引脚为５Ｖ供电；复位时，复位电路会产生一个１０斗ｓ宽度的持续低电平使芯片复位。
图６串口通信模块主程序及发送子程序流程
５．２路径引导模块
该模块在移动机器人行驶中为其提供实时的速度和转向指令，从而引导它沿着上位机给定的路径行驶。主要包括行驶指令的产生和规划路径的跟踪两个环节。
根据预瞄跟随理论及驾驶员的开车行为特性，智能行驶和驾驶员操纵行为是内在一致的。通过研究有驾驶员操纵行为，发现主要根据两个因素决定车辆的前进速度，这两个因素分别是道路的弯曲程度和机器人相对参考路径上的方向偏差。
移动机器人的前进速度的控制不需要连续变化，可设置为三档，分别对应高、中和低三个速度。由此确定的前进速度跟踪规则为：
・当方向偏差小于１０度时，路径基本为直线，前进速度设为高速；
・当方向偏差小于９０度时，路径弯曲较严重，前进
（下转第７０页）
５控制器程序结构
ＤｓＰ程序由五大功能模块组成，分别为系统初始化模块、串口通信模块、路径引导模块、驱动电机控制模块和转向电机控制模块。ＴＩ公司提供了用于Ｃ语言开发的ＣＣ和ＣＣＳ平台。该平台包括了ＡＮＳＩＣ优化编译器，从而可以在源程序级进行开发调试。这种方式大大提高了软件的开发速度和可读性，方便了软件的修改和移植。但在某些情况下，代码的效率还是无法与手工编写的汇编代码的效率相比。此外，用Ｃ语言实现芯片的某些硬件控制也不如汇编程序方便，有些甚至无法用语言实现。为了充分利用芯片的资源，更好地发挥Ｃ语言和汇编语言进行软件开发的各自优点，采用混合编程方法将两者有机结合起来，兼顾两者的优点，避免
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集成电路应用
ｉ：ｆ（ｐｒｉｃｅｓｔａｔｅ＝”０００”ａＪｌｄｂｕｔｔ－ｃｏｄｅ／＝”１０１１”）ｔｈｅｎ
ｓａｖｅｄａｔａ（２７ｄｏｗｎｔｏ２４）＜＝ｂｕｔｔ＿ｃｏｄｅ；
ｐｒｉｃｅｓｔａｔｅ：＝”００ｌ”；ｌｅｄｏｕｔ＜＝”１０１”；
“＋”，ｔｏｔａｌｎｕｍ变成了２，而ｅａｃｈｎｕｍ为ｌ，然后授ｐ
ｌｕｌ，
并没有操作，按下１１１后再按下“一”，但是因为之前并没有选择过，所以信号无变化。随后ｎｕｍｄｉｓｈ扫描到０１，ｄｉｓｈｌｅｄ为０１０１表示选中了００１号和０１１号菜。
图４是信息调整模块的仿真波形。图中，ｄｒｅｓｓｏｕｔ为存储器的地址，ｋｅｙ－ｖａｌｉｄ为按键有效信号（实际上不应
—－循环接收（语句省略）菜的信息，包括口味和价钱，如果输入的数超过７位，
ｅｌｓｉｆ（叫ｃｅ８ｔ８ｔｅ＝”１１１”鲫ｄ
一一重置语句（略）
ｂｕｔｔ．ｃｏｄｅ＝”１０１１”）ｔｈｅｎ
该是有规律的，这里只是为了方便起见），１棚ｔｅ、ｒｅａｄ分别为写、读信号，ｃｓ为使能信号，ｂｕｔＬｃｏｄｅ为４×３键盘的
一则以最后输入的７位为准
输入按键编码值，ｄａｔａｉｎ、ｄ毗聊ｔ分别表示从存储器读入
数据和向存储器输出数据，ｌｅｄｏｕｔ为表示目前状态的三
３仿真结果
上述设计在ＭＡＸ＋ＰＬＵＳＩＩ环境下仿真成功，并用ＦＰＧＡ芯片ＦＬＥＸｌ０Ｋ实现。图３是控制模块的仿真波形。图中，ｓｍｋｅｙ－Ｖａｌｉｄ为键盘２的按键确认信号，ｓｅｌ为加减控制信号，为。时加，为１时减，由键盘２输入。ｓｃａｒｌ＿ｆ为分频后的信号，由键盘１模块输入。ｋｅｙ－ｖａｌｉｄ为键盘１的按键确认信号。８ｃａＩｌ＿ｃｎｔｏｕｔ为计效信号，当
