基于FPGA的模塊化機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

姚 慶, 倪驍驊

（1. 江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2. 鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鹽城 224051）

0 引言

裝配機(jī)器手是用于裝配生產(chǎn)線上對(duì)零件或部件進(jìn)行裝配作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人的一種。由于裝配操作的多樣性，復(fù)雜性，單機(jī)操作的獨(dú)立性，多機(jī)操作的協(xié)同性等特點(diǎn)，除了機(jī)器手本體機(jī)械部分設(shè)計(jì)外，裝配機(jī)器手控制系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)等方面均有較高的要求[1]。為了滿足多種類型的裝配要求，并便于工人的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整操作，故要求控制系統(tǒng)能夠針對(duì)不同的裝配要求自由選擇電機(jī)、處理器和軟件模塊等，實(shí)現(xiàn)模塊化的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而縮短設(shè)計(jì)周期，改變系統(tǒng)“一種工況要求，一次重新設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)方法，滿足多種工況下的控制要求，以便真正提高產(chǎn)品的性價(jià)比。

FPGA（Field Programmable Gate Array）技術(shù)為解決上述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問題提供了相應(yīng)的技術(shù)手段。FPGA的顯著特點(diǎn)是可重復(fù)利用并且研發(fā)周期短，用戶只需要用硬件描述語言編寫系統(tǒng)功能由EDA工具轉(zhuǎn)化成為BitStream下載文件，下載到FPGA中即可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能[2]。如果要實(shí)現(xiàn)其他電路功能，只要修改源程序重新產(chǎn)生下載文件，從而達(dá)到在外圍電路不變的情況下用不同的硬件電路實(shí)現(xiàn)各異的功能。

其關(guān)鍵是在實(shí)際工作時(shí)由相關(guān)可重配置處理器對(duì)FPGA進(jìn)行再配置，構(gòu)造出相應(yīng)的硬件功能滿足模塊化的控制要求。這種可進(jìn)化硬件結(jié)構(gòu)和可重配置處理器設(shè)計(jì)高度集成整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)SOPC設(shè)計(jì)，滿足模塊化機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

XILINX是全球領(lǐng)先的FPGA供應(yīng)商。XILINX的主流FPGA分兩類，一種側(cè)重低成本應(yīng)用，容量中等，性能滿足一般設(shè)計(jì)要求的Spartan系列；另一種側(cè)重于高性能的應(yīng)用，容量大，性能滿足各類高端應(yīng)用的Virtex系列[3]。

本設(shè)計(jì)控制器核心配置XILINX Spartan3系列，型號(hào)為XC3S400的FPGA，采用PQ208表貼封裝，具有40萬等效門，已滿足控制設(shè)計(jì)要求，支持完整的XILINX platform開發(fā)，支持XILINX軟核MicroBlaze cpu，提供豐富的IP Core設(shè)計(jì)，方便應(yīng)用模塊化的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]。

1 基于FPGA模塊化機(jī)械手的控制系統(tǒng)

1.1 機(jī)械手系統(tǒng)

裝配機(jī)械手系統(tǒng)由操作機(jī)、視頻采集器、控制系統(tǒng)以及相關(guān)硬件組成。操作機(jī)就是機(jī)械手的機(jī)械本體，完成基本抓取、搬運(yùn)和放置等動(dòng)作，并要考慮多種工況和相應(yīng)的拼裝要求。視頻采集器主要由CCD和視頻解碼芯片SAA7113及相關(guān)硬件組成。

機(jī)械手的控制系統(tǒng)主要包括：中央處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、與上位機(jī)或多機(jī)的通訊接口、調(diào)試和下載接口、傳感器接口、輸入輸出的觸摸屏接口以及相關(guān)穩(wěn)壓電源等部分。

1）中央處理器：以Spartan3系列的FPGA為機(jī)械手控制系統(tǒng)核心，完成模塊化機(jī)械手的控制要求。

2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口：采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)39BYG系列，額定電壓24V，引線數(shù)4根。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為96560A V3型CNC驅(qū)動(dòng)器，其中采用的TB6560AHQ是東芝公司最新設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片。

3）上位機(jī)或多機(jī)的通訊接口：用FPGA軟核MicroBlaze實(shí)現(xiàn)控制串口通信。OPB UART Lite是EDK中為MicroBlaze提供的一個(gè)串行口控制器。

4）調(diào)試和下載接口：采用JTAG模式下載二進(jìn)制下載文件。用XILINX公司的ISE軟件掃描出FPGA相應(yīng)的下載鏈，以二進(jìn)制下載文件（后綴為.bit）下載。

5）傳感器接口：讀取夾持器上經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的壓力傳感器信息。

6）輸入輸出的觸摸屏：K-TP178觸摸屏與FPGA是通過RS232接口相連的，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和對(duì)FPGA的輸入、輸出控制。

1.2 基于FPGA的中央處理器設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手系統(tǒng)模塊化的要求，采用XILINX Spartan3系列，型號(hào)為XC3S400的FPGA，XILINX公司 Spartan3系列的結(jié)構(gòu)由5個(gè)基本的可編程功能模塊組成，分別是：可配置邏輯模塊（CLB），輸入輸出模塊（IOB），BlockRAM，乘法器模塊和數(shù)字時(shí)鐘管理器（DCM）。

