【技術文章】多功能智能移動平台電控系統研究

摘要：人工智慧（AI）作為當前研究的一個熱點，作為機器人的「腳」，多功能智能移動平台被提出了新的要求，不但需要實現高靈活性的移動能力和良好的越障能力，而且要求台配置有多種感測器，配合機器人的「大腦」可以實現自動避障越障、自主進行路徑規劃、地圖構建等功能。本文對多功能智能移動平台電控系統的性能需求、系統組成、詳細設計等進行了探討，基於高可靠處理器S698-T晶元進行設計，提出了良好的解決方案。

關鍵詞：人工智慧（AI）；S698-T；智能移動平台；機器人

The research of multi-functional intelligent mobile platform electronic control system

Wenyue Dong,Guowei Lin,Wenhai Liang

(ZhuHai Orbita Control Engineering Inc. Guangdong, Zhuhai, 519080)

Abstract: Artificial intelligence (AI) as a hotspot in the research of the current. As the robot's "feet", multi-functional intelligent mobile platform was put forward the new requirements, Not only to achieve the high flexibility of mobile ability and good capability of obstacle, but also demand of various sensors. To realize automatic obstacle avoidance obstacle, autonomous for route planning, map building by the robot's control system. The multifunctional intelligent mobile platform performance requirements of the electric control system, system composition, and detailed design are discussed in this paper. The design based on the high reliability chip "S698-T" to put forward a good solution.

Key words: Artificial intelligence (AI), S698-T, Intelligent mobile platform, robot

1 引言

近年來人工智慧（AI）已成為國際上技術創新研究的一個熱點，各種工業機器人、服務機器人等機器人產品的應用日益廣泛，而作為機器人的「腳」，機器人移動平台也要具備豐富的功能和高度的智能化，不但需要實現高靈活性的移動能力和良好的越障能力，而且要求台配置有多種感測器，配合機器人的「大腦」可以實現自動避障越障、自主進行路徑規劃、地圖構建等功能。

多功能智能移動平台電控系統作為機器人移動平台的「神經中樞」，是實現機器人移動平台智能化設計的關鍵設計。本文分析多功能智能移動平台的功能性能需求，基於高可靠嵌入式處理器S698-T晶元，提出一個多功能智能移動平台電控系統的設計方案，為各種機器人移動平台的設計提供一個良好的解決方案。

2 系統需求

根據機器人移動平台功能、性能要求，電控系統擬採用PC+嵌入式系統架構，由上位機系統和下位機系統兩個部分組成，上位機採用PC+感測器實現，下位機基於高可靠嵌入式SPARC架構處理器S698-T設計，上位機與下位機之間採用RS422匯流排進行數據/命令交互，預留CAN2.0匯流排通訊介面。

2.1 上位機性能需求

上位機作為多功能智能移動平台的「大腦」，主要實現多功能智能移動平台的視覺功能、地圖構建以及導航等功能。

上位機要求採用Intel -X86 i5以上CPU的工業級嵌入式主板實現，並基於嵌入式主板的USB、PCIe、乙太網、RS422以及SIM卡介面等外圍介面，集成二維/三維激光(室內/外)感測器、相機(預留)、CAN匯流排通訊模塊等外圍模塊

2.2 下位機性能需求

下位機作為多功能智能移動平台的指令執行控制以及部分感測器的輸入採集處理平台，主要實現電機驅動控制功能以及紅外測距、超聲波測距等感測器輸入參數採集處理功能，並通過RS422匯流排（備用CAN匯流排）與上位機建立通訊，具體需求如下：

