基于S3C44B0X与EPM1270的智能轮式移动机器人控制系统设计

在移动机器人领域，控制系统的选型始终是决定整体性能的核心环节。早期主流方案集中在8/16位单片机和DSP上，但前者处理能力有限、外围电路复杂、稳定性欠佳，后者虽擅长数字信号处理，在控制领域却并非最优解。相比之下，ARM架构的嵌入式微处理器不仅拥有相近的运算资源，在控制性能上反而更胜一筹，且多数ARM器件原生支持TCP/IP协议，为后续网络化控制留足了空间。正是基于这些考量，本文提出一套以ARM搭配CPLD为核心的智能轮式移动机器人控制系统方案，专攻底层控制这一难点。

1 系统组成及工作原理

该系统的机械导航结构采用四轮差速转向——前轮为随动轮起支撑作用，后轮为驱动轮，由两台同步电机分别独立控制转速。这样一来，机器人可根据左右轮的速度差实现灵活的方向和速度调节，运动控制的可控性相当出色。

上位机选用PC，通过摄像头实时分析机器人自身位置与外部环境，构建环境地图并规划最优路径。上位机将运动控制指令（主要是左右驱动电机的理论速度值）通过无线收发模块发送至底层控制系统。底层控制系统的核心是ARM加CPLD的组合，负责根据上位机指令驱动电机运行，同时管理超声传感器组的收发，并依据障碍物信息做出避障决策。系统的整体控制结构框图如图1所示。

2 控制系统硬件设计

2.1 主控模块设计

主控制器选用Samsung的S3C44B0X，这款基于ARM7TDMI核的32位微处理器天生适合实时环境，具备高速运算能力、内置A/D转换器、丰富的I/O端口和中断资源，应对电机控制、传感器信息处理、外部通讯以及复杂控制算法绰绰有余。协处理器方面则采用Altera MAX II系列EPM1270 CPLD，用它承担可编程脉冲产生、光电编码器输入、超声波传感器输入等高速逻辑处理任务。设计思路上，主控制器ARM只需设定控制参数，具体的时序和逻辑处理全权交给CPLD，这样既减轻了ARM负担、提升系统实时性，又减少了外围硬件电路，稳定性和可重构性都更高。

ARM与CPLD之间通过并行总线连接，该总线包含地址线、数据线、控制线以及多路可编程I/O。ARM通过访问特定地址和I/O端口指挥CPLD工作，而CPLD则通过可编程I/O端口向ARM发送中断请求，两者配合紧密。

2.2 电机控制和驱动模块的设计

两个驱动轮各由一台驱动电机独立控制，才能实现不同方向和速度的运动。对电机的要求非常明确：转矩要大、脉动要小，高、中、低速下均需表现良好，控制方式还要简单。最终选用了方波驱动的交流永磁同步电机——它根据转子位置反馈信息电子换相运行，电机转速与驱动信号频率成正比，既保留了交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，又具备直流电机动态特性好、调速性能优良的长处。

控制电路由CPLD配合外部驱动器件构成，采用方波驱动加定位控制（通电状态控制）的方式，精确控制两台永磁同步电机的速度和位置，结构非常紧凑。两路电机控制原理完全相同，这里只介绍其中一路。

CPLD内部的电机控制电路分为三部分：分频电路、调速电路和相序分配电路。分频电路由分频器构成；调速电路利用MAX+PLUS II的LPM宏单元库中的算术运算模块lpm_counter，搭建了一个可预置数的5位减计数器。根据所需速度设置预置数后，计数器对分频电路输出的clk脉冲信号做减计数，归零时输出一个借位脉冲，同时重新装入预置数继续减计数。这个借位脉冲cout就是调速电路的输出，其频率范围是fclk/1到fclk/31——即引入了步长为1的调速因子（预置数）。改变预置数就能对脉冲信号进行1到31倍的连续可调分频，从而调节电机转速。相序分配电路则以cout作为输入，通过两个D触发器和门电路输出4路相位相差90°的方波脉冲，作为两相同步电机的控制信号。stop信号控制电机启停，dir信号控制转向——正转时uCD超前uAB 90°，反转时uAB超前uCD 90°，各相信号频率是cout脉冲频率的1/4。CPLD中调速和相序分配电路的原理见图2，仿真结果验证了逻辑正确性，如图3所示。

外部驱动器选用L298双H桥高电压大电流功率集成电路，脉冲发生电路产生的4相方波信号先经过总线收发器74LS245输出到L298的输入端IN1～IN4，控制H桥的通断，进而实现电机正反转或停止。为防止电机启停瞬间的反馈电压损坏L298，在L298输出端与电机之间还加入了8个二极管做续流保护。

要实现更精确稳定的运动控制，必须获取电机速度作为反馈环节。这里采用增量式光电编码器做速度检测，两个编码器分别与两路电机同轴连接，由CPLD配合ARM实现变M/T测速（即变脉冲数/脉冲周期测速），定时对电机速度采样。采样速度与上位机给定速度的差值送入PID控制器，从而构成速度闭环控制。

2.3 超声传感模块

避障是移动机器人的基本功，而避障的第一步就是确定障碍物的位置。PC机基于视觉的路径规划容易受光线强弱、背景色等因素干扰，因此这里改用超声传感器测距来实现障碍物检测和定位。

测距原理采用时间渡越法：从超声波发生器发射超声波开始，到接收器收到反射波为止，计时得到时间t，结合超声波在空气中的传播速度v（v=331.4×(1+T/273)^(1/2) m/s，T为摄氏温度），即可算出距离l=vt/2。模块共使用3对超声换能器，分别安装在正前方、左前方和右前方。ARM发出控制信号后启动内部定时器，信号经功率放大驱动超声传感器；遇到障碍物时返回的高频振荡信号经过放大后通过接收电路触发ARM外部中断，在中断程序中读取定时器计数值，进而算出距离。超声传感模块框图见图4。

3 控制系统软件设计

3.1 嵌入式操作系统

智能轮式移动机器人本质上是一个典型的实时多任务系统。传统的单任务顺序执行机制根本无法满足实时性要求，而且可靠性也不够。因此选用了μC/OS-Ⅱ——这款嵌入式操作系统源码公开、可移植、可固化、可裁剪，代码尺寸小、占用实时内核、任务多、执行时间可确定、运行稳定可靠。将μC/OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上后，还需根据实际需求进行裁剪以节省存储空间。

基于实时内核的多任务系统可以划分为系统层和应用层。系统层由内核和驱动程序库组成；应用层则包含所有用于达成机器人任务目标的代码。在应用层程序设计中，将机器人的任务分解为通信、信息采集、电机控制等多个用户任务，由μC/OS-Ⅱ统一管理调度，协调各项任务运行，从而保证系统的实时性和可靠性。

3.2 运动控制算法

为了让移动机器人运动既稳定又准确——前进、后退、转弯、刹车等动作都要响应快、超调小——电机控制过程采用了积分分离的PID控制算法。该算法的具体实现方法如下：

4 结语

这套基于ARM和CPLD的智能轮式移动机器人控制系统方案，充分利用了ARM和CPLD的内部资源。ARM微控制器体积小、运算速度快，CPLD则提供了高速逻辑处理能力、灵活的可扩展性和可重构性。软硬件调试和运行实验表明，系统控制灵活、实时性好、可靠性高，完全能够满足智能轮式移动机器人的控制需求。而且该方案具有普遍适用性，性价比突出，实用价值很强。

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