處理器系統(tǒng)采用MicroBlaze處理器，是XILINX公司針對(duì)嵌入式處理器開發(fā)應(yīng)用的一種32位嵌入式處理器內(nèi)核，MicroBlaze是一個(gè)高度靈活可以配置的軟核，可以根據(jù)自身設(shè)計(jì)需要，對(duì)MicroBlaze進(jìn)行裁剪，用最少的資源完成設(shè)計(jì)需要。

MicroBlaze的基本特性：32個(gè)32位的通用寄存器，32位指令，3個(gè)操作數(shù)和兩種地址模式，32位地址和單流水線結(jié)構(gòu)[4]。

處理器MicroBlaze可添加的外設(shè)包含有Timer/PMW，UART，GPIO，IIC等IP Core，并預(yù)留了USB2.0，Ethernet MAX和其他常用外設(shè)模塊，以便擴(kuò)展，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)開放性。

使用XILINX ISE中的Xilinx Platform Studio（XPS）創(chuàng)建一個(gè)基于Spartan-3 XC3S400的處理器。完成硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)，主要由下列IP核組成：

由于處理器MicroBlaze軟核特性，可以使用XPS，在一個(gè)已存在的處理器系統(tǒng)中添加額外的IP，擴(kuò)展硬件系統(tǒng)，提高系統(tǒng)開放性，模塊化。如圖1所示。

圖1 中央處理器設(shè)計(jì)圖

2 各模塊軟硬件設(shè)計(jì)

基于FPGA的控制系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件復(fù)合的系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，圍繞FPGA中央處理器所設(shè)定系統(tǒng)功能，用模塊化方法實(shí)現(xiàn)。

1）初始化模塊：實(shí)現(xiàn)初始化FPGA芯片配置，初始化MicroBlaze核及各IP Core。

2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：數(shù)據(jù)輸入（data_input模塊）使用兩個(gè)撥碼開關(guān)及四個(gè)按鈕開關(guān) 做為輸入，對(duì)應(yīng)h1_sel和in_allow兩個(gè)信號(hào)線，四個(gè)按鈕開關(guān)分別對(duì)應(yīng)sw3,sw2,sw1,sw0。撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)工作模式的選擇，按鈕實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)輸出采用14位輸出，為data_out(13:0)。一方面輸出的data_out(13:0)數(shù)據(jù)傳輸給字符型液晶顯示屏1602顯示（lcd_display模塊），另一方面將data_out(13:0)數(shù)據(jù)傳輸給電機(jī)控制模塊（machine_ctl模塊），控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。在ISE環(huán)境下用Verilog語言編寫module data_input，module lcd_display,module machine_ctl三個(gè)模塊：

圖2 RTL級(jí)視圖

并由指定的ISE綜合工具XST綜合出RTL級(jí)視圖，如圖2所示。

3）UART模塊：通過串行通訊接口達(dá)到與上位機(jī)或觸摸屏交流通信的目的。OPB UART Lite是為MicroBlaze提供的一個(gè)串行口控制器，提供了一個(gè)發(fā)送通道和一個(gè)接受通道（全雙工），16字符的發(fā)送FIFO和16字符的接收FIFO，并可配置波特率。根據(jù)具體的工況要求可與上位PC機(jī)或觸摸屏相連。

4）GPIO模塊：輸入輸出模塊具有開放性。可以根據(jù)外接的輸入輸出設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展?？梢苑奖愕膭?chuàng)建一自定義的外圍設(shè)備，通過IO將其添加到硬件系統(tǒng)中。

5）IIC模塊：設(shè)計(jì)一個(gè) IIC 總線控制器，其主要作用是提供 uC（Microcontroller，微控制器或單片機(jī)）和 IIC 總線之間的接口，為兩者之間的通信提供物理層協(xié)議的轉(zhuǎn)換。IIC 總線控制器包含兩個(gè)主要部分，一是微控制器接口，簡(jiǎn)稱 uC 接口，二是 I2CMaster/Slave 接口，即 IIC 接口，通過這兩個(gè)接口，IIC 總線控制器實(shí)現(xiàn)了微控制器外圍總線和 IIC 總線的連接。

6）其他模塊：包括網(wǎng)絡(luò)連接模塊Ethernx Max、USB接口模塊和其他預(yù)留模塊。

3 結(jié)論

本文提出基于FPGA的模塊化機(jī)械手控制系統(tǒng)，采用XILINX公司的Spartan3系列的FPGA，首先先用ISE軟件中的XPS搭建MicroBlaze軟核作為處理器核，構(gòu)造各IP核，生成處理器系統(tǒng)和硬件IP網(wǎng)表。然后，基于FPGA可重構(gòu)特性，利用IP核可重復(fù)使用，可自定義，獨(dú)立性強(qiáng)的特點(diǎn)，將相關(guān)電機(jī)控制模塊，通訊模塊等模塊從控制系統(tǒng)中添加或刪除，增減機(jī)械手的功能，以適應(yīng)不同工況要求，而無需重新設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，提高控制系統(tǒng)的開放性，達(dá)到模塊化設(shè)計(jì)要求。

[1] 倪驍驊,趙忠偉.嵌入式系統(tǒng)在裝配機(jī)器人中的應(yīng)用[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,22(2):8-11.

[2] 田耘,徐文波,胡彬,等.Xilinx ISE Design Suite 10.X FPGA開發(fā)指南[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[3] Spartan3 Platform FPGA User Guide,Xilinx,2005.

[4] Xilinx.MicroBlaze Processor Guide EDK[Z].Http://www.xilinx.com.

[5] 龍霞飛,李仁發(fā). MicroBlaze微處理器IP Core的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用[J].微處理機(jī),2004,(6):6-9.