．。．。ｎ１０．
幂‘ｊ＝叠Ｄ灯Ｉ‘反差萄芸霰簇。菇绿、黄、羞，绿色≮‘羞色表示
输入密码的正误，黄色表示正在重设密码。
在这里也可以根据前面的做法将操作时的数值显示在数码管上，既可以另加数码管，也可以利用原来的
价钱显示数码管。但在此设计中，采扇的是ＬＥＤ灯显示
状态。主要是为了简化电路，毕竟店方不是经常更改菜的信息。
下面对仿真结果进行说明。在这个例子中，假设初始密码是５５５５５５５，开机时从地址０１１００１００读入储存的密码５５５５５５５，当按键连续输入７个５时，密码校对完成，可以开始操作。当按下１００ｌ号键（更改密码）时，假设需要更改成４４４４铂８，连续输入两次４４ｄ４４４８无误后即更改密码成功。ｄａｔａｏｕｔ为４４４４４４８，随后输入菜号３３（因为存储量很少，本文没有进行ＢｃＤ与二进制的转换），表示对这个菜的信息进行更改。按确认键后，本例中故意输入８位菜的信息（应该输入７位）５５５１５５５４以验证系统的容错能力。结果超过７位的数据系统可以成功地识别，并只取后７位５５１５５５４，ｄａｔａｏｕｔ为５５１５５５４，完成信息修改。
参考文献
１林明权．ｖＨＤＬ数字控制系统设计范例．北京：电子工业出版社，２００３
（收稿日期：２００３—１２—１２）
ｋｅｙ＿Ｖａｌｉｄ信号为１时，．对霉．的ｓｃ髓－ｃｎｔ。ｕ２即譬表此时所按下的键盘１的键的索引值。ｃｏｎｔｒｏｌａｄｄ为加减使能信
号，为１时表示加或减操作有效，可以进行加减运算，防
些力Ⅱ謦运算超出范围ｉｎｕ？ｄｉｓｎ．翼ｄｉｓｌｌｌｅｄ登个信号控制菜名旁边的ＬＥＤ灯，前者为行使能，循环检测键盘１的
每一行，逐行使能，使得列使能信号ｄｉｓｈｌｅｄ有效时点亮
弩粤紫ＬＥ竺灯：‘。ｔａｌｎｕｍ为菜的总数，ｅａｃｈ肌ｍ为当前正在操作的菜望鳌量。
苎时，响应在．０１１号琴，，釜只按下“＋”，警发锄ｋｅｙ＿Ｖ面ｌｄ，使ｃｏｎ‘ｒｏｌａｄｄ为ｌ，ｓｅｌ信号为０，表示加使能，ｔｏｔａｌｎｕｍ和
下面对仿真结果进行说明。第一个ｋｅｙ－ｖａｉｌｄ信号触
８ａｃｈｎｕｍ分型力１１，在竖后凹ｎｕｍｄｉｓｈ为０１蔓，？１ｓｈｌｅｄ变成０００１（表示第３个菜选中）。在后面的操作中又点中
了０１１号菜（选择一个比较特殊的情况），并按下“＋”，ｔｏｔａｌｎｕｍ和ｅａｃｈｎｕｍ分别加１，随即又点ｒ“一”，使得这两个信号各减了１。接下来００１号菜被选中，并按下
（上接第６６页）速度设为低速；
・其它情况时，前进速度为中速。５．３驱动电机和转向电机控制模块
驱动电机模块采取ＰＩＤ控制策略，将车速传感器检测的信号作为电机的反馈信号，进行ＰＩＤ控制，取得了很好的控制效果。转向控制模块的控制策略与驱动电机的类似，只是其反馈的信号为数字罗盘的方向信号。ＰＩＤ控制算式为：
列分别为ＰＩＤ控制算法的比例系数、积分常数和微分常数。
参考文献
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２李现勇．Ｖｉｓｕａｌｃ＋＋串口通信技术与工程实践．北京：人民邮电出版社，２００２
