CN202838023U - 微电脑鼠全数字伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微电脑鼠全数字伺服控制系统，包括单片机、第一LM629芯片、第二LM629芯片、第一电机驱动器、第二电机驱动器、第一电机、第二电机，所述的单片机分别与第一LM629芯片和第二LM629芯片通讯，所述的第一LM629芯片发出控制信号至第一电机驱动器，所述的第二LM629芯片发出控制信号至第二电机驱动器，由所述的第一电机驱动器控制第一电机，所述的第二电机驱动器控制第二电机。本实用新型在形成基于单片机+LM629的双核处理器，把单片机从繁重的工作量中解脱出来，抗干扰能力大大增强。

Description

微电脑鼠全数字伺服控制系统

技术领域

本实用新型是有关于微型机器人的技术领域，且特别是有关于微电脑鼠全数字伺服控制系统。

背景技术

微电脑鼠是使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走机器人，在国外已经竞赛了将近30年，由其原理可以转化为多种实际的工业机器人，近几年内才引进国内，并逐渐成为一个新兴的竞赛项目。微电脑鼠可以在不同“迷宫”中自动记忆和选择路径，采用相应的算法，快速地到达所设定的目的地。一只优秀的微电脑鼠必须具备良好的感知能力，有良好的行走能力，优秀的智能算法，一只完整的微电脑鼠在大体分为以下几个部分：

1）传感器：传感器是微电脑鼠的眼睛，是微电脑鼠准确获取外部环境信息的依据，然后把外界信息输送到微处理器进行各种条件判断。

2）电机：执行电机是微电脑鼠的动力源，它根据微处理器的指令来执行微电脑鼠在迷宫中行走时的相关动作。

3）算法：算法是微电脑鼠的灵魂。微电脑鼠必须采用一定的智能算法才能找到终点，才能找到一条最短的路径，在最短的时间内到达终点。

4）微处理器：微处理器是微电脑鼠的核心部分，是微电脑鼠的大脑。微电脑鼠所有的信息，包括墙壁信息，位置信息，角度信息和电机状态信息等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。

微电脑鼠结合了多学科知识，对于提升在校学生的动手能力、团队协作能力和创新能力，促进学生课堂知识的消化和扩展学生的知识面都非常有帮助。另外电脑鼠走迷宫极具趣味性，容易得到学生的认同及参与，并能很好的激发和引导学生这方面的兴趣和爱好。其开展必然提升参赛者在相关领域的技术水平和应用能力，为技术创新提供平台。可以培养大批相关领域的人才，进而促进相关领域的技术发展和产业化进程。

由于国内研发此机器人的单位较少，对国际规则读取水平较低，相对水平比较落后，现有技术中的微电脑鼠全数字伺服控制系统制包含一个单片机。长时间运行发现存在着很多安全问题，包括：

（1）作为微电脑鼠的眼睛采用的是超声波或者是一般的红外传感器，使得微电脑鼠在快速冲刺时对周围迷宫的判断存在一定的误判；

（2）作为微电脑鼠的执行机构采用的是步进电机，经常会遇到丢失脉冲的问题出现，导致对冲刺位置的记忆出现错误；

（3）由于采用步进电机，使得机体发热比较严重，不利于在大型复杂迷宫中快速冲刺；

（4）由于采用比较低级的算法，在迷宫当中的冲刺一般都要花费15~30秒的时间，这使得在真正的大赛中无法取胜；

（5）由于微电脑鼠在快速冲刺过程中要频繁的刹车和启动，加重了单片机的工作量，单片信号处理器无法满足微电脑鼠快速冲刺的要求；

（6）相对采用的都是一些体积比较大的插件元器件使得微电脑鼠的体积比较庞大，无法满足快速冲刺的要求；

（7）由于受周围环境不稳定因素干扰，特别是周围一些光线的干扰，单片机控制器经常会出现异常，引起微电脑鼠失控，抗干扰能力较差；

（8）对于差速控制的微电脑鼠来说，一般要求其两个电机的控制信号要同步，但是对于单一单片机来说又很难办到，使得微电脑鼠在直道上行驶的时候就要来回的补偿，特别是对于高速冲刺时，微电脑鼠有的时候在迷宫当中摇摆幅度较大； 

