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基于FPGA的足球机器人数据采集和处理系统


Microcomputer Applications V01.23.Dec.Issue2007

开发应用

微型电脑应用

2007年第23卷增刊

文章编号:1007-757X(2007)¥0-0127-04

基于FPGA的足球机器人数据采集和处理系统
徐丽俊
徐小勇

摘要:设计了以FPGA为核心逻辑控制模块的高速数据采集系统,应用于四轮足球机器人小车系统.设计中采用了自顶
向下的方法,将FPGA依据功能划分为几个模块,本文详细论述了各模块的设计方法和控制流程.FPGA模块设计使用
Verilog

HDL语言,在QUARTUS II中实现软件设计和完成仿真.本文给出了一些模块的仿真图形.本系统实现了5路电机的

转速及电流采样,并实现了与DSP的接口通讯.

关键词:FPGA;DSP;数据采集和处理;倍频鉴相:是球机器人 中图分类号:TP274.2
文献标识码:A

Data Sampling and Processing System of Soccer-robot Based
XU

on

FPGA

Li-jun

XU Xiao-yong
OH

Abstract:n嵋high-performance data acquisition system based
soccer-robot

FPGA is designed,which

can

be applied into four-wheel

system.111e

top-down method was adopted in the

design,and

FPGA was divided into several

modules

by

function.nis

paper discusses the design method

and control flow of modules in particular.The Verilog HDL language was adopted in the FPGA completed in QUARTUS II.11圮paper provides the simulation figures of
current

module,and the software design and system simulation were some

modules.111e system not

only realized

5-mute

motor ofrotate speed and

sampling.but

also is capable ofcommunication

willl DSP interface. Keywords:FPGA;DSP;Data sampling and processing;Frequency-multiplier and

Phasedemodulation;Soccer-robot

1引言
人不得干预。

足球机器人系统由机器人车体、视觉、决策和无线通信
等四个子系统组成。

其中机器人车体子系统的好坏直接关系着机器人能否 进行精确的运动控制,来实现决策系统需要的运行速度和方 向.本系统采用了基于TI DSP(TMS320LF2407A)和ALTERA FPGA(EPlC3T144c8)的机器人车体运动控制系统,其中DSP为 主控芯片,负责无线通信和运动控制,FPGA则实现数据采样 与处理功能,本文将重点介绍由FPGA构成的数据采样与处理
系统。

视觉子系统是机器人的眼睛,它由悬挂在球场中圈上空 或安装在小车上的摄像头摄取图像,由安装在主机内或小车 上的视频采集电路将斟像数字化,送入主机内存,再由图像 处理算法对采集数据进行理解。由于比赛双方各有不同颜色 的队标(如:黄色和蓝色),而机器人和球也有不同的色标, 这样计算机就可以通过颜色分割辨识出全部机器人与球的 坐标位置与朝向,将信息传给决策子系统。 决策子系统根据视觉系统给出的数据,判断场上攻守态 势,分配本方机器人攻守任务,决定各机器人的运动轨迹, 然后形成给各机器人小车备车轮转速的命令值。 无线通讯子系统通过主机串行口获得命令值,再由独立 的发射装置出去,装在机器人小车}:的接收模块接收命令, 比赛场上各机器人小车按命令运动。 在足球机器人比赛过程中,上述4个子系统独立运行, 通过视觉系统的反馈形成闭环控制,整个过程由程序控制,
作者简介:徐圈俊.上海丈学机fI学院,硕}研究生,上海.200072 徐小勇,上海大学机自学院,硕十研究生,上海.200072 127

2系统硬件设计
足球机器人小车运行速度较快,需要的处理器运算能力 要比较强,而且本系统对小车的控制精度要求也很高,希望 它能按照决策程序的指令来精确的定位,为此本设计采用了 DSP加FPGA的构架,一方面DSP能够实现较强的运算处 理能力,另一方面FPGA的高速数据采样能力。也为DSP 实现实时控制提供了可能。 其中FPGA硬件系统主要由电源、时钟、JTAG与AS 下载口、EPCSI配置芯片、转速及电流采样电路、与DSP 接[1等几部分构成.其框图如图l所示。