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４黄英哲・ＴＭｓ３２０ｃ２４０原理与ｃ语言控制应用实习．北京：
中国水利水电出版社，２００３
５李庆中・移动机器人路径跟踪的智能预瞄控制方法研究，机器人，２００２；２４（３）：２５２～２５５
（收稿日期：２００３—１２一１２）
５
△“（后）：勋【ｅ（后）一ｅ（＿ｊ｝一１）］＋尉．ｅ（矗）＋
尉ｆｅ（后）一２ｅ（七一１）＋ｅ（尼一２）１
ｕ（１ｊ｝）：“（七一１１＋△Ｍ（Ｊｃ）
式中，口（后）为控制的输出；ｅ（七）为尼时刻的偏差；勋、彪、
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基于DSP的移动机器人的设计与实现
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
王洪升， 田蔚风， 金志华， 陈以蒙
王洪升,田蔚风,金志华(上海交通大学电子信息学院,200030)， 陈以蒙(杭州浙江科技学院教育技术学系,310021)
电子技术应用
APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE2004,30(6)5次
参考文献(5条)
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5. 闫红力 基于DSP的液压双自由活塞发动机控制系统的研究[学位论文]硕士 2005
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集成电路应用
■手ＤＳＰ的移动机■人的设计与实曩
上海交通大学电子信息学院（２０００３０）
王洪升
田蔚风金志华
杭州浙江科技学院教育技术学系（３ｌ００２１）
摘
陈以蒙
要：智能交通系统是２ｌ世纪城市交通的发展方向，移动机器人作为智能车辆控制系统实验
平台的一个主要部分，对智能交通系统的关键技术的研究具有十分重要的意义。介绍了面向智能交通系统的Ｓ盯ＮＣ一１移动机器人的组成和结构，并详细叙述了基于数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的控制系统的设计和实现。
关键词：智能交通系统
移动机器人
数字信号处理器
双１０位Ａ／Ｄ转换器和ＣＡＮ控制器模块。
智能交通系统（ｎｌｓ）的概念是美国智能交通学会于１９９０年提出的，它将先进的信息技术、通信技术、自动控制技术、电子技术及计算机处理技术综合运用于整个运输管理系统中，通过对交通信息的采集、传输和处理，对交通运输进行协调和管理，建立起实时、准确、高效的综合交通运输管理体系，从而提高了交通效率和安全了，实现性交通运输服务和管理的智能化。
智能车辆的导航与定位、自动驾驶与控制和车辆的预警防碰等智能交通系统关键技术的研究，近年来受到国内外越来越广泛的关注，也取得了丰硕的成果。但真正的实验研究还是很少，基本上只进行了仿真试验。鉴于理论上的模拟和实际应用情况可能相差甚远，选择了具有智能性、易扩展性和移动性等优点的车型移动机器
