I²C總線通信技術(shù)在球形機(jī)器人雙DSP控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

侍 磊 韓寶玲 羅慶生

當(dāng)前，機(jī)器視覺技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)正日益成為新一代智能機(jī)器人系統(tǒng)的熱門技術(shù)，在反恐防爆與抗險(xiǎn)救災(zāi)、星際探測(cè)、地質(zhì)勘察等領(lǐng)域，機(jī)器視覺技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)都已得到大量應(yīng)用。然而，在很多情況下，這兩種技術(shù)的無縫聯(lián)結(jié)和有機(jī)融合卻并不理想，以至直接影響到它們的使用效果。筆者通過研究和探索發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建得合理與否是影響上述技術(shù)協(xié)調(diào)工作的重要原因之一。

對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)來說，選用單一的核心芯片將難以讓其在機(jī)器視覺和運(yùn)動(dòng)控制兩方面都具有優(yōu)良的表現(xiàn)，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人綜合效能得不到充分發(fā)揮。眾多的集成芯片生產(chǎn)廠家意識(shí)到圖像處理和運(yùn)動(dòng)控制將會(huì)是未來半導(dǎo)體芯片的兩大重要應(yīng)用領(lǐng)域，都紛紛推出了基于上述兩種應(yīng)用的芯片。

筆者經(jīng)過系統(tǒng)研究認(rèn)識(shí)到，利用TI公司的C6000+C2000系列芯片搭建的機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)方案可在機(jī)器視覺和運(yùn)動(dòng)控制之間找到了一個(gè)很好的結(jié)合點(diǎn)和平衡點(diǎn)，能較好地起到功能互補(bǔ)的效果。但應(yīng)當(dāng)看到，C6000和C2000雖同屬TI公司的產(chǎn)品線，而兩者的體系架構(gòu)是不同的，在選擇雙DsP建立系統(tǒng)時(shí)，如何處理它們之間的信號(hào)交互和協(xié)調(diào)工作是必須解決的首要問題。新型雙DsP架構(gòu)的信息交互機(jī)制的研究無論在學(xué)術(shù)上，還是在應(yīng)用上都具有重大意義。

球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

筆者所在科研團(tuán)隊(duì)新近研制了一種新型球形機(jī)器人，該機(jī)器人能自動(dòng)掃描和跟蹤目標(biāo)，并可根據(jù)圖像傳感器采集到的數(shù)據(jù)自主對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和判斷，屬于典型的機(jī)器視覺和運(yùn)動(dòng)控制相互協(xié)調(diào)、并行工作的系統(tǒng)。在搭建該球形機(jī)器人控制系統(tǒng)時(shí)，筆者采用了DSP C6000+C2000的雙核架構(gòu)。其中，C6000芯片主要用來對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)圖像信息進(jìn)行分析和處理，完成目標(biāo)識(shí)別和判斷，并輸出處理結(jié)果：C2000芯片主要用來接收C6000芯片的處理結(jié)果，并完成相應(yīng)的任務(wù)管理，如視覺系統(tǒng)云臺(tái)的掃描運(yùn)動(dòng)、防御功能的實(shí)現(xiàn)等等。該機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在C6000芯片的選型上，選擇了TMS320DM6437(以下簡(jiǎn)稱DM6437)芯片，它是目前TI公司的TMS320C6000系列中性能較好的定點(diǎn)DSP之一。在C2000芯片的選擇上，選擇了TMS320F28015(以下簡(jiǎn)稱F28015)芯片，它是TI公司推出的低成本，低功耗，基于TMS320C28x內(nèi)核的定點(diǎn)控制器芯片。

DSP C6000+C2000的組合架構(gòu)形式，既解決了C6000控制能力稍顯不足的問題，又克服了C2000圖像處理功能薄弱的缺點(diǎn)?？梢宰畲蟪潭鹊貪M足球形機(jī)器人控制系統(tǒng)在綜合性能上的需求。但是，引入了強(qiáng)大的雙DSP系統(tǒng)后，隨之而來的便是兩者之間的通信問題，若處理不好，反而會(huì)適得其反。因此，雙DSP芯片間的通信接口的設(shè)計(jì)是保證整體機(jī)器人控制系統(tǒng)能完成高效協(xié)調(diào)工作的關(guān)鍵所在。

