基于DSP和CPLD的开放式机器人控制器

一、引言

机器人诞生以来,特别是工业机器人所采用的控制系统基本上是设计者基于自己的独立结构而开发的,它采用了专用的计算机、专用的机器人语言、专用的操作系统、专用的微处理器。这种专用的系统很难集成外部硬件和软件,对这种封闭的系统进行改造,基本上是不可能的。随着科学技术的不断发展,现代化工业生产和机器人研究对机器人控制器开放性的要求越来越迫切。制造业要求工业机器人具有更大的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种小批量的生产。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平,要求机器人控制器具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。

在此,本文设计了一种基于DSP和CPLD的开放式机器人控制器。该控制器采用两级控制结构。以通用IBM-PC作为上位机,完成坐标变换、轨迹生成等；以TI公司的TMS320LF2407数字信号处理器(DSP)和AItera公司的EPM7128SLC84-15复杂编程逻辑器件(CPLD)为核心,构造了机器人的关节伺服控制系统,作为机器人控制器的下位机。该控制器充分应用了DSP运算的高速性和CPLD的高集成度,提高了系统的实时性和稳定性。

二、控制器硬件的设计

控制器的硬件结构控制器采用模块化的设计结构,整个系统以IBM-PC为硬件平台。IBM-PC作为上位计算机,完成运动学求解、轨迹规划等功能,用一块DSP运动控制卡对机器人的4关节进行插补计算和伺服控制,采用PCI标准总线进行上、下位机的通讯,实现双速率运行。控制箱面板提供了各关节工作状态显示及伺服报警提示,还可以对任一关节进行手动控制。

系统的通讯在传统的机器人控制器中,大多采用RS232和RS485进行通讯,速度慢,误码率高,不能满足机器人系统的高速性和稳定性。在此,本文采用了PCI总线进行通讯。PCI总线的主要优点是性能高(数据传输率可达到132/264Mbps),总线通用性强,成本低,使用方便灵活。

系统通讯采用PLX9054接口芯片,结合双口RAM,实现了DSP和PCI总线间的双向高速实时数据交换。PCI总线与双口RAM的数据交换,采用了定时传送加握手信号的方式进行。具体实现如下。

上位机每隔一个固定的时间T下传一组数据,数据传送完成后,发出一个发送完信号,下位机接受到这个数据后,立即从双口RAM中读取数据。下位机上传数据也采用同样的处理方式。这种方式特别适合于机器人控制系统的通讯。

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