作者：董文岳，林國(guó)偉，梁文海

1、引言

近年來(lái)人工智能（AI）已成為國(guó)際上技術(shù)創(chuàng)新研究的一個(gè)熱點(diǎn)，各種工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等機(jī)器人產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛，而作為機(jī)器人的“腳”，機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)也要具備豐富的功能和高度的智能化，不但需要實(shí)現(xiàn)高靈活性的移動(dòng)能力和良好的越障能力，而且要求臺(tái)配置有多種傳感器，配合機(jī)器人的“大腦”可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障越障、自主進(jìn)行路徑規(guī)劃、地圖構(gòu)建等功能。

多功能智能移動(dòng)平臺(tái)電控系統(tǒng)作為機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的“神經(jīng)中樞”，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)智能化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。本文分析多功能智能移動(dòng)平臺(tái)的功能性能需求，基于高可靠嵌入式處理器S698-T芯片，提出一個(gè)多功能智能移動(dòng)平臺(tái)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，為各種機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)良好的解決方案。

2、系統(tǒng)需求

根據(jù)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)功能、性能要求，電控系統(tǒng)擬采用PC+嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，由上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)兩個(gè)部分組成，上位機(jī)采用PC+傳感器實(shí)現(xiàn)，下位機(jī)基于高可靠嵌入式SPARC架構(gòu)處理器S698-T設(shè)計(jì)，上位機(jī)與下位機(jī)之間采用RS422總線進(jìn)行數(shù)據(jù)/命令交互，預(yù)留CAN2.0總線通訊接口。

2.1 上位機(jī)性能需求

上位機(jī)作為多功能智能移動(dòng)平臺(tái)的“大腦”，主要實(shí)現(xiàn)多功能智能移動(dòng)平臺(tái)的視覺(jué)功能、地圖構(gòu)建以及導(dǎo)航等功能。

上位機(jī)要求采用Intel -X86 i5以上CPU的工業(yè)級(jí)嵌入式主板實(shí)現(xiàn)，并基于嵌入式主板的USB、PCIe、以太網(wǎng)、RS422以及SIM卡接口等外圍接口，集成二維/三維激光（室內(nèi)/外）傳感器、相機(jī)（預(yù)留）、CAN總線通訊模塊等外圍模塊

2.2 下位機(jī)性能需求

下位機(jī)作為多功能智能移動(dòng)平臺(tái)的指令執(zhí)行控制以及部分傳感器的輸入采集處理平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制功能以及紅外測(cè)距、超聲波測(cè)距等傳感器輸入參數(shù)采集處理功能，并通過(guò)RS422總線（備用CAN總線）與上位機(jī)建立通訊，具體需求如下：

1、主處理器：S698-T，主頻100MHZ；

2、協(xié)處理器：FPGA；

3、板載內(nèi)存：SRAM：1Mbit，F(xiàn)LASH：1Mbit；

4、提供7路紅外測(cè)距傳感器信號(hào)采集接口，接口為12bit的A/D采集輸入，輸入為最大3.3V模擬信號(hào)；

5、提供6路超聲波測(cè)距傳感器的輸入接口，要求為信號(hào)電平為T(mén)TL3.3V的RS232接口，波特率可配置（4800bps ～ 115200bps）；

6、提供1路GPS模塊的輸入接口，要求為信號(hào)電平為T(mén)TL3.3V的RS232接口，波特率可配置（4800bps ～ 115200bps）；

7、提供3路慣導(dǎo)單元IMU的輸入接口，接口要求為I2C接口，預(yù)留SPI接口；

8、提供6路PWM信號(hào)輸出、18路IO信號(hào)輸出（6路方向控制、6路使能控制、6路電機(jī)剎車信號(hào)）用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，要求信號(hào)光耦隔離5V輸出；

9、提供6路IO信號(hào)采集，用于霍爾反饋PWM捕獲，輸入信號(hào)為脈沖信號(hào)，最大頻率為5KHz；

10、提供2路CAN2.0總線接口以及2路RS422總線接口，用于與上位機(jī)通訊；

11、提供對(duì)上位機(jī)進(jìn)行電源上下電控制功能；

12、提供1路A/D用于電源電壓采集，1路A/D用于溫度采集；

13、具備溫度采集功能，提供1路預(yù)留RS232接口；

14、工作溫度：-40℃～+60℃；

3 、系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)框圖

如圖1所示，電控系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)模塊兩部分組成，其中上位機(jī)包含以下組成部分：

