毕业设计（论文）基于能力风暴机器人的大功率电机驱动扩展卡设计.doc

基于能力风暴机器人的大功率电机驱动扩展卡设计The design of high-power motor drivecard based on Ability Storm Robot摘要这篇论文讲述了能力风暴机器人的大功率电机驱动扩展卡的一种设计方法，包括大功率电机驱动芯片的选用，驱动电路的设计等。并用Protel 99 SE软件绘制出了电路原理图和印刷电路板，用VJC1.6软件编出了简单调试程序。该大功率电机驱动扩展卡所用芯片较少，成本较低，重量轻，使用起来非常方便，比较好的解决了能力风暴机器人在足球、擂台赛等对抗激烈的比赛中冲劲不足的问题。关键词：大功率电机驱动扩展卡；Protel 99 SE；VJC1.6；机器人AbstractThis paper describes a method of the design of high-power motor drive card,including high-power motor drive chip selection and driving circuit design. The circuit schematic and printed circuit board are maken out using Protel 99 SE,and a simple program is given in this paper. The high-power motor drive card is composed of very fewer chips,so it is lower-cost, light weight, and very easy to use.In a word,it solves the problem of low-power motor driving rising in the fierce competition such as the robot soccer game. Keywords: high-power motor drive card; Protel 99 SE; robot目录第一章 绪论11.1 机器人研究的意义11.2 目前国内外机器人发展趋势21.2.1 国外机器人发展状况21.2.2 我国机器人发展状况31.2.3机器人技术的发展趋势41.2.4机器人足球的发展5第二章 能力风暴机器人概述72.1 开设能力风暴机器人教育的意义72.2 能力风暴机器人的外形与结构72.2.1 能力风暴机器人的外形82.2.1 能力风暴机器人的结构82.3 能力风暴机器人的计算机硬件132.4 能力风暴机器人的开发能力142.4.1软件开发能力142.4.2机械扩展能力142.4.3电子扩展能力15第三章 大功率电机驱动扩展卡设计163.1电机驱动原理163.1.1电机及其调速原理163.1.2 AS-UII的驱动方式173.1.3电机驱动电路173.2硬件扩展总线ASBUS183.3 大功率电机驱动扩展卡的设计193.3.1课题来源及设计思路193.3.2 设计方案一193.3.3 设计方案二233.4 绘制原理图和印刷电路板25第四章大功率电机驱动扩展卡的软件调试274.1 VJC简介274.2流程图和JC语言274.2.1流程图274.2.2 JC语言294.3流程图编写大功率电机驱动扩展卡应用程序30第五章 结论32谢辞33参考文献34 第一章 绪论1.1机器人研究的意义机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。科学的进步与技术的创新,为机器人的研究与应用开辟了广阔的思路与空间。自从二十世纪六十年代初人类创造了第一台机器人以后,机器人就显示出它极大的生命力,在短短不到五十年的时间中,机器人的技术得到迅速的发展。“机器人产业在二十一世纪将成为和汽车、电脑并驾齐驱的主干产业。”从庞大的工业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到孩子们喜爱的宠物机器人，机器人正在日益走近我们的生活，成为人类最亲密的伙伴。机器人技术和产业化在中国具有一定的现实基础和广阔的市场前景。开展机器人研究活动，对加强思想道德教育，提高科学素养，发展自身潜能，引导更多学生关注科技、热爱科技、走进科技具有重大意义。同时有利于积极推进基础教育和高等教育改革，渗透科学技术教育，培养学生的实践能力和创新精神。"