（9）由于受单片机容量和算法影响，微电脑鼠对迷宫的信息没有存储，当遇到掉电情况时候所有的信息将消失，这使得整个冲刺过程无法完成；

（10）微电脑鼠在运行过程中，一定遇到撞墙情况都会发生电机堵转情况，造成电机瞬间电流过大，严重时烧坏电机。

因此，需要对现有的基于单片机控制的微电脑鼠全数字伺服控制系统进行重新设计。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种微电脑鼠全数字伺服控制系统，解决了现有技术中抗干扰能力差的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种微电脑鼠全数字伺服控制系统，包括单片机、第一LM629芯片、第二LM629芯片、第一电机驱动器、第二电机驱动器、第一电机、第二电机，所述的单片机分别与第一LM629芯片和第二LM629芯片通讯，所述的第一LM629芯片发出控制信号至第一电机驱动器，所述的第二LM629芯片发出控制信号至第二电机驱动器，由所述的第一电机驱动器控制第一电机，所述的第二电机驱动器控制第二电机。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的第一LM629芯片和第一电机之间还连接有第一编码器，所述的第二LM629芯片和第二电机之间还连接有第二编码器。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的第一LM629芯片和第二LM629芯片内部还包括运动梯形图发生器，所述的运动梯形图发生器用于生成速度运动梯形图，其包含的面积就是微电脑鼠两个马达要运行的距离。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的第一LM629芯片和第二LM629芯片内部还包括电机位置解码器，所述的电机位置解码器用于解读微电脑鼠的位置数据。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的第一LM629芯片和第二LM629芯片内部还包括闭环PID调节器，所述的闭环PID调节器用于调节微电脑鼠的驱动功率。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的第一电机和第二电机上还安装有光码盘，所述的光码盘用于输出微电脑鼠的位置信号。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的单片机还与传感器通讯，所述的传感器用于判断周围的环境并送给单片机，由单片机把这些环境参数转化为微电脑鼠左右轮要运行的距离、速度和加速度。

在本实用新型一个较佳实施例中，其特征在于，所述的传感器包括前方蔽障传感器、侧面蔽障传感器和电压传感器。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的单片机为工业级的C8051F120。

本实用新型的微电脑鼠全数字伺服控制系统，为了提高运算速度，保证微电脑鼠全数字伺服控制系统的稳定性和可靠性，本实用新型在基于单片机的控制系统中引入精密运动控制专用的LM629芯片，形成基于单片机+ LM629的双核处理器，把单片机从繁重的工作量中解脱出来，抗干扰能力大大增强。

附图说明

图1为本实用新型较佳实施例的微电脑鼠全数字伺服控制系统的结构方框图；

图2为本实用新型较佳实施例的微电脑鼠全数字伺服控制系统的硬件电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

单片机自20世纪70年代末诞生至今，经历了单片微型计算机SCM、微控制器MCU及片上系统SoC三大阶段，前两个阶段分别以MCS-51和80C51为代表。随着在嵌入式领域中对单片机的性能和功能要求越来越高，以往的单片机无论是运行速度还是系统集成度等多方面都不能满足新的设计需要，这时Silicon  Labs 公司推出了C8051F系列单片机，成为SoC的典型代表。 C8051F具有上手快(全兼容8051指令集)、研发快(开发工具易用，可缩短研发周期)和见效快(调试手段灵活)的特点，其性能优势具体体现在以下方面： 基于增强的CIP-51内核，其指令集与MCS-51完全兼容，具有标准8051的组织架构，可以使用标准的803x/805x汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51采用流水线结构，70%的的指令执行时间为1或2个系统时钟周期，是标准8051指令执行速度的12倍；其峰值执行速度可达100MIPS(C8051F120等)，是目前世界上速度最快的8位单片机；增加了中断源。标准的8051只有7个中断源Silicon  Labs 公司 C8051F系列单片机扩展了中断处理这对于时实多任务系统的处理是很重要的扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源允许大量的模拟和数字外设中断一个中断处理需要较少的CPU干预却有更高的执行效率；集成了丰富的模拟资源，绝大部分的C8051F系列单片机都集成了单个或两个ADC，在片内模拟开关的作用下可实现对多路模拟信号的采集转换；片内ADC的采样精度最高可达24bit，采样速率最高可达500ksps，部分型号还集成了单个或两个独立的高分辨率DAC，可满足绝大多数混合信号系统的应用并实现与模拟电子系统的无缝接口；片内温度传感器则可以迅速而精确的监测环境温度并通过程序作出相应处理，提高了系统运行的可靠性。选用C8051F120作为本系统的中央处理器完全能够满足系统的需要。