1、嵌入式主板：1個(gè)；

2、CAN總線模塊：1個(gè)；

3、二維/三維激光（室內(nèi)/外）傳感器：1個(gè)；

4、相機(jī)（預(yù)留）：1個(gè)；

下位機(jī)包含以下組成部分：

1、基于S698-T+FPGA控制器模塊：1個(gè)；

2、紅外測(cè)距傳感器：7個(gè)；

3、超聲波測(cè)距傳感器：6個(gè)；

4、GPS模塊：1個(gè)；

5、慣導(dǎo)單元IMU：3個(gè)；

6、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊：6組；

4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本電控系統(tǒng)的上位機(jī)主要涉及到硬件選型以及軟件開(kāi)發(fā)，本文暫不對(duì)其設(shè)計(jì)展開(kāi)詳述，主要對(duì)下位機(jī)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳述。

下位機(jī)主要由主控制器模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)、超聲波傳感器、紅外傳感器、慣導(dǎo)模塊等周邊相關(guān)外設(shè)組成，其中主控制器模塊基于S698-T設(shè)計(jì)，具體方案如下：

圖2 基于S698-T+FPGA的控制器模塊系統(tǒng)框圖

如圖2所示，下位機(jī)主控制器模塊采用S698-T+FPGA的架構(gòu)，S698-T作為主處理器，其外圍設(shè)計(jì)SRAM、FLASH、硬件看門(mén)狗復(fù)位、時(shí)鐘等模塊，構(gòu)成一個(gè)S698-T的最小系統(tǒng)，再根據(jù)外圍接口需要，使用S698-T片內(nèi)的4路RS232總線接口以及2路CAN總線接口，實(shí)現(xiàn)2路RS232接口、2路RS422接口以及2路CAN總線接口。

控制器模塊采用FPGA作為協(xié)處理器，并通過(guò)并行總線將FPGA掛接在S698-T的IO空間上，實(shí)現(xiàn)與S698-T的協(xié)同處理。FPGA根據(jù)系統(tǒng)功能需要，片內(nèi)設(shè)計(jì)了兩個(gè)ADC控制器、6路串行總線控制器、6路PWM輸出控制器、32路IO控制器、IIC/SPI接口控制器以及并行接口控制器等功能模塊，同時(shí)外接相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的接口需求。

控制器模塊采用12V DC供電，板上設(shè)計(jì)有DC-DC電源模塊，實(shí)現(xiàn)12VDC到+1.2VDC、+2.5VDC、+3.3VDC、+5VDC的轉(zhuǎn)換，供板上相關(guān)器件使用。

4.1 主處理器設(shè)計(jì)

控制器模塊的主處理器設(shè)計(jì)主要是S698-T最小系統(tǒng)+外圍接口驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，S698-T最小系統(tǒng)主要包括S698-T、SRAM、FLASH、硬件看門(mén)狗復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及調(diào)試用的DSU接口電路。

高可靠處理器S698-T簡(jiǎn)介：

1、采用哈弗體系結(jié)構(gòu)（Harvard architecture）；

2、具備整型單元（IU：Integer Unit）：

? 32位RISC，采用SPARC V8（IEEE-1754）指令集；

? 5級(jí)指令流水（預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、存儲(chǔ)、回寫(xiě)）；

? 具有硬件乘法器和硬件除法器；

? 支持MAC和UMAC等DSP指令；

3、浮點(diǎn)處理單元（FPU：Floating Point Unit）

? 遵循IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)；

? 支持單/雙精度；

4、具有彼此分離的大容量指令Cache 32K Bytes和數(shù)據(jù)Cache 16K Bytes；

5、片內(nèi)總線遵循AMBA2.0標(biāo)準(zhǔn)，采用AHB總線聯(lián)接片內(nèi)高速設(shè)備，采用APB總線聯(lián)接片內(nèi)低速設(shè)備；