球形機(jī)器人控制系統(tǒng)雙處理器通信接口方案的選擇

筆者在研究過程中曾仔細(xì)分析過雙DSP架構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)C6000與C2000硬連接的接口方式可以多種多樣，如串口(UART)連接、USB連接、以太網(wǎng)(Ethernet)連接、HPI并行連接、12C總線連接等。這些方式各有優(yōu)缺點(diǎn)和各自的適應(yīng)場(chǎng)合，須考慮自身功能和外部環(huán)境的需求來合理選擇。表1給出了上述幾種信號(hào)傳輸接口的各自性能比較。

從表1中可以看出，I²C為片內(nèi)總線接口，其接口連接簡(jiǎn)單可靠，非常適合于短距離高效通信。注意到DM6437和F28015片上都擁有I²C模塊，且將雙DSP做在同一塊PCB板上可以大大減小控制板卡的尺寸，降低電磁干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。采用這樣的硬件設(shè)計(jì)思路后，片內(nèi)總線就應(yīng)該成為首選的通信方式了。而I²C通信是一種很簡(jiǎn)捷高效的片內(nèi)總線，其不占用芯片額外資源，除了通信可靠性高外，該接口的硬件設(shè)計(jì)難度也較小，因此，新型球形機(jī)器人控制系統(tǒng)最終確定I²C接口為雙DSP的通信接口方式。

球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)

I²C總線介紹

12C總線(Inter IC Bus)是一種用于Ic器件之間連接的二進(jìn)制總線。它通過SDA(串行數(shù)據(jù)線)及SCI(并行時(shí)鐘線)兩根線，在連到總線上的器件之間傳送數(shù)據(jù)。它根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)支持I²C接口的器件。

I²C總線的基本結(jié)構(gòu)

采用I²C總線標(biāo)準(zhǔn)的I²C器件。其內(nèi)部不僅有I²C接口電路，而且實(shí)現(xiàn)了將內(nèi)部各單元按功能劃分為若干相對(duì)應(yīng)獨(dú)立的模塊，通過軟件尋址實(shí)現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接。CPU不僅能通過指令將某個(gè)功能單元掛靠和摘離總線，還可對(duì)單元的工作狀況進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)單和靈活的擴(kuò)展和控制。I²C接口電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

I²C總線上的時(shí)鐘信號(hào)

在I²C總線上傳送信息時(shí)的時(shí)鐘同步信號(hào)是由掛接在SCL時(shí)鐘線上的所有器件的連接“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個(gè)器件的時(shí)鐘信號(hào)下跳為低電平。將使SCL線上一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電平期。此時(shí)，低電平周期短的器件的時(shí)鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀態(tài)，于是這些器件將進(jìn)入高電平等待的狀態(tài)。

當(dāng)所有器件的時(shí)鐘信號(hào)都上跳為高電平時(shí)，低電平期結(jié)束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時(shí)開始它們的高電平期。其后，第一個(gè)結(jié)束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在sCL線上產(chǎn)生一個(gè)同步時(shí)鐘?？梢?，時(shí)鐘低電平時(shí)間由時(shí)鐘低電平期到最長(zhǎng)的器件確定，而時(shí)鐘高電平期由時(shí)鐘高電平期最短的器件確定。

I²C總線上的數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳送過程中，必須確認(rèn)數(shù)據(jù)傳送的開始和結(jié)束。在I²C總線技術(shù)規(guī)范中，開始和結(jié)束信號(hào)(也稱啟動(dòng)和停止信號(hào))的定義如圖3所示。

當(dāng)時(shí)鐘線SCL為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖蕉x為“開始”信號(hào)：當(dāng)SCL線為高電平時(shí)，SDA線發(fā)生低電平到高電平的跳變?yōu)椤敖Y(jié)束”信號(hào)。開始和結(jié)束信號(hào)都是由主器件產(chǎn)生。在開始信號(hào)以后，總線即被認(rèn)為處于忙狀態(tài)：在結(jié)束信號(hào)以后的一段時(shí)間內(nèi)，總線被認(rèn)為是空閑的。