能力风暴"（Ability Storms）机器人由上海广茂达电子信息有限公司开发，呈单片机结构，外形酷似宇UFO，是专为个人机器人的需求设计的,专门面向教育的机器人。它是专门为大学进行课程教学、工程训练、机器人竞赛、科技创新以及研究服务开发的新型移动智能机器人。能力风暴个人机器人配有5种十几个传感器，另外还可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力很强。感知环境的能力是产生智能行为的前提，因此能力风暴能产生许多智能性行为。能力风暴机器人可用于参加机器人足球比赛，但往往在比赛过程中由于功率不够大而产生“冲劲”不足的问题。为解决这一问题，我们为机器人设计一块大功率电机驱动扩展卡，直接插在机器人主板上，可为电机提供2路单通道最大驱动电流为4A的电机控制信号输出，大大提高了风暴机器人的驱动能力，满足比赛要求。1.2目前国内外机器人发展趋势机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电软一体化的重要基础，又是光机电软一体化技术的典型代表。其产品主要有两大类，即以日本和瑞典为代表的一系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、喷漆装备、刷胶和建筑等，并形成了庞大的机器人产业。另一类是以美国、英国为代表的智能机器人开发，由于人工智能和其它智能技术的发展远落后于人们对它的期望，目前绝大部分研究成果未能走出实验室。机器人系统集成技术也是由几个主要发达国家所垄断。近年来，机器人技术并未出现突破性进展，各国的机器人技术研究机构和制造厂商都继续在技术深化、引进新技术和扩大应用领域等方面进行探索。1.2.1国外机器人发展状况为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。    除了这些研究单位，各大机器人企业也投入大量人力、财力开发机器人系统。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入使用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.2.2 我国机器人的发展状况我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，以系统集成带动机器人技术的全面发展，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.2.3机器人技术的发展趋势 工业机器人技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上，第二代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为龙头拉动工业机器人技术的发展，其技术特点与重点发展领域体现在下述方面：机械结构   1)以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的l3(目前世界工业机器人总数约为750000台)，90年代初开发的适用于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。   2)应3K(炼钢、炼铁、铸锻)行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接数十米长、l0t以上大构件的弧焊机器人群；采取蚂蚁啃骨头的协作机构。  3)己普遍采用CAD、CAE等技术用于设计、仿真与制造中。控制技术    1)大多数采用32位CPU，控制轴多达27轴，NC技术和离线编程技术大量采用。    2)协调控制技术日趋成熟，实现了多手、与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。    3)基于PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，己成为一股潮流。”驱动技术    1)80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。日本23家机器人公司于1998年生产的167种型号机器人产品，其中采用AC伺服驱动的有156种，占93.4。直接驱动技术则广泛用于装配机器人中。    