２移动机器人的运动机构
考虑到该移动机器人是面向ＩｒＩ’ｓ的，所以采用的是车型结构（四轮结构）。前两轮通过减速比为８：１的齿轮减速机构与转向电机进行连接，实现移动机器人的转向功能；后两轮通过减速比为６：１的齿轮减速机构与驱动电机进行连接，实现移动机器人的驱动。电机的选型可根据实际情况选择小型步进电机或小型直流电机。这里选用的是瑞士Ｍｉｎｉｍｏｔｏｒ公司生产的直流电机，这种电机具有体积小、转矩大等特点。
３移动机器人控制系统
控制系统以控制器Ｆ２４０７为核心，由无线通信、电机驱动、速度传感器、数字罗盘、差分ＧＰｓ（ＤＧＰｓ）接收机和４转１串口通信模块等组成，如图１所示。无线通信模块根据自行约定的通信协议接收上位机的规划好的路径信息，整个控制系统通过控制驱动电机和转向电机使移动机器人跟踪该路径行驶。电机采用ＰＷＭ调速方式，其中驱动电机采用双闭环（速度和电流）ＰＩＤ控制策略，而转向电机则通过把数字罗盘的航向信息作为转
ＤＧＰｓ接收机
ＣＯＭ２
人作为ｒｒＳ关键技术的研究平台中的主要部分——车
辆模拟器。
本文所阐述的移动机器人ＳＪＴＮＣ一１，就是面向ｒｒｓ提出的。考虑到关键技术研究中需进行大量的计算，如模糊控制、卡尔曼滤波和路径导引等，并且系统对数据的实时性要求很高，所以采用数字信号处理器（ＤＳＰ）作为移动机器人主控ＣＰＵ。
１
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ简介
’ｒＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ（以下简称Ｆ２４０７）是１ｒＩ公司在
４转１串口
通信模块ＣＯＭ３
ＣＯＭｌ
’ｒＭＳ３２０系列ＤＳＰ的基础上，专为数字电机控制而设计的。除了具有一般ＤＳＰ的改进的哈佛结构、多总线结构和流水线结构等优点外，它还采用高性能静态ＣＭＯＳ技术，电压从５Ｖ降为３．３Ｖ，减少了功耗。并且指令执行速度提高到４０ＭＩＰＳ，几乎所有指令都可以在２５Ｉｌｓ的单周期内完成。如此高的运算速度使其可以通过采用高级控制算法如模糊控制、卡尔曼滤波以及状态控制等来提高系统的性能。而且，它具有电机控制应用所必需的外设，如：３２Ｋ片内ＦＬＡＳＨ、２Ｋ单访问ＲＡＭ、串行外设接口（ＳＰＩ）、串行通信接口（ＳＣＩ）、两个事件管理模块、１６通道
６４
转向数字
ＣＯＭ３
无线通信模块
罗盘
ＳＣＩ
Ｉ／Ｏ
ＱＥＰ
电机
Ａ／Ｄ检流
工
驱动
模块
ＰＷＭＰＷＭ
图ｌ控制系统结构框图
欢迎邮购本刊１９９５～１９９９年光盘版，每套ｌＯＯ元
《电子技术应用》２００４年第６期
集成电路应用
向的反馈量进行ＰＩＤ控制。整个控制系统把ＤＧＰｓ接收机的位置信息作为系统的位置反馈信息，用以完成整个系统的位置闭环控制。３．１无线通信模块
ＭＣ３５是德国西门子公司生产的可二次开发的支持ＧＰＲＳ的双频ＧＳＭ模块，可以通过标准串口与ＰＣ机相连。本系统用ＭＣ３５作为移动机器人与上位机的通信模块。它具有ＧＰＲＳ技术带来的一切优点，如一直在线和提供高速价廉的数据传送服务等。该产品的特性如下：
・支持双频：ＥＧＳＭ９００／ＧＳＭｌ８００・支持ＧＰＲＳＣｌａｓｓ８协议
