人工智能(AI)作为当前研究的一个热点,作为机器人的“脚”,多功能智能移动平台被提出了新的要求,不但需要实现高灵活性的移动能力和良好的越障能力,而且要求台配置有多种传感器,配合机器人的“大脑”可以实现自动避障越障、自主进行路径规划、地图构建等功能。本文对多功能智能移动平台电控系统的性能需求、系统组成、详细设计等进行了探讨,基于高可靠处理器 S698-T 芯片进行设计,提出了良好的解决方案。

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
近年来人工智能(AI)已成为国际上技术创新研究的一个热点,各种工业机器人、服务机器人等机器人产品的应用日益广泛,而作为机器人的“脚”,机器人移动平台也要具备丰富的功能和高度的智能化,不但需要实现高灵活性的移动能力和良好的越障能力,而且要求台配置有多种传感器,配合机器人的“大脑”可以实现自动避障越障、自主进行路径规划、地图构建等功能。

多功能智能移动平台电控系统作为机器人移动平台的“神经中枢”,是实现机器人移动平台智能化设计的关键设计。本文分析多功能智能移动平台的功能性能需求,基于高可靠嵌入式处理器 S698-T 芯片,提出一个多功能智能移动平台电控系统的设计方案,为各种机器人移动平台的设计提供一个良好的解决方案。

2      系统需求
根据机器人移动平台功能、性能要求,电控系统拟采用 PC+嵌入式系统架构,由上位机系统和下位机系统两个部分组成,上位机采用 PC+传感器实现,下位机基于高可靠嵌入式 SPARC 架构处理器 S698-T 设计,上位机与下位机之间采用 RS422 总线进行数据 / 命令交互,预留 CAN2.0 总线通讯接口。

2.1 上位机性能需求
上位机作为多功能智能移动平台的“大脑”,主要实现多功能智能移动平台的视觉功能、地图构建以及导航等功能。

上位机要求采用 Intel -X86 i5 以上 CPU 的工业级嵌入式主板实现,并基于嵌入式主板的 USB、PCIe、以太网、RS422 以及 SIM 卡接口等外围接口,集成二维 / 三维激光(室内 / 外)传感器、相机(预留)、CAN 总线通讯模块等外围模块

2.2 下位机性能需求
下位机作为多功能智能移动平台的指令执行控制以及部分传感器的输入采集处理平台,主要实现电机驱动控制功能以及红外测距、超声波测距等传感器输入参数采集处理功能,并通过 RS422 总线(备用 CAN 总线)与上位机建立通讯,具体需求如下:

1、主处理器:S698-T,主频 100MHZ;

2、协处理器:FPGA;

3、板载内存:SRAM:1Mbit,FLASH:1Mbit;

4、提供 7 路红外测距传感器信号采集接口,接口为 12bit 的 A/D 采集输入,输入为最大 3.3V 模拟信号;

5、提供 6 路超声波测距传感器的输入接口,要求为信号电平为 TTL3.3V 的 RS232 接口,波特率可配置(4800bps ~ 115200bps);

6、提供 1 路 GPS 模块的输入接口,要求为信号电平为 TTL3.3V 的 RS232 接口,波特率可配置(4800bps ~ 115200bps);

7、提供 3 路惯导单元 IMU 的输入接口,接口要求为 I2C 接口,预留 SPI 接口;

8、提供 6 路 PWM 信号输出、18 路 IO 信号输出(6 路方向控制、6 路使能控制、6 路电机刹车信号)用于控制电机驱动,要求信号光耦隔离 5V 输出;

9、提供 6 路 IO 信号采集,用于霍尔反馈 PWM 捕获,输入信号为脉冲信号,最大频率为 5KHz;

10、提供 2 路 CAN2.0 总线接口以及 2 路 RS422 总线接口,用于与上位机通讯;

11、提供对上位机进行电源上下电控制功能;

12、提供 1 路 A/D 用于电源电压采集,1 路 A/D 用于温度采集;

13、具备温度采集功能,提供 1 路预留 RS232 接口;

14、工作温度:-40℃~+60℃;

3      系统组成

 


图 1  系统框图


如图 1 所示,电控系统主要由上位机和下位机模块两部分组成,其中上位机包含以下组成部分:

