CN216442561U - 一种基于arm嵌入式的码垛机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机器人领域，具体来说是一种基于ARM嵌入式的码垛机器人控制系统，包括控制机器人的交流伺服电机的主控系统，所述主控系统包括ARM板和FPGA板，所述ARM板和FPGA板与所述交流伺服电机通信并控制该交流伺服电机的动作。本实用新型通过主控系统和子系统不仅可实现高速数据处理，而且通过FPGA的可重构技术减少硬件开发成本，具有开发周期短、系统灵活度高等优点，能够为后期系统升级提供便利。

Description

一种基于ARM嵌入式的码垛机器人控制系统

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，具体说是一种基于ARM嵌入式的码垛机器人控制系统。

背景技术

机器人技术是综合了人工智能、传感器技术、机械设计技术、仿生技术、自动控制理论等多种学科而派生出来的一门高新技术，工业机器人产业是现在研究十分热门、应用日趋广泛的领域。随着物流行业的飞速发展和码垛作业的大量需求，码垛机器人已成为工业机器人的重要组成部分。在工业生产中，机器人并非简单的替代工人工作，它是综合了机器与人的特长的高科技电子机械装置。机器人既有机器长期连续工作、反复执行某些动作和抵御严酷环境的能力，又有人对工作环境变化迅速做出对应决策的能力。

由于工业生产要求的提高和新技术的产生，码垛机器人经历了数次更新换代，以满足机器人市场的需求。控制器的智能化和人机界面的人性化是码垛机器人改进的方向，完善的故障诊断和报警功能帮助用户轻松的维护机器人的正常运作。目前，比较有代表性的码垛机器人控制系统主要有以下两种：

1.基于计算机的控制系统。计算机控制系统的硬件部分是计算机（多为工控机）插上运动控制卡来负责机器人的运动学解析、轨迹规划算法及控制电机运动。

2.基于PLC控制系统。基于PLC控制系统的硬件组成主要是 PLC 控制器，依靠PLC强大的输入/输出控制功能来控制电机运动，利用组态软件设计友好的人机界面。

但现有的码垛机器人控制系统存在开发难度大且开发周期长、系统灵活度不高等缺点。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供了一种基于ARM嵌入式的码垛机器人控制系统，该系统不仅可实现码垛机器人的码垛功能，而且支持多线程、可抢占机制及具备实时性。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于ARM嵌入式的码垛机器人控制系统，包括控制机器人的交流伺服电机的主控系统，所述主控系统包括ARM板和FPGA板，所述ARM板和FPGA板与所述交流伺服电机通信并控制该交流伺服电机的动作。

作为优选，设有子系统，该子系统包括子ARM板，该子ARM板与所述ARM板通信。

作为优选，所述ARM板通过闪存存储固化程序，通过同步动态存储器存储动态程序，通过晶振提供时钟信号。

作为优选，所述FPGA板通过动态存储器存储动态程序，通过主晶振提供时钟信号，通过JTAG接口进行边界扫描及调试。

作为优选，所述子ARM板通过子闪存存储固化程序，通过子同步动态存储器存储动态程序，通过子晶振提供时钟信号，通过键盘实现人机交互。

作为优选，所述ARM板与子ARM板通过串行总线通信，所述ARM板与所述交流伺服电机通过串行总线通信，所述ARM板与FPGA板通过并行总线通信， 所述FPGA板通过输入/输出端口控制交流伺服电机。

从以上技术方案可知，本实用新型主控系统和子系统不仅可实现高速数据处理，而且通过FPGA的可重构技术减少硬件开发成本，具有开发周期短、系统灵活度高等优点，能够为后期系统升级提供便利。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