・支持数据、语音、短消息和传真服务
・采用电路交换方式，最大传送速率为１４．４ｋｂｐｓ・支持的电压范围：８Ｖ一３０Ｖ・采用标准工业接口・体积：６５ｍｍ×７４ｍｍ×３３ｍｍ・重量：１３０９３．２驱动模块
驱动电机和转向电机的驱动原理相同，都采用脉宽调制（ＰＷＭ）方式进行调速，ＰＷＭ信号由Ｆ２４０７产生。驱动电路采用Ｈ全桥方式，由４个达林顿管（２个ＴＩＰｌ３２和２个ＴＩＰｌ３７）、４个ＩＮ４００１二极管及与非门组成。电路原理图如图２所示。当ＰＷＭ２、ＰＷＭ４为低电平而ＰＷＭｌ、ＰＷＭ３为高电平时，Ｔ１、Ｔ４饱和导通，ｒＩ’２、Ｔ３截
块都采用ＲＳ一２３２异步串行通信，而Ｆ２４０７只有一个串行口，所以必须将４个串口数据通过转换处理来完成与Ｆ２４０７的串口通信。为此研制了基于分时复用方法的４转１串口通信模块。当Ｆ２４０７需要某个传感器（或无线通信模块）的数据时，就通过电路选通该传感器占用Ｆ２４０７串口进行通信；当需要另外传感器或无线通信模块数据时，则关断上次传感器的选通，同时选通该次传感器或无线通信模块。４转１串口通信模块由３—８译码器７４ＬＳｌ３８、三态输出的四总线缓冲门７４ＬＳｌ２５和电平转换器ＭＡＸ２３２等组成，其电路原理图如图３所示。
止，电流从Ｔ１一电机一Ｔ４，电机正转；反之，当ＰＷＭｌ、
ＰＷＭ３为低电平而ＰＷＭ２、ＰＷＭ４为高电平时，ｒＩｌ２、ｒＩ’３饱
和导通，Ｔ１、Ｔ４截止，电流从，Ｉ＇２一电机一，Ｉ．３，电机反转。
图３４转ｌ串口通信模块电路原理图
３．４定位传感器
３．４．１
ＤＧＰＳ接收机
ＧＰＳ（全球定位系统）是基于卫星的无线电导航系统，它提供一种廉价实用的可在全球范围内确定位置、速度和时间的工具。ＧＰｓ由２４颗卫星（２１颗工作星、３颗备份星）组成星座，星座分布在与地球赤道面倾角为５５。的６个轨道面上，其运行周期为１１小时５８分，轨道半径为２０２００ｋｍ，各轨道面夹角为６０。。每颗卫星向地球发射Ｌ频段的特高连续波，调制两种伪随机码（军用高
图２电机驱动电路原理图
精度保密Ｐ码和民用Ｃ／Ａ码）。这样的分布特点保证了用户在地球上任何地点、任何时间至少可以连续地收到
为防止Ｔ１、Ｔ３或，１１２、Ｔ４同时导通，形成短路而击穿器件，要用一对无重叠的ＰＷＭ输出去正确地开启和关断这两对管子。在一个管子关断和另一个管子开启之间加入死区时间，这样就使得一个管子开启前，另一个管子已完全关断。Ｆ２４０７具有死区控制单元是其一大特色，从而可用软件确保功率电路上下桥臂开关元件的开通区间没有重叠，简化了硬件电路设计，提高了可靠性。
３．３４转１串口通信模块
４颗以上卫星的导航信号，从而联立解算出接收机的三维坐标以及接收机和ＧＰｓ间的时间偏移。三维坐标采用ＥＣＥＦ笛卡儿坐标系或大地坐标系如ＷＧＳ８４。
虽然美国政府于２００１年５月取消了民用Ｃ／Ａ码的可选择性保护，但民用导航型ＧＰｓ接收机的单点实时定位精度只能达到２５ｍ左右，不能满足系统的定位导航要求。而采用实时差分ＧＰＳ（ＤＧＰｓ），其定位精度可以达到２—５ｍ，该精度已能满足系统定位和导航的要求。
为此研发了单基站ＤＧＰｓ（ＳＲＤＧＰｓ）系统，其结构框
由于ＤＧＰｓ接收机、磁罗盘、里程计和ＭＣ３５通信模
