技术领域
[0001] 本实用新型是一种基于嵌入式的
仿人机器人运动控制器，尤其是涉及一种采用ARM
微处理器(4)和uC/OS-Ⅱ嵌入式
操作系统的嵌入式控制器，用于控制多轴
电机联动，属于
机器人技术领域。
背景技术
[0002] 在本实用新型之前，纵观国内外对多轴电机联动控制的驱动，其控制方式有多种。国外的运动控制器设计方向有三种特点：基于计算机标准总线的运动控制器；Soft型开放式运动控制器；嵌入式结构的运动控制器。美国Delta Tau数字系统公司的基于DSP技术的PMAC运动控制器，该产品使用Motorola的DSP560002为核心
中央处理器，技术很成熟，其特点在于功能强大，适用于复杂运动控制的场合，如机器人等。但其控制点数少，增加控制点数的同时，价格则增加很多，在普通控制场合并不能推广。
实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的就是克服上述
缺陷，提供一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器。
[0004] 本实用新型的技术方案是：
[0005] 一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，该控制器可以控制二十轴
自由度联动，并能对
编码器和重
力加速度
传感器反馈的
信号有处理能力。本实用新型的技术方案是：一种基于嵌入式的仿人机器人运动控制器，其特征在于语音模
块、
触摸屏和
键盘鼠标分别接在ARM微处理器的语音
接口、触摸屏接口及键盘鼠标接口，ARM微处理器与CPLD复杂可编程逻辑单元通信，并将指令串传输给CPLD复杂可编程逻辑单元输入接口，CPLD复杂可编程逻辑单元将指令串译码，并输出给
单片机，单片机控制步进电机驱动芯片，驱动步进电机动作，步进电机动作的状态由信号反馈单元反馈给单片机，实现闭环控制；
[0006] 语音模块是以LD3320芯片为核心的
硬件单元实现
语音识别功能。LD3320的数据线、地址线采用并行方式直接与ARM微处理器相接，均采用1k欧上拉
电阻，A0用于判断是数据段还是地址段；
控制信号RDB、WRB、CSB，复位信号RSTB以及中断返回信号INTB与ARM微处理器相接，采用10k欧姆上拉电阻，辅助系统稳定工作；
[0007] ARM微处理器选用ST公司的基于ARM Cortex-M3
内核的32位处理器STM32F104ZET6芯片作为
主控制器芯片。采用嵌入式操作系统uC/OS-Ⅱ来实现统一的任务调度和
外围设备管理；
[0008] 复杂可编程逻辑单元选用EPM3256ATI144系列CPLD芯片作为地址译码和数据传输。CPLD芯片采用四线制与单片机连接，其中两根线用于地址选择标志位和单片机使能信号，另外两根线作为串口的接收和发送，用于传输数据。CPLD芯片采用广播式控制，保证多个电机运动的一致性，可控制二十轴电机联动；
[0009] 信号反馈单元是由
绝对式编码器和
重力加速度传感器组成，将步进电机(8)的转速及步进电机所在平面的倾斜
角度反馈给单片机，单片机处理编码器反馈的数据，实时控制电机的转速并对电机的角度进行补偿，同时将重力加速度传感器反馈的数据传送给ARM微处理器，由ARM微处理器根据D-H坐标运算，对仿人机器人行走中的每一个关节进行正运动分析和逆运动分析，并将仿人机器人行走时
位姿中存在的危险点建立一个库，以满足最大稳定裕度的情况为前提，调节稳定裕度最小的一个关节的电机，使仿人机器人行走更加稳定。
[0010] 本实用新型的优点和效果在于外围
电路简单、成本低、能够通过人性化的
人机交互实现对多轴步进电机的速度和
定位控制。本实用新型利用语音模块，对语音命令进行采集，也可以使用触摸屏手动输入命令，利用鼠标和键盘接口，外接鼠标和键盘，辅助命令输入，使用简单方便。控
制芯片采用uC/OS-Ⅱ实时操作系统对控制系统的各个模块进行调度，并利用uC/GUI所提供的丰富的控件功能，提供了简洁、友好的人机交互界面，能够显示仿人机器人每个关节电机的运行状态。
[0011] 本实用新型的其它优点和效果将在下面继续说明。
附图说明
[0012] 图1是本实用新型控制器的结构原理方框示意图；
[0013] 图2是ARM与CPLD通信I/O分配图；
[0014] 图3是本实用新型的具体电路原理图；
[0015] 图4是本实用新型的语音采集模块；
[0016] 图5是本实用新型的单片机(6)外围电路；
[0017] 图6是本实用新型的电机驱动电路；
[0018] 图7是本实用新型控制器的电源电路；
具体实施方式
[0019] 1.ARM微处理器是一种基于精解指令集计算机(RISC)原理而设计的高端
微控制器，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多，这样的简化实现了高的指令吞吐量、出色的中断响应、高性价比的处理器宏单元，既可以运行操作系统，又可以做实时控制使用，与DSP相比，DSP主要是用来计算的数据信号，比如进行加密解密、调制解调等，DSP主要的优势是强大的
数据处理能力和较高的运行速度，而ARM微处理器具有比较强的事务管理功能，可以用于运行应用程序等，其优势主要体现在控制方面，更加适合于工业控制、电机驱动等，另外，ARM微处理器架构是面向低预算市场设计的，成本要比DSP低得多。
[0020] 2.CPLD复杂
可编程逻辑器件用于指令编译并寻址，主要功能是为ARM微处理器节省接口，减少ARM微处理器发送指令时占用的时间，为ARM微处理器运算位姿
算法，节省时间，使系统响应速度快，控制更加精准。