6、在線硬件調(diào)試支持單元（DSU：Debug Support Unit）：

? 無(wú)需外置仿真器的支持即可實(shí)現(xiàn)硬件在線直接調(diào)試；

? 可實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部資源（如寄存器、用戶可用RAM等）的操作；

? 可實(shí)現(xiàn)程序斷點(diǎn)設(shè)置；

7、集成存儲(chǔ)器控制器（MCTRL：Memory Controller）：

? 支持外部SRAM、SDRAM、ROM 以及MAP I/O等類型的存儲(chǔ)器；

? SRAM、ROM及MAP I/O的數(shù)據(jù)總線寬度可通過(guò)軟件配置成32/16/8 位三種模式；

? SRAM、ROM及MAP I/O的存取時(shí)間參數(shù)可配置；

? 支持5個(gè)SRAM Bank、2個(gè)SDRAM Bank、2個(gè)ROM Bank、1個(gè)IO Bank；

? 尋址空間2048M Bytes；

? ROM尋址空間：512M Bytes；

? MAP I/O尋址空間：512M Bytes；

? SRAM/SDRAM尋址空間：1024M Bytes；

8、集成1553B 、ARINC429、CAN、串口等數(shù)據(jù)總線控制器；

9、集成多功能IO接口（MFIO）：

? 集成16路獨(dú)立的多功能IO接口；

? 各路的輸入或輸入方向可以獨(dú)立配置；

? 各路均可以輸出周期、占空比、電平極性、脈沖數(shù)目等參數(shù)可調(diào)的PWM信號(hào)；

? 各路均具有輸入脈沖計(jì)數(shù)功能；

10、集成定時(shí)器、看門(mén)狗、ADC、DAC等模塊；

11、生產(chǎn)工藝：130nm CMOS；

12、工作頻率：

? 最高主頻（IUCLK）：200MHz；

? 最高外頻（SYSCLK）：100MHz；

13、處理能力：

? 180MIPS@200MHz；

? 55MFLOPS（Double Precision）@200MHz；

14、峰值功耗：不高于1.5W@200MHz；

15、電源電壓

? 3.3V±0.3V（IO）；

? 1.2V±0.1V（CORE）；

16、工作環(huán)境溫度

? 工業(yè)級(jí)-40℃～+85℃（塑封PBGA352）；

? 軍品級(jí)-55℃～+125℃（陶封CBGA352）；

控制器模塊的主處理器的主要元器件選型如下：

1） 主控制器：S698-T，工作主頻為100MHz；

2） SRAM：IS61LV51216-10TI，容量為512k*16bit；

3） FLASH：39VF040-90-4I-NH，容量為512k*8bit；

4） 看門(mén)狗：TPS3813K33MDBVREP；

5） 時(shí)鐘：有源晶振，10MHz；

6） DSU接口/RS232總線接口驅(qū)動(dòng)芯片：MAX3232ESE；

7） CAN總線驅(qū)動(dòng)芯片：TJA1042t；

8） RS422總線驅(qū)動(dòng)芯片：MAX488ESA；

9） 上位機(jī)電源控制開(kāi)關(guān)：選用歐姆龍繼電器G6k-2F；

4.2 協(xié)處理器設(shè)計(jì)

控制器模塊的主處理器設(shè)計(jì)主要是FPGA最小系統(tǒng)+外圍接口驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)以及FPGA邏輯設(shè)計(jì)，對(duì)于FPGA邏輯設(shè)計(jì)本文只提出設(shè)計(jì)需求，具體如下：

1） 具備2個(gè)ADC控制器功能，ADC采用ADS8555；

2） 具備6路串口控制器功能，波特率可設(shè)置，收發(fā)緩存不小于32Byte；

3） 具備6路PWM輸出控制器功能；

4） 具備32路IO輸入輸出功能，輸入可識(shí)別脈沖頻率不小于5KHz；

5） 具備8路IIC和SPI接口控制器功能；

6） 具備與S698-T進(jìn)行交互的并行接口功能；

7） 時(shí)鐘資源：時(shí)鐘可采用S698-T的時(shí)鐘輸出作為FPGA時(shí)鐘輸入，同時(shí)FPGA外接33MHz晶振；

控制器模塊的協(xié)處理器的主要元器件選型如下：

1） FPGA：選用Altera FPGA；

2） 時(shí)鐘：有源晶振，33MHz；

3） ADC：選用ADS8555；

4） 光耦隔離：HCPL-2630；

5） RS232總線接口驅(qū)動(dòng)芯片：MAX3232ESE；

4.3電源供電設(shè)計(jì)

控制器模塊采用+12VDC供電，模塊內(nèi)部需要用到的電源包括+5VDC、+3.3VDC、+2.5VDC、+1.2VDC，因此需要選用DC-DC模塊芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體選型如下：

1） 12V轉(zhuǎn)5V：LM2596T_5.0；

2） 5V轉(zhuǎn)3.3V：LT1963AMP-3.3V；

3） 5V轉(zhuǎn)2.5V：LT1963AMP-2.5V；

4） 5V轉(zhuǎn)1.2V：NCP565D2T12；

4.4 軟件設(shè)計(jì)

基于高可靠處理S698-T進(jìn)行多功能智能移動(dòng)平臺(tái)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涉及到S698-T的控制軟件設(shè)計(jì)，在此我們引入了嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（EOS）--RTEMS，利用珠海歐比特控制工程股份有限公司開(kāi)發(fā)的基于此操作系統(tǒng)的Orbita EOS嵌入式操作系統(tǒng)及其Orbita EOS 開(kāi)發(fā)工具，可大大提高軟件編程效率和可靠性，具體可參考（Orion4.0用戶手冊(cè)）。

5、結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)今人工智能的熱潮下，多功能智能移動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用也日益廣泛，各種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)其電控系統(tǒng)提出了多種多樣的要求，本文針對(duì)市面廣泛的需求，提出一種基于S698-T的多功能智能移動(dòng)平臺(tái)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可兼容市面的各種需求，為后續(xù)多功能智能移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供一種有效的參考。

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