2)新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合，已由日本FANUC 公司开发并用于工业机器人中；在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。智能化的传感器多有应用    在上述167种机型中，装有视觉传感器的有94种，占56.3，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留下了多种传感器接口。通用机器人编程语言    在ABB公司的20多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。最近美国机器人工作空间技术公司开发了Robot Script V10通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器URC的win95环境。该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。网络通信方式    在上述167种机型中，有69种采用Ether网通讯方式，占41.3，其它采用RS232，RS422，RS485等通讯接口。高速、高精度、多功能化    目前所知最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s;高精度机器人的位置重复性为正负0.01mm.有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达80m/s;而另一种并联机构的NC机器人，其位置重复性达l um。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能。最近瑞典Neos公司开发出一种高精度、高可靠性的可切割、钻孔、铣削、磨削、装配、搬运的多功能机器人，用于多家著名汽车厂和飞机公司。集成化与系统化    1998年ABB公司推出IRbl400系列小机器人，其循环时间只有O.4s，控制器包括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣机变换器那样大小。FANUC公司2000年9月宣称它的控制器为世界最小。工业机器人的应用从单机、单元向系统发展。多达百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能体)。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。1.2.4机器人足球的发展足球机器人比赛虽然刚刚开展几年时间，但是它吸引了越来越多人的关注。因为它以喜闻乐见的方式走进了我们的视野，虽然它的体积很小，但是它的意义非常重大。它是综合了计算机技术，自动化技术，机电一体化技术，人工智能技术，模式识别技术的一门综合技术。 足球机器人的核心技术是人工智能技术，它的目地是使机器具有人的智慧。它能使机器具有像人一样的感知环境，向环境学习的能力。人工智能包括智能控制、机器感知、机器情感、专家系统、人工生命、神经元网络和遗传算法等等。我们还能想起计算机“深蓝”战胜世界象棋冠军吗？这就是人工智能的成就。 现在的足球机器人比赛有两个系列：即ROBOCUP 和FIRA 。每年都要进行一次比赛。中国最早参加了FIRA比赛，东北大学代表队和哈工大代表队都取得了好成绩。另外中国还参加了ROBOCUP系列的比赛。在2001年的ROBOCUP比赛中，清华大学代表队获得了世界冠军。另外，中国人工智能学会在2001年成立了机器人足球专业委员会。机器人足球参加了科技申奥主题活动，还将参加2002年的世界杯足球赛。以上活动说明机器人足球在中国获得良好发展。第二章 能力风暴机器人概述2.1 开设能力风暴机器人教育的意义自从20世纪60年代初世界第一台机器人诞生以后,机器人技术得到了迅速地发展.在21世纪,机器人技术的进步将会对科学与技术的发展产生重要影响.高技术研究发展计划("863"计划)是我国关于高技术的中长期研究发展计划,智能机器人是自动化领域的主题之一."863"计划开始实施以来,在特种机器人,机器人应用工程,机器人基础技术等方面取得了很大成绩,组织和培养了一支数量可观的研究开发队伍,建立了一批各具特色的研究开发环境,"863"计划已成为我国发展智能机器人技术的最重要的阵地. 我们非常庆幸有这样一个平台能使学生比较全面综合地了解现代工业设计,机械,电子,传感器,计算机软件,硬件,人机交互,人工智能等诸多领域的先进技术,并亲身接触和体验现代高新技术,在学生获得科技知识和实践能力的同时,激发了他们的创新意识和创造发明的潜能,这个平台就是-智能机器人.