I²C總線的數(shù)據(jù)傳送格式是：在I²C總線開始信號(hào)后，送出的第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)是用來選擇從器件地址的，其中前7位是地址碼，第8位是方向位(R／W)。方向位“0”表示發(fā)送，即主器件把信息寫到所選擇的從器件；方向位為“1”表示主器件將從從器件讀信息。開始信號(hào)后，系統(tǒng)中的各個(gè)器件將自己的地址和主器件送到總線上的地址進(jìn)行比較，如果與主器件發(fā)送到總線上的地址一致，則該器件即為主器件尋址的器件，其接收信息還是發(fā)送信息則由第8位(R／w)確定。

I²C接口的硬件設(shè)計(jì)

由于DM6437和F28015都支持I²C接口，這使得I²C接口的硬件設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單，只需將各自的信號(hào)線和時(shí)鐘線對(duì)應(yīng)相連即可。雙DSP的I²C總線接口硬件連接圖如圖4所示。

各引腳連接說明如下：

①DM6437的M3和M2引腳分別對(duì)應(yīng)I²C DATA和I²C CLK,而F28015的GPl032和GPI033可以分別復(fù)用為I²C DATA和I²C CLK。考慮到阻抗不匹配等因素會(huì)影響總線數(shù)據(jù)傳輸效果，因此還應(yīng)該在I²C DATA和I²CCLK的直連線路上各串聯(lián)一個(gè)小電阻(R107和R108)。

②由3.1.1節(jié)的I²C總線結(jié)構(gòu)介紹可知，I²C DATASNI²c CLK是雙向電路，必須都通過一個(gè)電流源或上拉電阻連接到正的電源電壓。由于DSP的輸出CMOS電平為3.3V，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)將I²C DATA和I²C CLK總線通過上拉電R59和R60連接到了3.3V的Vcc電源上。

I²C總線通信的軟件設(shè)計(jì)

雙DSP系統(tǒng)通信思路

雙機(jī)通信軟件的設(shè)計(jì)問題涉及到DsP C6000(DM6437)和DsPC2000(F28015)兩部分的軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)雙DSP系統(tǒng)的初期設(shè)想是，用DM6437來接收?qǐng)D像信息并進(jìn)行處理，將最終得到的處理結(jié)果傳送給F28015，F(xiàn)28015根據(jù)得到的處理結(jié)果來執(zhí)行相應(yīng)的電機(jī)控制及其他子任務(wù)。可以看到，在這個(gè)通信過程中，DM6437是主機(jī)，負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，而F28015是從機(jī)，負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)控制命令。但是應(yīng)注意到，在I²C總線通信中，主從機(jī)的地位并不是一直不變，可以根據(jù)需要隨時(shí)重新設(shè)定主機(jī)和從機(jī)。由于嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)界面一般不大友好，想要觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往需要打印數(shù)據(jù)或者通過LED等指示裝置來體現(xiàn)。在本文中，考慮到DM6437芯片極其對(duì)應(yīng)的軟件開發(fā)系統(tǒng)CCS V3.3支持在線打印功能，因此，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。便于觀察，雙DsP的I²C通信可以這樣考慮：先讓DM6437發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)到I²C總線上，并打印這個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。然后在F28015這一端接收數(shù)據(jù)，如果接收到DM6437傳來的數(shù)據(jù)，就將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的變換(例如乘以一個(gè)倍數(shù))，然后再通過I²C總線將變換后的數(shù)據(jù)發(fā)送給DM6437。DM6437接收返回的數(shù)據(jù)并打印返回?cái)?shù)據(jù)的相關(guān)信息。通過觀察打印信息，就可以很清楚地了解到I²C通信的實(shí)時(shí)效果。

DM6437的IZC通信軟件

根據(jù)所介紹的基本思路，可以設(shè)計(jì)出DM6437的I²C通信軟件的流程圖(圖5)。

F28015的I²C通信軟件

根據(jù)所介紹的基本思路，可以設(shè)計(jì)出F28015的I²C通信軟件的流程圖(圖6)。

結(jié)論

文中提出的TMS320DM6437+TMS320F28015的軟硬件設(shè)計(jì)方案在新型球形機(jī)器人控制系統(tǒng)中得到初步應(yīng)用，驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明接口數(shù)據(jù)讀寫高效可靠。本設(shè)計(jì)對(duì)以后其他雙核控制系統(tǒng)接口的設(shè)計(jì)與研究工作具有很好的參考價(jià)值。