LM629芯片是National semiconductor生产的一款用于精密运动控制的专用芯片，有24脚和28脚二种表面安装式封装，在一个芯片内集成了数字式运动控制的全部功能，使得设计一个快速、准确的运动控制系统的任务变得轻松、容易，它有以下特性：

1）工作频率为6MHz和8MHz，工作温度范围为-40℃~+85℃ ，使用5V电源；

2）32位的位置、速度和加速度存器；

3）8位分辨率的PWM脉宽调制输出；

4）16位可编程数字PID控制器；

5）内部的梯形速度发生器；

6）该芯片可实时修改速度、目标位置和PID控制参数；

7）实时可编程中断；可编程微分项采样间隔；

8）对增量码盘信号进行四倍频；

9）可设置于速度或位置伺服两种工作状态。

上述特点使得LM629芯片特别适合伺服运动控制中。

如图1所示，为本实用新型较佳实施例的微电脑鼠全数字伺服控制系统的方框图。本实施例中，微电脑鼠全数字伺服控制系统包括单片机、第一LM629芯片、第二LM629芯片、第一电机驱动器、第二电机驱动器、第一电机、第二电机，所述的单片机分别与第一LM629芯片和第二LM629芯片通讯，所述的第一LM629芯片发出控制信号至第一电机驱动器，所述的第二LM629芯片发出控制信号至第二电机驱动器，由所述的第一电机驱动器控制第一电机，所述的第二电机驱动器控制第二电机。

上述中，所述的第一LM629芯片和第一电机之间还连接有第一编码器；所述的第二LM629芯片和第二电机之间还连接有第二编码器；所述的单片机通过数据总线与第一LM629芯片进行通讯；所述的单片机通过控制总线与第二LM629芯片进行通讯。

本实用新型中，所述的第一LM629芯片和第二LM629芯片内部均包括接口、运动梯形图发生器、电机位置解码器和闭环PID调节器。所述的接口为I/O口，用于连接数据总线和控制总线；所述的运动梯形图发生器用于生成速度运动梯形图，其包含的面积就是微电脑鼠两个马达要运行的距离；所述的电机位置解码器用于解读微电脑鼠的位置数据；所述的闭环PID调节器用于调节微电脑鼠的驱动功率。

本实用新型中，所述的单片机还与传感器通讯，所述的传感器用于判断周围的环境并送给单片机，由单片机把这些环境参数转化为微电脑鼠左右轮要运行的距离、速度和加速度。所述的传感器包括前方蔽障传感器S1、S2、S3、S4，侧面蔽障传感器和电压传感器S5、S6，所述的电压传感器S7。

请参阅图2，本实用新型中微电脑鼠全数字伺服控制系统还包括电池、处理器单元、第一控制器、第二控制器、第一高速直流电机、第二高速直流电机以及微电脑鼠。其中，所述的电池为锂离子电池，是一种供电装置，为整个系统的工作提供工作电压。所述的处理器单元内置控制系统，所述的处理器单元发出控制信号至所述的第一控制器和第二控制器，由所述的第一控制器分别控制第二高速直流电机和第一高速直流电机，通过第一高速直流电机和第二高速直流电机的驱动信号经过信号处理器合成之后，由所述的第一高速直流电机控制微电脑鼠的速度，所述的第二高速直流电机控制微电脑鼠的方向。其中，处理器单元为一双核处理器，包括单片机、第一LM629芯片和第二LM629芯片，且单片机和LM629芯片之间实时进行数据交换和调用。

本实用新型为克服单一的单片机不能满足微电脑鼠全数字伺服控制系统的稳定性和快速性的要求，舍弃了微电脑鼠全数字伺服控制系统所采用单一的单片机的工作模式，提供了基于单片机+LM629芯片的全新控制模式。处理器单元以LM629芯片为处理核心，实现数字信号的实时处理，把单片机从复杂的工作当中解脱出来，实现部分的信号处理算法和LM629芯片的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号。

