专利名称：一种面向移动救援机器人的模块化嵌入式控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种面向移动救援机器人的模块化嵌入式控制装置，满足不同移动 救援机器人对控制器的功能需求。
背景技术：
机器人控制器是机器人系统中最重要、最关键的部分。机器人控制器性能的好坏 直接决定着机器人的运动性能。现有的机器人系统多是专用系统，只能适应于特定结构的 机器人，一旦机器人的结构改变，其控制器也得重新设计，从而限制了机器人根据任务和工 作环境的要求变更或扩展的能力。目前存在的各种开放式结构机器人控制器虽然做到了可 移植性，可扩展性等，但大多采用工业控制计算机作为控制器，硬件结构无法改变，且成本 高，体积大，无法做到嵌入式控制。随着机器人技术的发展，机器人在设计、制造、维护等方面越来越需要机器人具有 更好的模块化设计，以满足不同项目中几种不同结构与功能的救援机器人对控制器的需 求，减小不同功能控制器的设计周期与成本，增大不同功能控制器间的功能复用。目前不同 机器人对控制器的功能需求主要集中于通讯与外围设备接口的不同，对传感器的类型与数 量要求不同，对控制器控制功能与人机交互的需求不同，针对此本实用新型面向移动救援 机器人的模块化嵌入式控制装置分为处理器核心模块、外设与通讯接口模块、传感器接口 模块、以及模块化的控制软件四个模块。
实用新型内容本实用新型的目的在于设计一种机器人模块化的嵌入式控制装置，以满足不同项 目中几种不同结构与功能的救援机器人对控制器的需求，减小不同功能控制器的设计周期 与成本，增大不同功能控制器间的功能复用。本实用新型面向移动救援机器人的模块化嵌入式控制装置包括有处理器核心模 块(1)，外设与通讯接口模块O)，传感器接口模块(3)以及模块化的控制软件G)。处理器核心模块(1)是系统控制的核心，采用低功耗的处理器ARM (Advanced RISC Machine) S3C2440 处理器(11)，并扩展有 NOR Flash (Nor 型闪存)(12)，NAND Flash (NAND 型闪存)(13)，SDRAM(同步动态随机存取存储器)(14)；同时扩展出各种总线接口(15)。外设与通讯接口模块( 根据机器人控制功能的需要，扩展出机器人控制器常用 的外设与通讯接口，主要扩展出串口、485总线接口、CAN总线接口以及网络通讯等接口。传感器接口模块(3)用于连接机器人控制中需要多种多样的传感器，需要模拟 量如温度、湿度、气体浓度的采集，以及图像声音信号的采集，音频采集利用I2S总线通过 UDA1341芯片扩展出两路音频输入与输出接口，图像采集通过USB摄像头实现。模块化的控制软件(4)主要是机器人控制的相关软件，主要包括操作系统模块、 驱动模块、以及机器人控制软件模块、通讯模块。主要需要根据系统硬件平台的配置，移植 Linux操作系统，并在Linux操作系统平台上完成相关设备驱动开发，控制软件开发，通讯程序开发。本实用新型的机器人模块化的嵌入式控制装置优点为1机器人模块化的嵌入式控制装置采用模块化设计，设计出满足不同机器人接口 功能要求的常用接口模块，方便系统的集成与维护，缩短了系统开发时间，提高系统的可靠 性。2在核心处理器选择上采用低功耗的ARM处理器S3C2440作为系统控制装置核心 处理器，有效地降低了控制装置的功耗。3软件模块上采用模块化设计，增强了系统的可裁剪性和可维护性。同时操作系统 采用Linux系统作为操作系统，增强了系统软件的可靠性、扩展性与开放性。4系统提供了串口、485总线接口、CAN总线接口以及网络通讯等常用通讯接口，同 时提供模拟量如温度、湿度、气体浓度的采集的接口，以及图像声音信号的采集，可以满足 多种应用场合的需要。
图1是本实用新型的机器人模块化的嵌入式控制装置的系统组成图。图2是本实用新型的机器人模块化的嵌入式控制装置的系统详细结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。参见图1所示，本实用新型一种机器人模块化的嵌入式控制装置，该机器人模块 化的嵌入式控制装置模块化嵌入式控制装置包括有处理器核心模块(1)，外设与通讯接口 模块O)，传感器接口模块(3)以及模块化的控制软件G)。在本实用新型中，处理器核心模块(1)是系统控制的核心，主要是完成嵌入式控 制核心功能。处理器核心模块采用低功耗的处理器ARM (Advanced RISCMachine) S3C2440 处理器(11)，并扩展有 NOR Flash (Nor 型闪存)(12)，NANDFlash (NAND 型闪存)(13)， SDRAM(同步动态随机存取存储器)(14)；同时扩展出各种总线接口(15)。外设与通讯接口模块(2)根据机器人控制功能的需要，扩展出机器人控制器常用 的外设与通讯接口。具体如下采用TL16C5M串口扩展芯片进行串口功能的扩展(21)、 使用SJA1000独立CAN控制器以及TJA1050高速CAN收发器扩展出CAN总线接口 Q2)，以 及采用DM9000以太网控制器和H1102网络变压器扩展出以太网通讯接口(23)，以及采用 MAX485芯片实现232到半双工485串口转换，采用MAX491芯片实现232到全双工485串口 的转换(24)。