1、嵌入式主板:1 个;

2、CAN 总线模块:1 个;

3、二维 / 三维激光(室内 / 外)传感器:1 个;

4、相机(预留):1 个;

下位机包含以下组成部分:
1、基于 S698-T+FPGA 控制器模块:1 个;

2、红外测距传感器:7 个;

3、超声波测距传感器:6 个;

4、GPS 模块:1 个;

5、惯导单元 IMU:3 个;

6、电机及驱动模块:6 组;

4      系统设计
本电控系统的上位机主要涉及到硬件选型以及软件开发,本文暂不对其设计展开详述,主要对下位机的设计方案进行详述。

下位机主要由主控制器模块以及电机驱动、超声波传感器、红外传感器、惯导模块等周边相关外设组成,其中主控制器模块基于 S698-T 设计,具体方案如下:

 


图 2  基于 S698-T+FPGA 的控制器模块系统框图


如图 2 所示,下位机主控制器模块采用 S698-T+FPGA 的架构,S698-T 作为主处理器,其外围设计 SRAM、FLASH、硬件看门狗复位、时钟等模块,构成一个 S698-T 的最小系统,再根据外围接口需要,使用 S698-T 片内的 4 路 RS232 总线接口以及 2 路 CAN 总线接口,实现 2 路 RS232 接口、2 路 RS422 接口以及 2 路 CAN 总线接口。

控制器模块采用 FPGA 作为协处理器,并通过并行总线将 FPGA 挂接在 S698-T 的 IO 空间上,实现与 S698-T 的协同处理。FPGA 根据系统功能需要,片内设计了两个 ADC 控制器、6 路串行总线控制器、6 路 PWM 输出控制器、32 路 IO 控制器、IIC/SPI 接口控制器以及并行接口控制器等功能模块,同时外接相关驱动电路实现系统的接口需求。

控制器模块采用 12V DC 供电,板上设计有 DC-DC 电源模块,实现 12VDC 到+1.2VDC、+2.5VDC、+3.3VDC、+5VDC 的转换,供板上相关器件使用。

4.1 主处理器设计
控制器模块的主处理器设计主要是 S698-T 最小系统+外围接口驱动电路的设计,S698-T 最小系统主要包括 S698-T、SRAM、FLASH、硬件看门狗复位电路、时钟电路以及调试用的 DSU 接口电路。

高可靠处理器 S698-T 简介:
1、采用哈弗体系结构(Harvard architecture);

2、具备整型单元(IU:Integer Unit):

Ø32 位 RISC,采用 SPARC V8(IEEE-1754)指令集;

Ø5 级指令流水(预取、译码、执行、存储、回写);

Ø具有硬件乘法器和硬件除法器;

Ø支持 MAC 和 UMAC 等 DSP 指令;

3、浮点处理单元(FPU:Floating Point Unit)

Ø遵循 IEEE-754 标准;

Ø支持单 / 双精度;

4、具有彼此分离的大容量指令 Cache 32K Bytes 和数据 Cache 16K Bytes;

5、片内总线遵循 AMBA2.0 标准,采用 AHB 总线联接片内高速设备,采用 APB 总线联接片内低速设备;

6、在线硬件调试支持单元(DSU:Debug Support Unit):

Ø无需外置仿真器的支持即可实现硬件在线直接调试;

Ø可实现对内部资源(如寄存器、用户可用 RAM 等)的操作;

Ø可实现程序断点设置;

7、集成存储器控制器(MCTRL:Memory Controller):

Ø支持外部 SRAM、SDRAM、ROM 以及 MAP I/O 等类型的存储器;

ØSRAM、ROM 及 MAP I/O 的数据总线宽度可通过软件配置成 32/16/8 位三种模式;

ØSRAM、ROM 及 MAP I/O 的存取时间参数可配置;

Ø支持 5 个 SRAM Bank、2 个 SDRAM Bank、2 个 ROM Bank、1 个 IO Bank;

Ø寻址空间 2048M Bytes;

ØROM 寻址空间:512M Bytes;

ØMAP I/O 寻址空间:512M Bytes;

ØSRAM/SDRAM 寻址空间:1024M Bytes;

8、集成 1553B 、ARINC429、CAN、串口等数据总线控制器;