图2是本实用新型ARM与FPGA并行总线通信协议图。

图3是本实用新型ARM与FPGA通信流程图。

图4是本实用新型FPGA从ARM读取信息时程序流程图。

图5是本实用新型ARM板按键电路图。

图6是本实用新型ARM串行接口电路图。

图7是本实用新型电源电路图。

图8是本实用新型时钟电路图。

图9是本实用新型JTAG接口调试电路图。

图10是本实用新型USB串口电路图。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

如图1，本实用新型提供了一种基于ARM嵌入式的码垛机器人控制系统，其包括主控系统、子系统及交流伺服电机15三个部分。主控系统包括ARM板1，FPGA板11，还包括闪存2，同步动态存储器3，晶振4，JTAG接口12，动态存储器13，主晶振14；主控系统的ARM板1用于检测传感器信号、通讯处理、错误检测等，FPGA板用于实现码垛机器人的运动控制部分，包括对路径进行轨迹规划和产生变频脉冲信号驱动电机完成再现功能。子系统的子ARM板5板负责运行人机界面，还包括子晶振6，子JTAG接口7，子闪存8，子同步动态存储器9，键盘10。ARM板1通过并行总线与FPGA板11进行通信，ARM板1通过串行总线RS485与交流伺服电机15及子ARM板5进行通信，FPGA板11通过输入/输出端口对交流伺服电机15进行控制。控制系统的软件采用Linux多任务嵌入式系统，支持多线程和可抢占机制，满足码垛机器人控制系统的功能实现和实时性要求。

本实用新型的ARM板采用ARM微处理器，ARM（Advanced RISC Machines）是一款性能出众的微处理器，价格相对低廉，而且功耗低，其较强的通用性使得 ARM 微处理器可以与很多电子设备相兼容。在经过多年的发展，已经在到工业控制、网络应用、无线通信、电子产品等领域得到深入的应用。ARM处理器可以同时处理Thumb(16 位)指令集以及 ARM(32位)指令集，并且可以在这两种状态中来回切换。在使用 16 位指令编写软件代码时，与同样功能的 32 位编码相比，占用的储存器空间更少。ARM具有强大的任务处理能力和丰富的外部资源等，容易扩展，可适用于多种操作系统，具备处理复杂的任务能力，十分适合作为机器人控制系统的处理器。经过几十年的发展，ARM已经发展出包括ARM7～ARM11和Cortex等多个系列。它们都有其各自的特点和适用的应用领域。结合码垛机器人系统控制要求，选择三星公司生产的ARM9 系列的S3C2440芯片，它接口资源丰富，可以满足控制系统的需求。

本实用新型的FPGA板采用FPGA芯片，FPGA芯片利用门电路直接运算，数据处理速度快，而且用户可以根据自己的需求定义这些门电路和存储器之间的布线，改变执行方案，以期得到最佳效果。FPGA可以采用Open CL等更高效的编程语言，降低了硬件编程的难度，还可以集成重要的控制功能，整合系统模块，提高了应用的灵活性。FPGA具有低能耗、高性能以及可编程等特性，而且计算能力出色，适用于复杂的控制系统。通过对码垛机器人控制系统的各项技术指标、所需的硬件资源、运行速度以及成本等因素的综合分析和考虑，采用基于EP4CE15F17C8N型号的FPGA芯片开发板。交流伺服电机采用瑞士Maxon伺服电机。该直流伺服电机的工作电压是48 V，最大允许转速为8200 r/min，空载转速为 7580 r/min，减速器的减速比66：1，数字编码器的最高工作频率为 320 kHz。

ARM与FPGA接口采用并行总线通信。为了使系统设计达到预期的控制效果，实现ARM与FPGA之间的信息传递，需要对ARM与FPGA的接口进行配置。图2为本文所设计的ARM与FPGA之间的通信协议图。根据 ARM与FPGA的端口特点，对通信协议中所涉及的信号进行如下设定：50MHz 的时钟号，一个复位信号，16位双线数据信号DATA[15:0]，地址信号 ADDR[15:0]。ARM 板的 GPG0、GPG3、GPG5、GPG6 接口引脚分别与FPGA 芯片的TD0、TMS、TD1和TCK接口引脚相连，从而构成并行总线通信协议图，如图2。

ARM与FPGA的通信流程图如图3所示。首先，在ARM板中对电机加减速进行计算，然后将计算后得到的信息传送给FPGA板，通过FPGA板产生脉冲信号控制电机；其次，FPGA板将来自编码器的反馈以及各种开关信号通过并行总线传送给ARM板，以此实现ARM与FPGA 之间的通信。