[0021] 3.如图1所示：语音模块、触摸屏、键盘鼠标分别接ARM微处理器的语音模块接口、触摸屏接口、鼠标键盘接口，ARM微处理器是采用STM32F104系列芯片，其主频高达72MHz，内置高速
存储器(512KB的闪存和64KB的SRAM)，具有1.25Mips/MHz的指令执行速度，为复杂算法的加载提供了硬件
基础，它具有112个通用输入输出口，本实用新型正是利用了其中的38个GPIO与外围部件并行传输数据。
[0022] 4.如图2所示：ARM微处理器与CPLD通过22个接口连接即可，其中两个是串口线，剩余的二十根是C8051地址的标志位，CPLD芯片通过4个接口与C8051直接相连，其中两个是RX、TX串口线，其余两个是CE、CS是C8051的使能信号和片选标志位，CPLD可以控制二十个自由度联动，每个自由度占用4个接口，二十个自由度共占用CPLD芯片80个I/O口，CPLD芯片与ARM通讯占用22个I/O口，CPLD芯片共消耗了102个I/O口，所以本实用新型的芯片是选择CPLD芯片的EPM3256ATI144系列芯片。
[0023] 5.如图3所示：P1单元件是标准10针的JTAG下载接口，其中引脚1是测试时钟输入TCK，与微处理芯片的PA14引脚相连，引脚3是测试数据输出TDO，与微处理芯片的PB3引脚相连，引脚4是参考
电压输入，与芯片工作电压3.3V相同，引脚5是测试模式选择TMS，与微处理芯片的PA13引脚相连，引脚6是测试复位nRST，与微处理芯片的nRST引脚相连，引脚9是测试数据输入TDI，与微处理芯片的PA15引脚相连，引脚10是GND。
[0024] 6.语音模块采用LD3320芯片为核心的硬件单元实现语音识别功能。
[0025] 7.如图4所示：LD3320的数据线、地址线(P0～P7)采用并行方式直接与STM32F104ZET6芯片GPIO(PB0～PB9)相接，均采用1k欧上拉电阻，其中PB3接口与标准的10针JTAG测试输出引脚TDO连接，PB4与JTAG测试复位引脚连接，A0用于判断是数据段还是地址段；控制信号RDB、WRB、CSB，复位信号RSTB、中断返回信号INTB以及
时钟信号CLK分别与STM32F104ZET6芯片GPIO(PD0～PD5)相接，采用10k欧姆上拉电阻，辅助系统稳定工作。
[0026] 8.触摸屏选择台达A系列HMI DOP，触摸屏接口与ARM微处理器的GPIO(PA9、PA10)串口相连，通过对触摸屏程序的编写，可以实现人机接口界面上直接更改电机的参数，如转动的角度、启动和停止时的加减速度，在显示界面上，建立19个自由度的
连杆机构，每个自由度代表一个关节的电机，当电机在转动时，显示界面上也可以看到运动的状态。
[0027] 9.步进电机驱动电路是由C8051F410系列单片机和THB6064H驱动
芯片组成。
[0028] 10如图5所示，J4单元是四线接口，用于单片机程序下载，单片机I/O(P0.4～P0.7)端口与CPLD芯片相连，用于传输指令，单片机使能信号CE与单片机的P0.7相连，单片机片选信号CS与单片机的P0.6相连，单片机串口接收端RX与单片机的P0.5相连，单片机串口发送端TX与单片机的P0.4相连，C8051F410单片机的ADC子系统集成了一个27通道的模拟多路选择器(AMUX0)和一个200ksps的12位
逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了
跟踪保持电路、可编程窗口检测器和硬件累加器，片内Silion Labs二线(C2)开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在线系统调试，本实用新型采用C2进行下载调试单片机程序，P0.3、P0.2、P0.1分别与驱动芯片的M1、M2、M3连接，P0.0控制驱动参考电压Vref，P1.7、P1.6、P1.5分别与驱动芯片的Enable、CW/CCW、CLK连接，P1.2、P1.3、P1.4是反馈信号接口，可以输入加速度传感器反馈信号和编码器反馈信号。
[0029] 11.选择THB6064H作为步进电机的驱动芯片，驱动芯片的外围电路。
[0030] 12.如图6所示，THB6064H芯片共有7个控制引脚，4个输出引脚，M1、M2、M3引脚是细分数选择端，Vref是参考电压输入端，当Vref为高电位时，使NPN型
三极管Q2导通，电阻R5经Q2接地，此时，PNP型三极管Q1导通，Q1管的集
电极和发射极将电阻R2、
二极管D2
短路，使Vref的电压升高，Vref≈(5-1)/(4.7+1)V,当Vref为低电位时，使NPN型三极管Q2截止，电阻R5变为高电位，此时，PNP型三极管Q1截止，电阻R2、二极管D2参与分压电路，使Vref的电位降低，Vref≈(5-0.7)/(10+4.7+1)V，通过调节Vref引脚的高低电位，可以实现驱动芯片输出管脚的
电流值，从而使步进电机转动时的电流大，停止时步进电机也用一定的抱闸电流，驱动芯片的输出引脚OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B分别与两相混合式步进电机的四根线连接，Enable是驱动芯片的使能端，当Enable＝0时，驱动芯片的所有输出为零，当Enable＝1时，驱动芯片正常工作，CW/CCW为步进电机转动方向控制端，CW/CCW为低电平时，电机正转，CW/CCW为高电平时，电机反转，CLK为脉冲输入端，通过调节输入脉冲的占空比，可以调节步进电机的转速，CLK为-0.2～VDD的方波，脉冲
频率最高为200KHz，脉冲宽度最小为2.3us。
