SCARA机器人的硬件系统设计 中

MCU控制模块

SCARA机器人MCU是整个控制模块的核心，需要实现对电机的转速检测和运行控制、与PC机通讯、显示和存储等功能。外围资源一共需要66路I/O, 5路PWM和1组串行口。其中39路I/O用于SDRAM存储，进行相应数据传输和信号控制;17路I/O用于液晶显示，作用于并口数据传输，片选等相关控制以及对字库的操作;10路I/O用于测量电机转速和转向，每个编码器分别由2路I/O配合判断电机的转动情况。另外需要5路I/O用于模拟PWM占空比。在满足设计需要的前提下尽量提高利用率，需要低功耗、主频高的控制器。FPGA控制器满足以上要求，充分满足本硬件系统的优点。运动控制器主要包括FPGA模块、数字量输入输出接口模块以及FPGA的外围电路模块。

最小系统使用外部有源晶振SOMHz，3.3V供电。对于系统用到的每一路进电都采用滤波处理，目的在于降低电源波动。另外对于输入输出的信号都采用滤波处理，目的在于减少甚至消除噪声干扰。其工作原理如图5.3所示。

主控制器选用Altera公司生产的EP4CE6F17C8型号FPGA控制器，属于Cyclone 1 V系列FPGA器件。以下是器件标号说明。EP4CE表示器件族，为Cyclone系列。6表示芯片在当前系列的编号。F表示封装类型，为FineLineBGA封装。C表示温度级，是Commercial range(商业级)。8表示速度级，在Cyclone中分6,7, 8三种速度级别，6为最快，8为最慢。

Cyclone系列FPGA是在全铜工艺、基于成本优化的1.5V的SRAM工艺，相对于普通FPGA在保持强大性能的前提下，成本降到一半。另外它还集成了很多功能，包括板机的时钟网络管理、功能完善的锁相环功能以及专用的I/O接口。

由于SRAM工艺容易丢失的特性，FPGA每次上电后都要再次配置，这是基于SRAM的FPGA的与众不同之处。这也大大降低了开发的便利性，是它的一个缺点。要想解决这个问题，使用主动串行AS的配置方式是一种良好的方法。即每次上电时，有专门的芯片加载程序，代替人工加载。

串口通讯模块

硬件系统的通讯部分主要实现与PC机的通讯。将FPGA采集到的SCARA机器人各机械结构转速等参数利用通讯传输到PC上，PC机下传给FPGA相应的指令与数据。EP4CE6集成了多个UART，本设计只使用到UARTO。控制主板移植并调试了Linux系统。本设计使用了常用的PL2303芯片，利用USB接口与PC机连接。PL2303是Prolific公司生产的RS232-USB接口转换芯片，是实现RS232全双工异步串行通讯与USB功能接口便利连接的理想方案。RS232-USB接口转换芯片可以3.3V或者SV供电，其原理如图5.4所示。

检测模块

光电编码器式传感器主要由旋转孔盘和光电器件组成。它的输出是与孔盘转角或转角增量成正比例关系的脉冲信号，通过对脉冲信号计数，即可测定孔盘转过的角度。光电编码器式传感器又分为绝对式和增量式，前者转角范围小于360°，用于低速端角位置测量;后者无转角范围限制，可用于高速端角位置测量或转速测量。光电编码器式传感器的主要特点是测量精度高;输出量为脉冲信号，抗干扰能力强;可以同时用于位置和速度的测量，使用方便;但高精度的光电编码器价格比较贵，成本高。因此我们采用光电编码器对SCARA机器人各机械结构的转速参数进行检测。由于SCARA机器人各机械结构要完成规定动作，因此需要五个电机对其进行驱动。本硬件系统主控制板留有五个光电编码器接口，其原理如图5.5所示。

光电编码器使用日本欧姆龙公司的E6A2-C型号，为增量型双相输出，分辨率为500线，可以判断电机转速和转向。由于该器件为开漏器件，每处接口都使用上拉电阻，器件实物图如图5.6所示。