FPGA从ARM读取运动信息流程图如图4所示。首先，ARM接收来自PC上位机的运动要求信息，并在ARM中按照要求对运动轨迹进行规划，规划结束后，FPGA向ARM 板发出读数据请求，如果ARM中的数据已准备好，那么系统便向FPGA发送指令执行数据读取任务。当FPGA的数据读取任务执行完毕后，系统进行总体调度并执行其他任务，直到所有的任务执行完毕。

键盘用于实现人机交互。码垛机器人控制系统子系统ARM板配置了六个按键，均是从CPU中断引脚导出，属于低电平触发工作方式，按键电路如图5所示。ARM板自带电源按钮和复位按钮分别用于上电启动系统和重启系统，设计按键K1和K2用于实现主控制系统的执行和停止功能。当ARM板接收到用户按键按下产生的中断信号时，向FPGA发送相应的通讯命令，来实现按键的功能。

串行接口电路采用RS485串行总线通信。S3C2440 本身共有3个串口UART0、UART1和UART2，分别对应ARM板的接口CON1、CON2和CON3，这3个接口都是从CPU直接引出。为实现串行通信功能，需分别对这三个串口把RXD、TXD和GND 3个引脚使用专用芯片MAX232 做RS232电平转换，串行通信连接电路如图6所示。对于主控系统ARM板而言，串口总线与子系统ARM板和主控系统FPGA板连接通信，串口3通过UT-2216接口转换器与交流伺服电机组进行RS485总线通信。

电源电路用于向码垛机器人提供电源。FPGA采用外接5V稳压电源供电，分别通过低压差线性稳压源AMS1117-3.3和AMS1117-1.2转换为3.3V和 1.2V。其中，3.3V为输入/输出引脚的工作电压，1.2V为 FPGA内核供电电压，电源电路如图7所示。

时钟电路用于向码垛机器人控制系统的嵌入式CPU提供标准时钟信号。时钟系统作为CPU的脉搏，要求具有很强的稳定性和很高的精确性，选择两个电容C11、C12，大小均为20 pF，串联在晶振Y2的两端，同是在其两端并联一个1MΩ的电阻R64，保证晶振能够稳定的起振，低速外部时钟晶振Y3 需要根据选择的晶振来对负载的电容值进行调节，并在其两端并联两个电容C52和C53，大小为10 pF。在选择电容是应当注意型号的匹配，会影响到整个晶振电路的起振顺利与否，同时对晶振的起振时间也会有影响。选用的晶振Y2起振时间是毫秒级别，而晶振Y3起振时间相对而言较长。系统时钟电路如图8所示。

JTAG调试接口电路用于实现码垛机器人控制系统的调试。JTAG调试接口整体电路如图9所示。

USB串口电路用于PC机下载程序到码垛机器人控制系统，USB 串口电路如图10所示。

ARM嵌入式码垛机器人控制系统采用Linux多任务嵌入式系统，支持多线程和可抢占机制，能够满足码垛机器人控制系统的功能实现和实时性要求。Linux 以其灵活性和高效性著称，其结构模块化的设计思想，使得Linux既能在大型工作站上运行也能移植到ARM嵌入式芯片。

Claims (2)

1.一种基于ARM嵌入式的码垛机器人控制系统，包括控制机器人的交流伺服电机的主控系统，其特征在于：所述主控系统包括ARM板和FPGA板，所述ARM板和FPGA板与所述交流伺服电机通信并控制该交流伺服电机的动作；所述ARM板通过闪存存储固化程序，通过同步动态存储器存储动态程序，通过晶振提供时钟信号；所述FPGA板通过动态存储器存储动态程序，通过主晶振提供时钟信号，通过JTAG接口进行边界扫描及调试；所述ARM板与子ARM板通过串行总线通信，所述ARM板与所述交流伺服电机通过串行总线通信，所述ARM板与FPGA板通过并行总线通信，所述FPGA板通过输入/输出端口控制交流伺服电机；设有子系统，该子系统包括子ARM板，该子ARM板与所述ARM板通信。

2.根据权利要求1所述基于ARM嵌入式的码垛机器人控制系统，其特征在于：所述子ARM板通过子闪存存储固化程序，通过子同步动态存储器存储动态程序，通过子晶振提供时钟信号，通过键盘实现人机交互。

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