能力风暴机器人就是一种非常典型的智能机器人。能力风暴机器人AS-U（以下简称：AS-U）是上海广茂达公司生产的专门面向教育的机器人。它融合了现代工业设计、机械、电子、传感器、计算机和人工智能等诸多领域的先进技术，学生可以通过使用能力风暴个人机器人接触到多方面的知识和技术。它提供了一个接口平台，可供用户进行扩展，实现二次开发，在软件，机械，电子等方面均有较强的延拓能力。它采用图形化交互C语言（简称VJC）完成AS-U的软件开发，具有基于流程图的编程语言和交互式C语言(简称JC),便于用户自由发挥。开展能力风暴机器人研究活动，旨在进一步加强未成年人思想道德教育，提高广大青少年的科学素养，发展自身潜能，引导更多的大中小学生关注科技、热爱科技、走进科技，涌现出更多的未来科学家和未来工程师。在积极推进基础教育和高等教育改革的过程中，渗透科学技术教育，努力培养大中小学学生的实践能力和创新精神。2.2能力风暴机器人的外形与结构2.2.1 能力风暴机器人的外形能力风暴机器人外形酷似UFO，图2.1是能力风暴机器人的外观俯视图。图2.1 能力风暴机器人的外观俯视图2.2.2 能力风暴机器人的结构AS-UII 是面向教育的新一代智能移动机器人。AS-UII结构参见图2.2图2.2 AS-UII的内部结构图AS-UII有一个功能强大的微处理系统和传感器系统，而且它还能扩展听觉、视觉、和触觉，成为真正意义上的智能机器人。 AS-UII的身体结构主要由控制部分、传感器部分和执行部分三大部分组成。每一部分介绍如下：1控制部分控制部分是AS-UII机器人的核心组成部分，见图2.3。图2.3 AS-UII的控制部分从图中我们可以清楚的看到AS-UII控制部分的主要由以下两个部分组成：1）主板位于AS-UII“心脏”部位的控制部件是AS-UII的大脑主板，它由很多电子元器件组成，跟人的大脑一样，主要完成接收信息、处理信息、发出指令等一系列过程。AS-UII的大脑有记忆功能，这主要由主板上的内存来实现，至于“大脑”的分析、判断、决断功能则由主板上的众多芯片共同完成。2）控制按键位于AS-UII背部的控制面板，是AS-UII机器人运行控制部件，具体按键分布如下图所示：图2.4 控制按键部分开关按钮控制AS-UII电源开关的按钮，按此按钮可以打开或关闭机器人电源。“电源”指示灯按下AS-UII的开关后，这个灯会发绿光，这时就可以与机器人进行交流。“充电”指示灯当你给机器人充电时，“充电”指示灯发红光。“充电口”将充电器的相应端插入此口，再将另一端插到电源上即可对机器人充电。“下载口”“充电口”旁边的“下载口”用于下载程序到机器人主板上，使用时只需将串口连接线的相应端插入下载口，另一端与计算机连接好，这样机器人与计算机就连接起来了。“复位/ASOS”按钮这是个复合按钮，用于下载操作系统和复位。当串口通信线接插在下载口上时，按击此按钮，机器人系统默认为此操作为下载操作系统；如果你想使用其复位功能则需要将通信线拔下，按击此按钮，机器人系统认为此操作为系统复位。“运行”键打开电源后，按击“运行”键，机器人就可以运行内部已存储的程序，按照“指令”行动。“通信”指示灯“通信”指示灯位于机器人主板的前方，在给AS-UII下载程序时，这个黄灯会闪烁，这样就表明下载正常，程序正在进入机器人的“大脑”即CPU。2传感器部分AS-UII机器人的传感器，如图2.5所示。主要有以下五种传感器：1）碰撞传感器AS-UII机器人的下部放置了一个碰撞系统，保证AS-UII机器人的正常活动。AS-UII机器人的碰撞机构能够检测到来自360°范围内物体的碰撞，使AS-UII机器人遭遇到来自不同方向的碰撞后，能够转弯避开并保持正常活动。2） 红外传感器AS-UII机器人的红外传感器共包含两种器件：红外发射管和红外接收管，看图2.5就可以发现红外接收管位于AS-UII机器人的正前方，两只红外发射管位于红外接收管的两侧。红外发射管可以发出红外线，红外线在遇到障碍后被反射回来，红外接收管接收到被反射回来的红外线以后，通过A/D转换送入CPU进行处理。AS-UII机器人的红外传感器能够看到前方10cm80cm，90°范围内的比210mmx150mm面积大的障碍物，如果障碍物太小太细、或者在它的可视范围以外，它可就没法看到了。在AS-UII机器人的可视范围内，它的可视距离是可以调整的。图2.5 AS-UII传感器部分3）光敏传感器光敏传感器是由两个光敏电阻组成，它位于机器人的正前方。