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集成电路应用
图如图４所示。基准站由ＡＵＳ’ｒＡＲ
ＢＡＳＥ
ＧＰｓ接收机、其弊端。系统的框架如图５所示。下面对关键的几大模块进行简要的阐述。
天线和ＭＤＳ无线电发射台、天线组成，流‘动站由ＳＵ－
ＰＥＲＳＴＡＲ
ＧＰＳ接收机、天线和ＭＤＸ无线电接收台、天
线组成。其中基准站安装在上海交大徐家汇校区教学一楼楼顶，该基准站能覆盖方圆３０公里的范围，流动站安装在车载单元上。
ＧＰＳ天线
电台天线
电台天线ＧｐＳ天线
基准站部分
图４
０
流动站部分
ＤＧＰＳ的结构框图
图５软件控制系统框图
５．１串口通信模块
该模块程序采用串口中断方式实现，主程序主要由系统初始化、串口初始化、串口中断设置和等待中断组成。而中断子程序分为发送子程序和接收子程序。本文给出发送子程序流程图。主程序及发送子程序流程图如图６所示。
３．４．２数字罗盘和车速传感器
采用ＨｏｎｅｙＷｅｌｌ公司的ＨＭＲ３３００数字罗盘作为移动机器人的方向检测传感器。其主要技术指标为：（１）１度航向精度，０．１度分辨率；（２）０．５度重复性；（３）±６０度倾斜俯仰范围；（４）１５Ｈｚ响应时间；（５）一４０±８５度工作温度；（６）６—１５Ｖ直流电压。
同时采用用于大众汽车公司桑塔纳２０００型轿车的霍尔车速传感器作为移动机器人的车速传感器。其工作原理是以霍尔传感器为变换元件，将机械旋转量转化为电脉冲信号输出。主要技术指标为：（１）输出波形为矩形脉冲，占空比为５０％；（２）每旋转一周产生６个脉冲；（３）额定电压为１２Ｖ。
４电源模块
电源模块需分别给各传感器、ＤＳＰ芯片、其它芯片和电机供电。其中，磁罗盘、码盘和ＤＧＰｓ接收机使用１２Ｖ直流电压，ＤＳＰ芯片使用３．３Ｖ直流电压，其它芯片使用５Ｖ直流电压，还有电机电源使用１２Ｖ直流电压。所以，采用１节１２Ｖ的直流蓄电池（４ＡＨ），直流５Ｖ通过ＳＴ半导体公司的Ｌ７８０５和扩流用的功率管实现，ＤＳＰ芯片
用３．３Ｖ电源采用ＯＮ半导体公司的１ＳＭＢ５９１３鹏实现。
Ｆ２４０７正常工作时，所有电源管脚都为３．３Ｖ；写入ＦＬ～ＳＨ存储器时，ＶＣＣＰ引脚为５Ｖ供电；复位时，复位电路会产生一个１０斗ｓ宽度的持续低电平使芯片复位。
图６串口通信模块主程序及发送子程序流程
５．２路径引导模块
该模块在移动机器人行驶中为其提供实时的速度和转向指令，从而引导它沿着上位机给定的路径行驶。主要包括行驶指令的产生和规划路径的跟踪两个环节。
根据预瞄跟随理论及驾驶员的开车行为特性，智能行驶和驾驶员操纵行为是内在一致的。通过研究有驾驶员操纵行为，发现主要根据两个因素决定车辆的前进速度，这两个因素分别是道路的弯曲程度和机器人相对参考路径上的方向偏差。
移动机器人的前进速度的控制不需要连续变化，可设置为三档，分别对应高、中和低三个速度。由此确定的前进速度跟踪规则为：
・当方向偏差小于１０度时，路径基本为直线，前进速度设为高速；
・当方向偏差小于９０度时，路径弯曲较严重，前进
（下转第７０页）
５控制器程序结构