传感器接口模块(3)用于连接机器人控制中需要多种多样的传感器，需要模拟量 如温度、湿度、气体浓度的采集，以及图像声音信号的采集。对于模拟量的采集使用ARM处 理器AD转换接口部分(31)，而采用I2S音频接口 UDA1341TS芯片完成音频采集(32)，以及 采用USB摄像头实现图像采集(33)。模块化的控制软件(4)主要是机器人控制的相关软件，主要包括操作系统模块、 驱动模块、以及机器人控制软件模块、通讯模块。根据系统硬件平台的配置，移植Linux操 作系统，并在Linux操作系统平台上利用操作系统提供的驱动程序开发框架完成串口扩展、CAN总线、以太网接口、音频接口、AD采集以及USB摄像头等设备驱动移植与开发，控制 软件开发实现控制器对各个电机驱动器以及传感器的控制，通讯程序负责与主机通讯以及 与电机驱动器、传感器等机器人部件实现通讯。结合系统详细结构图2，本新型一种嵌入式图像采集处理装置中各个单元实现的 功能作如下所述(一 )处理器核心模块(1)处理器核心模块(1)系统控制的核心，主要是完成嵌入式控制核心功能。处理器 核心模块采用低功耗的处理器ARM (Advanced RISC Machine) S3CM40处理器(11)，S3CM40 是一款高度集成的芯片，工作电压1.3V，采用16/32位ARM920T RISC核心，提供的接口支 持NAMD闪存、数码相机、TFT/STN液晶屏、USB、SD/MMC/SDI0存储卡以及触摸屏等。该产品 采用0. 13微米制成的CMOS处理器，支持多种操作系统。同时扩展有Flash存储器用来作 为系统的程序存储器，以便将程序固化在硬件平台上，NOR Flash (Nor型闪存)(12)用来存 储启动代码和系统Linux内核，NAND Flash (NAND型闪存)(13)用来存放文件系统，同时备 份启动代码和系统Linux内核，SDRAM(同步动态随机存取存储器)(14)作为系统内存，保 证系统运行时所需的内存空间；同时扩展出各种总线接口(15)，包括数据总线、地址总线 和控制总线，以及串口、USB接口、以太网接口，以便与其他模块之间的连接。( 二)外设与通讯接口模块O)外设与通讯接口模块(2)根据机器人控制功能的需要，扩展出机器人控制器常用 的外设与通讯接口。具体介绍如下采用TL16C5M串口扩展芯片进行串口功能的扩展Ql)，TL16C554是一个整合四 个通道即TL16C550C的增强型异步通讯组件(ACE)。它的每个通道能从外围设备或MODEM 接收数据，实现串-并转换；同时，它也可以从CPU端接收数据，实现并-串转换。系统中 TL16C554的8位数据线与ARM处理器的数据总线的低8位相连，3位地址线与ARM处理器 的地址线的低3位相连，4个片选信号由ARM处理器nGCSl与A3、A4地址线通过3_8译码 器译码输出进行控制。使用SJA1000独立CAN控制器以及TJA1050高速CAN收发器扩展出CAN总线接口 (22),SJA1000与微处理器的接口主要由8根数据和地址分时复用线完成。采用DM9000以 太网控制器和H1102网络变压器扩展出以太网通讯接口(23)，DM9000通过23位数据总线 与ARM处理器连接。采用MAX485芯片实现232到半双工485串口转换，采用MAX491芯片 实现232到全双工485串口的转换04)。(三)传感器接口模块(3)传感器接口模块用于连接机器人控制中需要多种多样的传感器，需要模拟量如温 度、湿度、气体浓度的采集，以及图像声音信号的采集。对于模拟量的采集使用ARM处理 器AD转换接口部分(31)，将ARM处理器芯片具有的4路IObit精度的AD接口引出，用来 连接模拟量。而采用I2S总线通过UDA1341芯片扩展出两路音频输入与输出接口(32)。 I2S(Inter-IC Sound)总线是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一 种总线标准，该总线专责于音频设备之间的数据传输，广泛应用于各种多媒体系统。以及采 用USB摄像头实现图像采集(33)，通过USB接口与处理器核心模块连接，完成图像采集。(四)模块化的控制软件[0034]模块化的控制软件(4)主要是机器人控制的相关软件，主要包括操作系统模块、 驱动模块、以及机器人控制软件模块、通讯模块。根据系统硬件平台的配置，移植Linux操作系统，其步骤主要包括Boot loader的 移植、Linux系统的移植、文件系统的构建三部分。首先在移植操作系统前需要先移植Boot loader.所谓Boot loader就是在操作 系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序初始化系统硬件设备，建立内存空 间的映射图，为最终调用操作系统内核配置好正确的环境。接着便是，Linux操作系统的 移植，1.