9、集成多功能 IO 接口(MFIO):

Ø集成 16 路独立的多功能 IO 接口;

Ø各路的输入或输入方向可以独立配置;

Ø各路均可以输出周期、占空比、电平极性、脉冲数目等参数可调的 PWM 信号;

Ø各路均具有输入脉冲计数功能;

10、集成定时器、看门狗、ADC、DAC 等模块;

11、生产工艺:130nm CMOS;

12、工作频率:

Ø最高主频(IUCLK):200MHz;

Ø最高外频(SYSCLK):100MHz;

13、处理能力:

Ø180MIPS@200MHz;

Ø55MFLOPS(Double Precision)@200MHz;

14、峰值功耗:不高于 1.5W@200MHz;

15、电源电压

Ø3.3V±0.3V(IO);

Ø1.2V±0.1V(CORE);

16、工作环境温度

Ø工业级 -40℃~+85℃(塑封 PBGA352);

Ø军品级 -55℃~+125℃(陶封 CBGA352);

控制器模块的主处理器的主要元器件选型如下:
1)主控制器:S698-T,工作主频为 100MHz;

2)SRAM:IS61LV51216-10TI,容量为 512k*16bit;

3)FLASH:39VF040-90-4I-NH,容量为 512k*8bit;

4)看门狗:TPS3813K33MDBVREP;

5)时钟:有源晶振,10MHz;

6)DSU 接口 /RS232 总线接口驱动芯片:MAX3232ESE;

7)CAN 总线驱动芯片:TJA1042t;

8)RS422 总线驱动芯片:MAX488ESA;

9)上位机电源控制开关:选用欧姆龙继电器 G6k-2F;

4.2 协处理器设计
控制器模块的主处理器设计主要是 FPGA 最小系统+外围接口驱动电路的设计,FPGA 设计包括硬件设计以及 FPGA 逻辑设计,对于 FPGA 逻辑设计本文只提出设计需求,具体如下:

1)具备 2 个 ADC 控制器功能,ADC 采用 ADS8555;

2)具备 6 路串口控制器功能,波特率可设置,收发缓存不小于 32Byte;

3)具备 6 路 PWM 输出控制器功能;

4)具备 32 路 IO 输入输出功能,输入可识别脉冲频率不小于 5KHz;

5)具备 8 路 IIC 和 SPI 接口控制器功能;

6)具备与 S698-T 进行交互的并行接口功能;

7)时钟资源:时钟可采用 S698-T 的时钟输出作为 FPGA 时钟输入,同时 FPGA 外接 33MHz 晶振;

控制器模块的协处理器的主要元器件选型如下:
1)FPGA:选用 Altera FPGA;

2)时钟:有源晶振,33MHz;

3)ADC:选用 ADS8555;

4)光耦隔离:HCPL-2630;

5)RS232 总线接口驱动芯片:MAX3232ESE;

4.3 电源供电设计
控制器模块采用+12VDC 供电,模块内部需要用到的电源包括+5VDC、+3.3VDC、+2.5VDC、+1.2VDC,因此需要选用 DC-DC 模块芯片进行设计,具体选型如下:

1)12V 转 5V:LM2596T_5.0;

2)5V 转 3.3V:LT1963AMP-3.3V;

3)5V 转 2.5V:LT1963AMP-2.5V;

4)5V 转 1.2V:NCP565D2T12;

4.4 软件设计
基于高可靠处理 S698-T 进行多功能智能移动平台电控系统的设计,涉及到 S698-T 的控制软件设计,在此我们引入了嵌入式实时多任务操作系统(EOS)--RTEMS,利用珠海欧比特控制工程股份有限公司开发的基于此操作系统的 Orbita EOS 嵌入式操作系统及其 Orbita EOS 开发工具,可大大提高软件编程效率和可靠性,具体可参考(Orion4.0 用户手册,www.myorbita.net)。

7      结束语
在当今人工智能的热潮下,多功能智能移动平台的应用也日益广泛,各种应用场景对其电控系统提出了多种多样的要求,本文针对市面广泛的需求,提出一种基于 S698-T 的多功能智能移动平台电控系统的设计方案,可兼容市面的各种需求,为后续多功能智能移动平台的设计提供一种有效的参考。