ＤｓＰ程序由五大功能模块组成，分别为系统初始化模块、串口通信模块、路径引导模块、驱动电机控制模块和转向电机控制模块。ＴＩ公司提供了用于Ｃ语言开发的ＣＣ和ＣＣＳ平台。该平台包括了ＡＮＳＩＣ优化编译器，从而可以在源程序级进行开发调试。这种方式大大提高了软件的开发速度和可读性，方便了软件的修改和移植。但在某些情况下，代码的效率还是无法与手工编写的汇编代码的效率相比。此外，用Ｃ语言实现芯片的某些硬件控制也不如汇编程序方便，有些甚至无法用语言实现。为了充分利用芯片的资源，更好地发挥Ｃ语言和汇编语言进行软件开发的各自优点，采用混合编程方法将两者有机结合起来，兼顾两者的优点，避免
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集成电路应用
ｉ：ｆ（ｐｒｉｃｅｓｔａｔｅ＝”０００”ａＪｌｄｂｕｔｔ－ｃｏｄｅ／＝”１０１１”）ｔｈｅｎ
ｓａｖｅｄａｔａ（２７ｄｏｗｎｔｏ２４）＜＝ｂｕｔｔ＿ｃｏｄｅ；
ｐｒｉｃｅｓｔａｔｅ：＝”００ｌ”；ｌｅｄｏｕｔ＜＝”１０１”；
“＋”，ｔｏｔａｌｎｕｍ变成了２，而ｅａｃｈｎｕｍ为ｌ，然后授ｐ
ｌｕｌ，
并没有操作，按下１１１后再按下“一”，但是因为之前并没有选择过，所以信号无变化。随后ｎｕｍｄｉｓｈ扫描到０１，ｄｉｓｈｌｅｄ为０１０１表示选中了００１号和０１１号菜。
图４是信息调整模块的仿真波形。图中，ｄｒｅｓｓｏｕｔ为存储器的地址，ｋｅｙ－ｖａｌｉｄ为按键有效信号（实际上不应
—－循环接收（语句省略）菜的信息，包括口味和价钱，如果输入的数超过７位，
ｅｌｓｉｆ（叫ｃｅ８ｔ８ｔｅ＝”１１１”鲫ｄ
一一重置语句（略）
ｂｕｔｔ．ｃｏｄｅ＝”１０１１”）ｔｈｅｎ
该是有规律的，这里只是为了方便起见），１棚ｔｅ、ｒｅａｄ分别为写、读信号，ｃｓ为使能信号，ｂｕｔＬｃｏｄｅ为４×３键盘的
一则以最后输入的７位为准
输入按键编码值，ｄａｔａｉｎ、ｄ毗聊ｔ分别表示从存储器读入
数据和向存储器输出数据，ｌｅｄｏｕｔ为表示目前状态的三
３仿真结果
上述设计在ＭＡＸ＋ＰＬＵＳＩＩ环境下仿真成功，并用ＦＰＧＡ芯片ＦＬＥＸｌ０Ｋ实现。图３是控制模块的仿真波形。图中，ｓｍｋｅｙ－Ｖａｌｉｄ为键盘２的按键确认信号，ｓｅｌ为加减控制信号，为。时加，为１时减，由键盘２输入。ｓｃａｒｌ＿ｆ为分频后的信号，由键盘１模块输入。ｋｅｙ－ｖａｌｉｄ为键盘１的按键确认信号。８ｃａＩｌ＿ｃｎｔｏｕｔ为计效信号，当
．。．。ｎ１０．
幂‘ｊ＝叠Ｄ灯Ｉ‘反差萄芸霰簇。菇绿、黄、羞，绿色≮‘羞色表示
输入密码的正误，黄色表示正在重设密码。
在这里也可以根据前面的做法将操作时的数值显示在数码管上，既可以另加数码管，也可以利用原来的
价钱显示数码管。但在此设计中，采扇的是ＬＥＤ灯显示
状态。主要是为了简化电路，毕竟店方不是经常更改菜的信息。
下面对仿真结果进行说明。在这个例子中，假设初始密码是５５５５５５５，开机时从地址０１１００１００读入储存的密码５５５５５５５，当按键连续输入７个５时，密码校对完成，可以开始操作。当按下１００ｌ号键（更改密码）时，假设需要更改成４４４４铂８，连续输入两次４４ｄ４４４８无误后即更改密码成功。ｄａｔａｏｕｔ为４４４４４４８，随后输入菜号３３（因为存储量很少，本文没有进行ＢｃＤ与二进制的转换），表示对这个菜的信息进行更改。按确认键后，本例中故意输入８位菜的信息（应该输入７位）５５５１５５５４以验证系统的容错能力。结果超过７位的数据系统可以成功地识别，并只取后７位５５１５５５４，ｄａｔａｏｕｔ为５５１５５５４，完成信息修改。