光敏传感器能够探测光线，不过在这里我们是让它看见特定的颜色。在AS-UII机器人的光敏传感器罩上了一层滤光纸，通过它的颜色来决定AS-UII机器人能探测什么颜色的光线。4） 话筒AS-UII机器人的话筒的功能很强，它可以感受到声音的强弱。但AS-UII的话筒和人的耳朵一样，并不是所有的声音都能听得见，能听见的声音在一定的频率范围内，这个范围和人能听得到的范围大致是一样的，大约是16Hz20000Hz的机械波。AS-UII机器人在听到声音命令后，会根据指示（由程序事先输入）采取行动。5）光电编码器在AS-UII机器人里有码盘和光耦（光电编码器）。光电编码器主要作为控制的反馈信号。光耦通过测定随轮轴一起转动的码盘的转动角度，得出轮子所转动的圈数，从而测定距离。3执行部分AS-UII机器人的执行部分是指机器人执行具体功能时所要用到的部件，如图2.6AS-UII执行部分所示。LCD图2.6 AS-UII执行部分1）扬声器AS-UII机器人也可以通过扬声器发出一定频率的声音，也可以通过编程让机器人演奏歌曲。2）LCDAS-UII机器人上的LCD可以显示除中文外的各种字符。利用LCD可以单步显示程序运行的中间结果。3）主动轮及其驱动机构AS-UII机器人的主动轮有两只，能够完成向前直走，向后转弯，左转，右转，原地打转这些平地上的技术动作；正因为有驱动机构齿轮箱的存在，AS-UII才可以利用直流电机输出的动力。4） 从动轮AS-UII机器人有2只从动轮，通过安置弹簧，它们可以在垂直与地面的方向上上下移动，保持机器人动态平衡和实现一定的越障功能。5）直流电机在AS-UII机器人上有两个直流电机。4AS-UII的能源将AS-UII机器人头朝下翻过来，就能够看到它的底盘下安装有一个盒体，这就是电池。见图2.7 AS-UII的电池。智能机器人的能量就来自于这个电池。图2.7 AS-UII的电池2.3 能力风暴机器人的计算机硬件人对周围环境的反应过程主要是感觉大脑思考作出反映，机器人的信息处理流程也是如此。能力风暴智能机器人的配有5种十几个传感器，另外还可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力很强。感知环境的能力是产生智能行为的前提，因此能力风暴能产生许多智能性行为。能力风暴通过微控制器（microcontroller）来思维。我们采用的是Motorola公司8位单片机中功能最强、集成功能最全的高档机种。它的可靠性很高，有程序自下载功能。能力风暴连上串口线就可自动下载程序。计算机硬件决定了机器的极限潜能，去开发这种潜能是软件的工作。我们为用户提供了交互式图形化编程C语言VJC，它使开发能力风暴的高层行为充满了乐趣。有的低层的驱动软件与硬件相关太紧密或实时要求很高，需要用汇编语言来处理。能力风暴智能机器人的执行器有：二只高性能直流电机；一只喇叭；一只2*16字符的液晶显示器。能力风暴机器人的系统结构如图2.8所示。图2.8 能力风暴机器人的系统结构能力风暴计算机硬件的设计策略是尽量选择功能齐全、可靠、周边设备集成度高的微控制器，价格也需控制，能让中国的学生以可以承受的价格获得世界上先进的智能机器人计算平台。Motorola生产的68HC11，使我们以极少的周边芯片获得了齐全的功能，8个模拟口，5个输入捕捉，3个PWM输出，16位地址，8位数据总线，串口，以及4个通用I/O。同时，充分考虑到软件开发工具问题。因为没有优秀方便的软件开发工具，硬件只能成为专有系统，而无法成为开发平台。68HC11的自下载功能，使我们拥有了纯软件开发调试的优秀工具JC。JC即可用于开发高层应用软件，又便于开发低层驱动，还能交互调试。1微控制器68HC11E1有CPU、片内存储器、定时器系统、串行口、A/D、并行I/O口，中断和复位系统组成。2. 外部存储器能力风暴智能机器人扩展了32K的静态不挥发RAM。其优点是既有静态RAM的速度和方便（70ns），又有EEPROM或FlashRom的掉电不丢失性，从而能将程序和数据合用一个芯片。AS62256写入的数据可保存十年以上，同时具有可靠的上电、掉电、强静电等数据保护功能。3.电源与复位电路能力风暴控制板采用Maxim603稳压芯片，提供500MA，5V电压，该芯片自身的功耗很低。低电压复位保护电路采用DS1233D-10，当电压低于4.5V，将产生复位信号，同时红色RST发光二极管变亮。2.4 能力风暴机器人的开发能力2.4.1软件开发能力标准语言子集，简洁的专业程序员语言支持浮点运算、指针、多维数组；先进的多任务操作系统；便于学习的图形化交互式语言；众多的驱动程序和应用程序代码，在高手的基础上学习编程。