下载LinuX2.6.内核及其关于ARM平台的补丁；2.建立交叉编译环境，下载安装 arm-linux-gcc工具链；3.根据系统配置，修改移植内核。文件系统是Linux操作系统不 可或缺的重要组成部分。要实现根文件系统，首先要配置内核，配置MTD，将内核对jffs2、 ramfs文件系统的支持功能编译进内核，确保Linux系统支持jffs2文件系统；接着根据 系统要求，划分Flash分区，为Boot loader、内核、文件系统分配存储空间。下一步便是制 作jffs2格式的文件系统。在嵌入式Linux系统中制作root文件系统的一个常用利器是 Busy Box，制作好文件系统后用mkfs. jffs2工具生成jffs2文件系统，将文件系统烧写到 Flash 中。在Linux操作系统平台上利用操作系统提供的驱动程序开发框架完成串口扩展、 CAN总线、以太网接口、音频接口、AD采集以及USB摄像头等设备驱动移植与开发。对于上 述设备驱动，我们采用字符设备驱动的框架进行。以TL16C5M的驱动为例来说，read函数用来从串口读取数据，write函数用来通 过串口发送数据。具体实现如下write函数将用户空间拷贝到内核空间，并不断查询线路 状态寄存器(LSR)的位5:LSR5(THRE)发送器保持寄存器，当其置位时，表明异步通信组件 已准备好接受新的发送字符，这时将待发送的数据写入发送器保持寄存器(THR)，从而将该 数据发送出去，不断循环直至所有数据都发送完毕。read函数将不断从数据接收缓冲区中 读取数据放入内核空间数组中，当数据缓冲区为空时，read函数将进入休眠，并由串口接收 中断函数唤醒，直至读取所需的字节数，并接收到的串口数据拷贝到用户空间中。接收中断 处理函数，负责串口数据的接收。当串口有数据到达时将有中断产生，此时触发中断，调用 中断接收处理函数。该函数负责检验读取数据是否正确，将读取的数据放入缓冲区，并唤醒 读进程。控制软件开发实现控制器对各个电机驱动器以及传感器的控制，需要根据不同机 器人的要求进行裁剪和配置，根据系统的具体要求完成相应的控制程序。通讯程序负责与主机通讯以及与电机驱动器、传感器等机器人部件实现通讯，主 要包括串口通讯程序的编写，以太网通讯程序的编写。本实用新型本实用新型的机器人模块化的嵌入式控制装置采用模块化设计，设计 出满足不同机器人接口功能要求的常用接口模块，方便系统的集成与维护，缩短了系统开 发时间，提高系统的可靠性。同时在核心处理器选择上采用低功耗的ARM处理器S3C2440 作为系统控制装置核心处理器，有效地降低了控制装置的功耗。软件模块上采用模块化设 计，增强了系统的可裁剪性和可维护性。同时操作系统采用Linux系统作为操作系统，增强 了系统软件的可靠性、扩展性与开放性。系统提供了串口、485总线接口、CAN总线接口以及 网络通讯等常用通讯接口，同时提供模拟量如温度、湿度、气体浓度的采集的接口，以及图像声音信号的采集，可以满足多种应用场合的需要。
权利要求1.一种面向移动救援机器人的模块化嵌入式控制装置，其特征在于本实用新型面向 移动救援机器人的模块化嵌入式控制装置包括有处理器核心模块(1)，外设与通讯接口模 块O)，传感器接口模块(3)。
2.根据权利要求1所述的一种面向移动救援机器人的模块化嵌入式控制装置，其特 征在于处理器核心模块(1)包括有ARM处理器(11)、以及外围的NOR Flash(12), NAND Flash(13), SDRAM(14)；同时扩展出各种总线接口(15)，包括数据总线、地址总线和控制总 线，以及串口、USB接口、以太网接口，以便与其他模块之间的连接，以及系统供电电源部分 (16)。
3.根据权利要求1所述的一种面向移动救援机器人的模块化嵌入式控制装置，其特征 在于外设与通讯接口模块(2)包括有TL16C5M串口扩展部分Q1)、CAN总线接口 Q2)以 及以太网通讯接口 03)，以及232到485串口转换部分04)。
4.根据权利要求1所述的一种面向移动救援机器人的模块化嵌入式控制装置，其特 征在于传感器接口模块C3)包括ARM处理器AD转换接口部分(31)，采用I2S音频接口 UDA1341TS芯片实现音频采集部分(32)，以及采用USB摄像头实现图像采集部分(33)。
专利摘要本实用新型公开了一种面向移动救援机器人的模块化嵌入式控制装置。本实用新型涉及的是一种机器人控制装置领域，本面向移动救援机器人的模块化嵌入式控制装置包括有处理器核心模块(1)，外设与通讯接口模块(2)，传感器接口模块(3)以及模块化的控制软件(4)。上述几个方面分别按模块化进行设计，以满足不同项目中几种不同结构与功能的救援机器人对控制器的需求，减小不同功能控制器的设计周期与成本，增大不同功能控制器间的功能复用，同时提高机器人控制器的可维护性。
文档编号G05B19/04GK201837857SQ20102017426
公开日2011年5月18日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者丑武胜, 刘佳 申请人:北京航空航天大学