1、主處理器：S698-T，主頻100MHZ；

2、協處理器：FPGA；

3、板載內存：SRAM：1Mbit，FLASH：1Mbit；

4、提供7路紅外測距感測器信號採集介面，介面為12bit的A/D採集輸入，輸入為最大3.3V模擬信號；

5、提供6路超聲波測距感測器的輸入介面，要求為信號電平為TTL3.3V的RS232介面，波特率可配置（4800bps ～ 115200bps）；

6、提供1路GPS模塊的輸入介面，要求為信號電平為TTL3.3V的RS232介面，波特率可配置（4800bps ～ 115200bps）；

7、提供3路慣導單元IMU的輸入介面，介面要求為I2C介面，預留SPI介面；

8、提供6路PWM信號輸出、18路IO信號輸出（6路方向控制、6路使能控制、6路電機剎車信號）用於控制電機驅動，要求信號光耦隔離5V輸出；

9、提供6路IO信號採集，用於霍爾反饋PWM捕獲，輸入信號為脈衝信號，最大頻率為5KHz；

10、提供2路CAN2.0匯流排介面以及2路RS422匯流排介面，用於與上位機通訊；

11、提供對上位機進行電源上下電控制功能；

12、提供1路A/D用於電源電壓採集，1路A/D用於溫度採集；

13、具備溫度採集功能，提供1路預留RS232介面；

14、工作溫度：-40℃～+60℃；

3 系統組成

圖1 系統框圖

如圖1所示，電控系統主要由上位機和下位機模塊兩部分組成，其中上位機包含以下組成部分：

1、嵌入式主板：1個；

2、CAN匯流排模塊：1個；

3、二維/三維激光(室內/外)感測器：1個；

4、相機(預留)：1個；

下位機包含以下組成部分：

1、基於S698-T+FPGA控制器模塊：1個；

2、紅外測距感測器：7個；

3、超聲波測距感測器：6個；

4、GPS模塊：1個；

5、慣導單元IMU：3個；

6、電機及驅動模塊：6組；

4 系統設計

本電控系統的上位機主要涉及到硬體選型以及軟體開發，本文暫不對其設計展開詳述，主要對下位機的設計方案進行詳述。

下位機主要由主控制器模塊以及電機驅動、超聲波感測器、紅外感測器、慣導模塊等周邊相關外設組成，其中主控制器模塊基於S698-T設計，具體方案如下：

圖2 基於S698-T+FPGA的控制器模塊系統框圖

如圖2所示，下位機主控制器模塊採用S698-T+FPGA的架構，S698-T作為主處理器，其外圍設計SRAM、FLASH、硬體看門狗複位、時鐘等模塊，構成一個S698-T的最小系統，再根據外圍介面需要，使用S698-T片內的4路RS232匯流排介面以及2路CAN匯流排介面，實現2路RS232介面、2路RS422介面以及2路CAN匯流排介面。

控制器模塊採用FPGA作為協處理器，並通過并行匯流排將FPGA掛接在S698-T的IO空間上，實現與S698-T的協同處理。FPGA根據系統功能需要，片內設計了兩個ADC控制器、6路串列匯流排控制器、6路PWM輸出控制器、32路IO控制器、IIC/SPI介面控制器以及并行介面控制器等功能模塊，同時外接相關驅動電路實現系統的介面需求。

控制器模塊採用12V DC供電，板上設計有DC-DC電源模塊，實現12VDC到+1.2VDC、+2.5VDC、+3.3VDC、+5VDC的轉換，供板上相關器件使用。

4.1 主處理器設計

控制器模塊的主處理器設計主要是S698-T最小系統+外圍介面驅動電路的設計，S698-T最小系統主要包括S698-T、SRAM、FLASH、硬體看門狗複位電路、時鐘電路以及調試用的DSU介面電路。