能力风暴机器人AS- U它采用图形化交互C 语言( 简称VJC)完成AS- U的软件开发, 具有基于流程图的编程语言和交互式C 语言(简称JC),便于用户自由发挥。2.4.2机械扩展能力至个直流电机；至个步进电机交流伺服电机；至个继电器、电继阀、记忆合金；至个灯泡、电热丝、蜂鸣器。扩展实例：灭火风扇，机械手臂，装饰彩灯等。2.4.3电子扩展能力至几百路位模拟输入；至几十路输出捕捉；路数字式输出。扩展实例：超声测距卡，红外测距卡，路伺服电机驱动卡，路输入输出。第三章 大功率电机驱动扩展卡设计3.1 电机驱动原理能力风暴智能机器人的行走装置轮子由两只直流电机驱动，采用差动驱动方式，而两只电机的转向及转速由电机驱动芯片控制。3.1.1 电机及其调速原理以电为原动力产生机械旋转动力的装置叫做电动机。电动机如果是依靠直流电源工作，则称为直流电机。在AS-UII中，直流电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱，然后齿轮箱的输出轴控制轮子转动，从而驱动整个机器人的运动。直流电机上的电压大小影响它的转速和扭矩。图3.1即为不同电压下的电机转速转矩图。图3.1 直流电动机T-N图 直流电机在一定电压下，如图3.1所示，在图中12V特性线上取两个点J、K，很明显，Jn>Kn,JT<KT。由此我们可以发现转速（n）变小时，转矩（T）增大，这就叫转速与转矩成反比；如果改变电压，则转速转矩线随着电压的变化而向下方移动。在智能机器人负载一定时（即转矩一定时），降低电压，对应的转速也相应减小，这样就可实现电机的调速。在智能机器人里正是采用改变电机电压的方式来改变电机的转速，叫做脉宽调制。智能机器人电机上得到的信号是方波，不同的方波的平均电压不同（如图3.2），我们就利用这一点来进行AS-UII的速度控制。采用不同的脉宽调节平均电压的高低，进而调节电机的转速，即脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）。智能机器人上通过主板发脉宽调制信号，通过改变脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压。图3.2 不同宽度的方波实现PWM控制AS-UII的电机是经过减速器将转动传给轮子，将高速转化为低速。“AS-UII”通过三级直齿轮传动减速，来满足“AS-UII”运行的速度和转矩（如图3.3）。图3.3 三级减速器（齿轮头）3.1.2 AS-UII的驱动方式AS-UII机器人的驱动采用的是差动驱动方式。差动方式是指将两个有差异的或独立的运动合成为一个运动。当我们把两个电机的运动合成为一个运动时，这就成了差动驱动。仔细观察智能机器人的底盘，你会发现机器人有两个一样的齿轮头，每个齿轮头都包括一个直流电机。这两个直流电机分别独立控制1个驱动轮，在运行时，我们可以分别确定两个电机各自的转速，组合起来就能实现机器人的各种运动方式，如直行、转弯等，这就实现了差动驱动方式。3.1.3 电机驱动电路AS-UII机器人的电机驱动芯片采用直流电机驱动芯片SN754410。其外观如图3.4所示。图3.4 SN754410芯片 SN754410可提供单通道达1A的双向驱动电流，供压范围从4.5V到36V。输入端1A、2A由使能端1,2EN控制，输入端3A、4A由使能端3，4EN控制。当使能端1,2EN输入为高电平时，输出端1Y、2Y的状态由输入端1A、2A状态决定；当使能端3，4EN输入为高电平时，输出端3Y、4Y的状态由输入端3A、4A状态决定。而当使能端输入为低电平时，无论相应输入状态如何，相应输出状态均为高阻态。输入电压Vcc1用以产生逻辑输入电流，Vcc2用以产生输出电流。SN754410芯片内部具有热阻断和内部ESD保护电路。当芯片温度过高时，会产生热阻断，在热阻断模式下，无论输入如何，输出均为高阻态。SN754410芯片引脚图和功能表如下图所示： 图3.5 SN754410芯片引脚及功能表如3.1.1所述，电机调速原理是通过采用不同的脉宽调节平均电压的高低，进而调节电机的转速，即脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）。因此可以通过单片机PA5，PA6口分别给SN754410发脉宽调制信号，通过改变脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压；PD4,PD5口接SN754410的输入端，发出的信号用来调节电机转向。