基于ARM和FPGA的服务机器人运动控制系统研究
王赛赛，陈万米，桂春胜
【摘 要】介绍了一种基于ARM和FPGA的嵌入式控制系统，该系统既能独立运行又能在计算机辅助下运行，是一种兼具柔性和开放性的系统。利用ARM的强大的数据流转换功能和FPGA的快速配置能力，实现硬件可重构。给出了系统的总体结构、ARM和FPGA之间的通信设计，重点给出了基于Nios II的嵌入式可重构底层控制设计，PWM功能模块在FPGA上的实现。设计的系统集成度高、灵活。实验表明系统具有高可靠性，能满足服务机器人外围器件多样性控制的要求。ARM和FPGA不仅可以并行运行处理数据，其之间又可以互相通信，实现了系统的扩展应用。 【期刊名称】计算机技术与发展 【年(卷),期】2011(021)011 【总页数】4
【关键词】服务机器人;运动控制系统;ARM;FPGA
0 引言
服务机器人是机器人研究领域最为重要的一项内容，是当前科技活动最为活跃的领域之一。服务机器人技术含量高，它集成自动控制、人工智能、机械工程、电力电子技术、传感器技术、包装工程以及计算机科学等多门学科的知识[1]。服务机器人的研究多数是采用计算机连接微控制器的方式，采用这样的方式有其自身的优点和缺点。这样的方式可以节约开发的周期，计算机能够处理大量数据，但是这样的方式集成度不高，浪费了大量的资源，而且计算机功耗大，对于独立运行的机器人来说是一项很大的限制。目前研究的趋势是采用嵌入式
系统，文中设计一种既可以独立运行，又可以受计算机控制的兼具柔性和开放性的控制系统[2，3]。
首先，文中所设计系统中的计算机在开发调试中应用，在应用系统时，可以脱离计算机，但可以通过远程设备使计算机作为监控系统。文中设计的系统采用ARM+FPGA的控制结构方式，这种结构控制器既具有ARM微控制器拥有的高速处理器内核、体积小、集成度高、资源丰富、高速数据处理能力、功耗低等特点，而且具有FPGA快速可重构的配置能力和强大的并行运算能力[4]。在ARM 嵌入式系统中实现决策，完成图像处理、语音识别、路径规划等任务，在FPGA中嵌入控制内核，基于NiosII实现运动电机的算法控制。并且基于ARM丰富的外围接口，可以设计友好的人机接口[5]。
1 系统总体结构设计
文中设计的系统采用Alter公司的FPGA芯片EP2C20Q2408和三星公司的ARM芯片S3C2440A作为整个控制系统核心控制芯片。EP2C20Q2408具有丰富的逻辑模块资源和I/O接口，S3C2440A支持32位ARM指令和16位Thumb指令，带有MMU(Memory Management Unit)，具有丰富的外围接口能够实现多种方式的通信和互联。
如图1所示系统中S3C2440A主要实现系统决策及图像、语音等信号的采集和处理，在ARM中嵌入linux系统，可以最大限度地利用linux的开放资源实现系统更新。
FPGA主要实现电机控制，包括速度检测、产生驱动信号、速度的闭环控制以及多传感器信号的读取和处理等;FPGA可以进行快速配置，这为系统的扩张提供了广阔的空间。文中设计的系统综合ARM和FPGA的优点，系统设计功能
分明、结构紧凑、控制时序容易。此外，设计了一个计算机辅助系统，不仅通过计算机实现对ARM和FPGA的快速调试，而且可以实现对系统的实时监测。
2 FPGA和ARM接口电路实现
基于FPGA和ARM的嵌入式系统设计具有高可靠性、可扩展性等优点。FPGA和ARM之间健康的通信是系统稳定运行的保证，是系统硬件设计的一个关键，为了实现系统的整体性能，必须为ARM和FPGA设计合适接口。
在图1中可以看到ARM和FPGA的连接形式，它们以读写总线的方式完成通信，该总线包括片选信号、使能信号、中断信号、读写信号、地址信号线和数据信号线[6]。ARM通过特定的地址访问FPGA，并且通过复位信号，实现共同初始化。对于不同的事件通过设置中断优先级顺序，实现嵌入式系统对于特定事件的及时处理。
3 基于FPGA的可重构系统实现
服务机器人运动控制主要在FPGA中实现，其核心部分主要是实现电机的控制，同时对一些传感器信息检测与分析，辅助嵌入式决策系统进行信息的处理。图2所示为FPGA的内部控制结构图，主要包括:处理器单元、存储单元、通信接口数据处理单元、信息检测单元和电机驱动信号单元等。在可重构设计时采用了Nios II嵌入式软核，在SOPC builder中通过创建PWM信号IP核，以产生控制电机运行的PWM信号，通过改进型的PID算法实现电机的速度控制。 3.1 电机运行控制在FPGA上的实现
电机的控制主要是对电机进行测速，然后反馈给嵌入式决策系统，决策系统根据外界要求完成速度的给定，然后通过PWM信号完成调速控制，考虑到机器人运行过程会出现误差，采用PID算法对电机速度进行整定，又考虑到机器人
基于ARM和FPGA的服务机器人运动控制系统研究