高可靠處理器S698-T簡介：

1、採用哈弗體系結構（Harvard architecture）；

2、具備整型單元（IU：Integer Unit）：

• 32位RISC，採用SPARC V8（IEEE-1754）指令集；

• 5級指令流水（預取、解碼、執行、存儲、回寫）；

• 具有硬體乘法器和硬體除法器；

• 支持MAC和UMAC等DSP指令；

3、浮點處理單元（FPU：Floating Point Unit）

• 遵循IEEE-754標準；

• 支持單/雙精度；

4、具有彼此分離的大容量指令Cache 32K Bytes和數據Cache 16K Bytes；

5、片內匯流排遵循AMBA2.0標準，採用AHB匯流排聯接片內高速設備，採用APB匯流排聯接片內低速設備；

6、在線硬體調試支持單元（DSU：Debug Support Unit）：

• 無需外置模擬器的支持即可實現硬體在線直接調試；

• 可實現對內部資源（如寄存器、用戶可用RAM等）的操作；

• 可實現程序斷點設置；

7、集成存儲器控制器（MCTRL：Memory Controller）：

• 支持外部SRAM、SDRAM、ROM 以及MAP I/O等類型的存儲器；

• SRAM、ROM及MAP I/O的數據匯流排寬度可通過軟體配置成32/16/8 位三種模式；

• SRAM、ROM及MAP I/O的存取時間參數可配置；

• 支持5個SRAM Bank、2個SDRAM Bank、2個ROM Bank、1個IO Bank；

• 定址空間2048M Bytes；

• ROM定址空間：512M Bytes；

• MAP I/O定址空間：512M Bytes；

• SRAM/SDRAM定址空間：1024M Bytes；

8、集成1553B 、ARINC429、CAN、串口等數據匯流排控制器；

9、集成多功能IO介面（MFIO）：

• 集成16路獨立的多功能IO介面；

• 各路的輸入或輸入方向可以獨立配置；

• 各路均可以輸出周期、占空比、電平極性、脈衝數目等參數可調的PWM信號；

• 各路均具有輸入脈衝計數功能；

10、集成定時器、看門狗、ADC、DAC等模塊；

11、生產工藝：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：不高於1.5W@200MHz；

15、電源電壓

• 3.3V±0.3V（IO）；

• 1.2V±0.1V（CORE）；

16、工作環境溫度

• 工業級-40℃～+85℃（塑封PBGA352）；

• 軍品級-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) 看門狗：TPS3813K33MDBVREP；

5) 時鐘：有源晶振，10MHz；

6) DSU介面/RS232匯流排介面驅動晶元：MAX3232ESE；

7) CAN匯流排驅動晶元：TJA1042t；

8) RS422匯流排驅動晶元：MAX488ESA；

9) 上位機電源控制開關：選用歐姆龍繼電器G6k-2F；

4.2 協處理器設計

控制器模塊的主處理器設計主要是FPGA最小系統+外圍介面驅動電路的設計，FPGA設計包括硬體設計以及FPGA邏輯設計，對於FPGA邏輯設計本文只提出設計需求，具體如下：

1) 具備2個ADC控制器功能，ADC採用ADS8555；

2) 具備6路串口控制器功能，波特率可設置，收發緩存不小於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，輸入可識別脈衝頻率不小於5KHz；

5) 具備8路IIC和SPI介面控制器功能；

6) 具備與S698-T進行交互的并行介面功能；

7) 時鐘資源：時鐘可採用S698-T的時鐘輸出作為FPGA時鐘輸入，同時FPGA外接33MHz晶振；

控制器模塊的協處理器的主要元器件選型如下：

1) FPGA：選用Altera FPGA；

2) 時鐘：有源晶振，33MHz；

3) ADC：選用ADS8555；

4) 光耦隔離：HCPL-2630；

5) RS232匯流排介面驅動晶元：MAX3232ESE；

4.3電源供電設計

控制器模塊採用+12VDC供電，模塊內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模塊晶元進行設計，具體選型如下：

1) 12V轉5V：LM2596T_5.0；

2) 5V轉3.3V：LT1963AMP-3.3V；

3) 5V轉2.5V：LT1963AMP-2.5V；

4) 5V轉1.2V：NCP565D2T12；

4.4 軟體設計

基於高可靠處理S698-T進行多功能智能移動平台電控系統的設計，涉及到S698-T的控制軟體設計，在此我們引入了嵌入式實時多任務操作系統（EOS）--RTEMS，利用珠海歐比特控制工程股份有限公司開發的基於此操作系統的Orbita EOS嵌入式操作系統及其Orbita EOS 開發工具，可大大提高軟體編程效率和可靠性，具體可參考（Orion4.0用戶手冊，www.myorbita.net）。

7 結束語

在當今人工智慧的熱潮下，多功能智能移動平台的應用也日益廣泛，各種應用場景對其電控系統提出了多種多樣的要求，本文針對市面廣泛的需求，提出一種基於S698-T的多功能智能移動平台電控系統的設計方案，可兼容市面的各種需求，為後續多功能智能移動平台的設計提供一種有效的參考。

參考文獻：

[1] 珠海歐比特控制工程股份有限公司．S698-T用戶手冊. www.myorbita.net, 2010

[2] 珠海歐比特控制工程股份有限公司．Rtems嵌入式操作系統用戶手冊. www.myorbita.net 2004