本实用新型具体的功能实现如下：

1）为了能够驱动微电脑鼠进行运动，本控制系统引入了两片LM629芯片，但是通过I/O口与单片机进入实时通讯，由单片机控制其开通和关断；

2）打开电源瞬间，单片机会对电池电压进行检测，如果低压的话，将禁止LM629芯片工作，电机不能自锁，同时电压传感器S7将工作，并提示报警信号；

3）对于基于LM629芯片的系统来说，“忙”状态的检测是整个伺服系统设计的首要部分，在处理器向LM629芯片写命令或者读写数字后，“忙”状态位会被立刻置位，此时，会忽略一切命令数据传输，直至“忙”状态被复位，所以在每次运动之前先检测此状态位，判断是否为“忙”，如果是“忙”要进行软件复位，使系统可以进行数据通讯；

4）对于基于LM629芯片的系统来说，复位也是LM629芯片伺服系统操作中重要的一个环节，复位后，查看LM629芯片的状态字，如果不等于84H或者C4H，说明硬件复位失败，必须重新复位，否则LM629芯片不可以正常工作；

5）在微电脑运动过程中，传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6判断周围的环境并送给单片机，单片机把这些环境参数转化为微电脑鼠左右轮要运行的距离、速度和加速度，单片机然后与LM629芯片通讯，传输这些参数给LM629芯片，然后由LM629芯片生成速度运动梯形图，这个梯形包含的面积就是微电脑鼠两个马达要运行的距离；

6）在运动过程中如果微电脑鼠发现迷宫求解出现死循环将向单片机发出中断请求，单片机会对中断做第一时间响应，如果单片机的中断响应没有来得及处理，微电脑鼠的第一电机和第二电机将原地自锁；

7）装在第一电机和第二电机上的光码盘会输出其位置信号A和位置信号B，光码盘的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，LM629芯片内的位置寄存器会根据左右轮的运行方向加1或者是减1；

8）光码盘的位置信号A脉冲和B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给LM629芯片，记录电机的绝对位置，然后换算成微电脑鼠在迷宫中的具体位置；

9）控制器根据微电脑鼠在迷宫的具体位置，送相应的加速度、速度和位置数据等给LM629芯片的梯形图发生器作为参考值，由梯形图此计算出微电脑鼠需要更新的实际加速度、速度和位置信号； 

10）由运动梯形图发生器结合电机位置解码器决定的闭环PID调节器生成功率驱动桥需要的PWM波信号和电机正反转信号，用来实现微电脑鼠系统第一电机和第二电机的伺服控制；

11）如果微电脑鼠在运行过程中遇到故障撞墙时，电机的电流将增大，当超过设定值时，LM629芯片的中断命令LPES将会向控制器发出中断请求，此时控制器会立即控制LM629芯片停止工作，从而有效地解决了堵转问题。

12）微电脑鼠在运行过程会时刻检测电池电压，当系统出现低压时，传感器S7将开启并发出报警提示，有效地保护了锂离子电池。

综上所述的，本实用新型揭示的微电脑鼠全数字伺服控制系统，为了提高运算速度，保证微电脑鼠全数字伺服控制系统的稳定性和可靠性，本实用新型在处理器单元的单片机中引入LM629芯片，形成基于单片机+FPGA的双核处理器，实现了单片机与LM629芯片的分工，把单片机从繁重的工作量中解脱出来，抗干扰能力大大增强。

本实用新型微电脑鼠全数字伺服控制系统具有的有益效果是：

1：在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于单片机+LM629控制器时刻都在对微电脑鼠的运行状态进行监测和运算，避免了大电流的产生，所以从根本上解决了大电流对锂离子电池的冲击，避免了由于大电流放电而引起的锂离子电池过度老化现象的发生:；

2：由LM629芯片处理微电脑鼠的两只电机的独立伺服控制，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，解决了单片机软件运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强；

3：本实用新型基本实现全贴片元器件材料，实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且还实现了微电脑鼠的速度大小和方向的独立控制，有利于提高微电脑鼠的稳定性和动态性能。