驱动电路如图3.6所示：图3.6 电机驱动电路3.2 硬件扩展总线ASBUS能力风暴控制板设计了ASBUS总线见（图3.7），简单类似于ISA和PCI总线。采用堆叠式的ASBUS扩展卡可以方便扩展控制板的功能, 它分为ASBUSA和ASBUSB两部分。机器人主板上ASBUSA和ASBUSB插槽用于插各种功能的扩展卡。ASBUSA和ASBUSB引脚图和各部分功能如下所示:图3.7 ASBUS信号线ASBUSA和ASBUSB分别有14个信号线。各信号线功能如下：PCO-PC7：数据总线/RESET：复位信号/IRQ：外部中断输入脚VCC：+5V电源（负载不要超过300MA），可用于扩展卡的电源输入端。Vmotor：电机电压，也即电池电压，可接较大负载。GND：地IS0-IS3：输入选择线0-3OS0-0S3：输出选择线0-3PA1-PA2：输入捕捉口，可用来扩展数字或脉冲输入的传感器。PA3：输出比较口，已被喇叭、DC3，servo使用，PE5-PE7：模拟输入口, 可用来扩展温度传感器、力传感器等模拟量输入传感器。3.3 大功率电机驱动扩展卡的设计3.3.1 课题来源及设计思路在机器人足球、擂台赛等对抗激烈的比赛中，机器人往往会产生冲劲不足的问题，这是因为原有电机驱动芯片SN754410不足以提供足够大的功率以满足比赛需要。为此可以为其设计一块大功率电机驱动扩展卡，该大功率电机驱动扩展卡通过能力风暴机器人主板控制，能提供2 路单通道最大驱动电流为4A 的电机控制信号输出，以大大提高能力风暴机器人的驱动能力。3.3.2设计方案一1.大功率电机驱动芯片选择由于原有电机驱动芯片SN754410单通道驱动电流只有1A，因此首先应选择一块驱动电流较大的芯片，经研究选用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N。L298N是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接供电电压，VS电压范围为2546 V。使用时应使供电电压VS大于其逻辑电压VSS，否则将会出现电机失控的现象。输出电流可达25 A，足够满足机器人在对抗激烈的比赛中的大功率驱动要求。L298可驱动2个直流电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。另外，为了保护电机，在驱动电路中需要加入两组续流二极管。L298N与电机的连接如图所示：图3.8 L298N与电机的连接图L298N的引脚封装图及功能表如图3.9所示：图3.9 L298N的引脚图及功能表由表1可知，当EnA为低电平时，输入In1，In2电平对电机不起作用；当EnA为高电平时，输入In1，In2电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转；EnA，In1，In2同为高电平电机刹停；当EnA为高电平，而In1，In2均为低电平时电机停止。使能端EnB与输入In3,In4对电机的控制作用同上。2.驱动电路设计大功率直流电动机的调速方式仍采用PWM信号平滑调速（调速原理如前所述），L298N的EnA,EnB口可直接接M68HC11单片机的PA5,PA6口，由单片机直接给L298N芯片发出PWM控制信号。由于输入In1，In2电平为一高一低时，相应控制电机才能正转或反转，而同为高或低时电机都会停转，因此输入In1，In2电平必须为一高一低（同样，In3,In4也必须为一高一低），为此可采用74HC14芯片，其引脚如下所示：图3.10 74HC14引脚图硬件扩展总线ASBUSA上的PC0端口接In1口和74HC14上的1A口，1Y接In2口,这样就可实现输入In1，In2电平为一高一低，PC0口输出高低电平即可控制Out1，Out2所接电机的正反转。同理，PC7口接In3口和74HC14上的2A口，2Y接In4口,这样就可实现输入In3，In4电平为一高一低，PC7口输出高低电平即可控制Out3，Out4所接电机的正反转。ASBUSA,74HC14,L298N连线如图3.11所示。图3.11 ASBUSA,74HC14,L298N连线图 74HC14芯片和L298N芯片的+5V逻辑电压均可由ASBUSA总线上的Vcc端口提供。而L298N芯片Vs口所需电压大小为12V,因此还需要一块升压型 DC/DC 转换器进行升压，经查找和研究最终决定