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RAM作为DSP的外部RAM存储区,DSP只要对外部的RAM
空间进行读访问即可,而FPGA则利用RD信号和相应的地 址信号线将数据送到FPGA.由于有5路转速,5路电流共10 路数据,故采用4位地址线,16位数据线来传输。

图1
2.1

系统结构框图



FPGA软件系统关键模块设计
本系统FPGA软件部分采用原理图输入与文本输入相结

FP6A最小系统 FPGA最小系统主要包括:电源、时钟、下载口、配置芯 合的方式,其中文本输入采用Verilog BDL硬件描述语言。 开发平台基于0uartus
II 5.0。

片等部分。 其中,电源部分,Cyclone系列的FPGA需要提供两种电 源,一个是内核电源,一个是管脚电源,其中内核电压是1.5V, 管脚电压是3.3v.本系统采用LMllt7电源芯片来产生两种电 压。时钟采用了20MHZ的有源晶振,内部再进行2倍的PLL 倍频,得到系统工作频率为40MHZ.下载口配置了两种,一种 是JTAO口,用来在线仿真,另一种为AS口,用来对配置芯 片EPCSl进行烧写,具体芯片配置方式介绍参见文献[3]. 2.2转速及电流采样电路 转速采样主要利用电机自带的光电编码盘产生反馈信 号A相、B相,这两个信号频率相等,相位相差900,可根 据此特点来进行软件的倍频、鉴相和计数处理,此光电编码 盘产生的反馈信号为每转512个脉冲.A、B相图如图2所示

软件部分主要实现对转速反馈信号的倍频、鉴相和计 数,对电流信号的计数以及实现与DSP通讯的接口设计,主
要软件结构框图如图3所示

图3软件结构框图 3.1转速采样模块

一^‘OTl、1盯O 曲一^刊1 O■O卜 一^卜H:2卜_曲一^l:卜L一:i !广1 B厂]
曲刚B
: 1






转速采样数据处理流程如图4所示:


曲柳ld

:厂一

图2光电码盘A.B相图 电流采样则通过电流采样芯片IR2172将电流信号转换 为频率信号进入FPGA内部进行计数。 2.3与DSP的接口电路 图4转速采样流程图 光电码盘A、B相反馈到FPGA后,分剐经过倍频电路、 鉴相电路、计数器和锁存器最后保存到RAM存储器中。 (1)倍频鉴相电路: FPGA与DSP的接口通讯问题,利用了DSP的RD来 解决,因为当DSP访问外部程序、数据和I/O窄间时会产生 一个400ns左右的-卜.降沿脉冲,据此,我们利用FPGA内部 采用倍频鉴相电路主要日的是提高位置分辨率,获取电 机的实际转动方向(或工作台移动方向),提高抗干扰能力。

128

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利用FPGA实现倍频鉴相功能优势在于倍频、鉴相电路 I

在芯片内部,其抗_T.扰能力比分离器件有了很人提高。同时, 由于现场可编程,可以方便地实现对图5倍频鉴相电路的重 新设计或修改。增强了系统的灵活性、通用性和可靠性。

设计在同一芯片上,一方面,芯片内部的门电路、触发器的 I

参数特性完全一致,能保证在相同转速下四倍频脉冲



信号的周期保持一致。另一方面,FPGA是板级芯片,电路做

在FPGA中设计鉴相电路一般有两种方法:

图5倍频鏊相电路

一种是两路输出:一路输出方向,一路输出脉冲:另一 种也是两路输出:一路输出正向脉冲,一路输出反向脉冲。 光电编码器一般都输出两个相位相差90。的脉冲信号A、B。 当编码器顺时针旋转时,A相超前于B相90。;逆时针旋转 时,A相滞后于B相90。。据此可进行方向判别与信号倍频 处理。当电机正转时,方向信号输出为l,可逆计数器对4 倍频后的脉冲进行加计数;当电机反转时,方向信号输出为 0,可逆计数器对4倍频后的脉冲迸行减计数。 具体推导公式如下:

一l厂]广]n厂]厂]n广
-厂]广]广]
Xout]几几几几几n几几几几几几八
Yout

厂]广]厂]广

CLK]几几几几n几几nnn几几几几几几几九几几几几几几几几几

..