4：为了提高运算速度和精度，本微电脑鼠采用了国际上使用最多的红外传感器OPE5594A，使得运算精度大大提高，防止了微电脑鼠在迷宫当中的摇摆；

5：由于本控制器采用LM629芯片处理大量的数据与算法，并充分考虑了周围的干扰源，并把单片机从繁重的工作量中解脱出来，抗干扰能力大大增强。

6：由LM629芯片输出PWM调制信号和方向信号，通过驱动电路可以直接驱动电机，不仅减轻了单片机的负担，简化了接口电路，而且省去了单片机内部编写位置、速度控制程序，以及各种PID算法的麻烦，使得系统的调试简单；

7：在微电脑鼠运行过程中，控制器会对电机的转矩进行在线辨识并利用电机力矩与电流的关系进行补偿，减少了电机转矩抖动对微电脑鼠快速探索的影响；

8：在控制中，单片机可以根据实际周围迷宫情况调整LM629芯片内部的PID参数，轻松实现分段P、PD、PID控制和非线性PID控制，使系统具有一定的自适应；

9：LM629芯片独有的中断命令LPES可以很好的解决微电脑鼠在运行过程中遇到撞墙情况发生的电机堵转，利用中断命令LPES可在输出超出设定值时立即停止输出并发出中断指令，从而有效地解决了堵转问题；

10：由于具有存储功能，这使得微电脑鼠掉电后可以轻易的调取已经探索好的迷宫信息，使二次探索的时间和路径大大降低；

11：LM629芯片的PID控制及运动控制类指令采用双缓冲结构，数据首先写入第一LM629芯片，只有在写入相关命令后主寄存器的数据才能进一步装入第二LM629芯片，这样很容易实现左右轮的同步，使得左右轮具有良好的同步性；

12：由于采用的单片机是工业级的C8051F120，在满足实用性的同时，其内核就是传统的8051的内核，使得编程者可以很好的二次开发。

以上所述的仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种微电脑鼠全数字伺服控制系统，其特征在于，包括单片机、第一LM629芯片、第二LM629芯片、第一电机驱动器、第二电机驱动器、第一电机、第二电机，所述的单片机分别与第一LM629芯片和第二LM629芯片通讯，所述的第一LM629芯片发出控制信号至第一电机驱动器，所述的第二LM629芯片发出控制信号至第二电机驱动器，由所述的第一电机驱动器控制第一电机，所述的第二电机驱动器控制第二电机。

2.根据权利要求1所述的微电脑鼠全数字伺服控制系统，其特征在于，所述的第一LM629芯片和第一电机之间还连接有第一编码器，所述的第二LM629芯片和第二电机之间还连接有第二编码器。

3.根据权利要求1所述的微电脑鼠全数字伺服控制系统，其特征在于，所述的第一LM629芯片和第二LM629芯片内部还包括运动梯形图发生器，所述的运动梯形图发生器用于生成速度运动梯形图，其包含的面积就是微电脑鼠两个马达要运行的距离。

4.根据权利要求1所述的微电脑鼠全数字伺服控制系统，其特征在于，所述的第一LM629芯片和第二LM629芯片内部还包括电机位置解码器，所述的电机位置解码器用于解读微电脑鼠的位置数据。

5.根据权利要求1所述的微电脑鼠全数字伺服控制系统，其特征在于，所述的第一LM629芯片和第二LM629芯片内部还包括闭环PID调节器，所述的闭环PID调节器用于调节微电脑鼠的驱动功率。

6.根据权利要求1所述的微电脑鼠全数字伺服控制系统，其特征在于，所述的第一电机和第二电机上还安装有光码盘，所述的光码盘用于输出微电脑鼠的位置信号。

7.根据权利要求1所述的微电脑鼠全数字伺服控制系统，其特征在于， 所述的单片机还与传感器通讯，所述的传感器用于判断周围的环境并送给单片机，由单片机把这些环境参数转化为微电脑鼠左右轮要运行的距离、速度和加速度。

8.根据权利要求7所述的微电脑鼠全数字伺服控制系统，其特征在于，所述的传感器包括前方蔽障传感器、侧面蔽障传感器和电压传感器。

9.根据权利要求1所述的微电脑鼠全数字伺服控制系统，其特征在于，所述的单片机为工业级的C8051F120。