参考文献
１林明权．ｖＨＤＬ数字控制系统设计范例．北京：电子工业出版社，２００３
（收稿日期：２００３—１２—１２）
ｋｅｙ＿Ｖａｌｉｄ信号为１时，．对霉．的ｓｃ髓－ｃｎｔ。ｕ２即譬表此时所按下的键盘１的键的索引值。ｃｏｎｔｒｏｌａｄｄ为加减使能信
号，为１时表示加或减操作有效，可以进行加减运算，防
些力Ⅱ謦运算超出范围ｉｎｕ？ｄｉｓｎ．翼ｄｉｓｌｌｌｅｄ登个信号控制菜名旁边的ＬＥＤ灯，前者为行使能，循环检测键盘１的
每一行，逐行使能，使得列使能信号ｄｉｓｈｌｅｄ有效时点亮
弩粤紫ＬＥ竺灯：‘。ｔａｌｎｕｍ为菜的总数，ｅａｃｈ肌ｍ为当前正在操作的菜望鳌量。
苎时，响应在．０１１号琴，，釜只按下“＋”，警发锄ｋｅｙ＿Ｖ面ｌｄ，使ｃｏｎ‘ｒｏｌａｄｄ为ｌ，ｓｅｌ信号为０，表示加使能，ｔｏｔａｌｎｕｍ和
下面对仿真结果进行说明。第一个ｋｅｙ－ｖａｉｌｄ信号触
８ａｃｈｎｕｍ分型力１１，在竖后凹ｎｕｍｄｉｓｈ为０１蔓，？１ｓｈｌｅｄ变成０００１（表示第３个菜选中）。在后面的操作中又点中
了０１１号菜（选择一个比较特殊的情况），并按下“＋”，ｔｏｔａｌｎｕｍ和ｅａｃｈｎｕｍ分别加１，随即又点ｒ“一”，使得这两个信号各减了１。接下来００１号菜被选中，并按下
（上接第６６页）速度设为低速；
・其它情况时，前进速度为中速。５．３驱动电机和转向电机控制模块
驱动电机模块采取ＰＩＤ控制策略，将车速传感器检测的信号作为电机的反馈信号，进行ＰＩＤ控制，取得了很好的控制效果。转向控制模块的控制策略与驱动电机的类似，只是其反馈的信号为数字罗盘的方向信号。ＰＩＤ控制算式为：
列分别为ＰＩＤ控制算法的比例系数、积分常数和微分常数。
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（收稿日期：２００３—１２一１２）
５
△“（后）：勋【ｅ（后）一ｅ（＿ｊ｝一１）］＋尉．ｅ（矗）＋
尉ｆｅ（后）一２ｅ（七一１）＋ｅ（尼一２）１
ｕ（１ｊ｝）：“（七一１１＋△Ｍ（Ｊｃ）
式中，口（后）为控制的输出；ｅ（七）为尼时刻的偏差；勋、彪、
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基于DSP的移动机器人的设计与实现
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
王洪升， 田蔚风， 金志华， 陈以蒙
王洪升,田蔚风,金志华(上海交通大学电子信息学院,200030)， 陈以蒙(杭州浙江科技学院教育技术学系,310021)
电子技术应用
APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE2004,30(6)5次
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