几n几几几几几n几几八几几几

DZR广—————————一
OUT

1几几n几几兀几几几几几几几几几几几几几几n几几八几几几
图6倍频鉴相试验结果图

(2)定时器、计数器

%=(∥o掣)?叫o∥)o(∥o∥)】
(3一1)

定时器主要用了二转速采样时间的控制,本系统巾对电 机转速采样周期为2ms,PI闭环控制运算的参数也和采样周 期有关,当然采样周期也可以根据需要进行软件修改。 本系统采用了15位的计数器,加上一位最高位的方向 位,正好16位数据送入RAM存储器中,供DSPl6位数据
线一次读取。

匕=(∥o∥)?呀1 o掣)。(彰呀1)】
(3—2)

o U

T=x川-I-Y o。l(3--3)
=X。。f y。。f
(3—4)

3.2电流采样模块 电流采样的软件部分相对转速采样较为简单,只要对外

D IR=

部线性电流传感器IR2172传回的频率信号进行计数就可以

其中Xout,Your分别为最后~个与门的两个输入端,其输出 OUT,即实现了对A或者B脉冲的四倍频。DIR为通过RS 触发器后的输出,即方向输出。 对l路转速反馈进行倍频鉴相试验,得到的试验图如图 6所示,图中可以看出,本电路实现了较好的4倍频及鉴相
功能。

了,需要注意的地方是:IR2172产生的频率信号周期为一定 值25/zs,电流的大小是根据每个周期内高电平时间长短米 决定的,所以本模块利用40MHZ的全局时钟信号,对采样 回的高电平时间进行计数,低电平则停止计数,以此来得到 电流大小。凶此整个电流采样的周期也就为25 J£岱.
电流采样的流程如图7所示:

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利用FPGA实现足球机器人的信号采样和处理。极大的 提高了信号采集的精度和速度,为运动控制系统提供了较好 的采样数据,再加上DSP较快的运算速度,经过实际调试, 机器人小车实现了较好的运动控制,并且此套方案实际运片I 到全国Robocup足球机器人大赛中。 图7电流采样流程图 3.3与DSP接口模块 接口实现功能如图3所示. 其时序如下:转速和电流信号的处理后的数据分别通过 同步锁存器后以各自的采样周期往RAM存储器里更新数 据,另外当DSP想获取采样数据时发出读外部数据区指令, 根据相应的冗D信号和地址信号,FPGA自动将编址后的 lO路数据按需要提供给DSP,当DSP读数据期闻,为防止 读写冲突,所以RD信号有效时,同步锁存器被禁止,新 的数据暂时不往RAM里写,待读取结束后,同步锁存器再 重新有效,继续往RAM写采样数据。

参考文献:



叶东,周志炜,张飚,彭国茂.基于FPGA的多路光 电编码器数据采集系统[J].传感器与微系统,
2006。25(5):45-47.



肖金球,刘传洋,仲嘉霖.基于FPGA的高速实时数 据采集系统[J].电路与系统学报,2005,lO(6):
128—131.

嘲 Ⅲ

Cyclone

FPGA

Fami ly

Data

Sheet,

2007,

http:|}珊.altera.con.cn
王金明.Verilog曲L程序设计教程[M].北京:人民
邮电出版社,2004.

4结论

130

基于FPGA的足球机器人数据采集和处理系统
作者: 作者单位: 徐丽俊, 徐小勇 上海大学机自学院,上海,200072

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7329421.aspx


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