基于嵌入式系統(tǒng)的AGV車載控制器設(shè)計※

張艷珍，夏繼強(qiáng)，滿慶豐，劉貝，史偉偉

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100191）

引 言

AGV系統(tǒng)是當(dāng)今柔性制造系統(tǒng)（FMS）和自動化倉儲系統(tǒng)中物流運輸?shù)闹饕侄巍GV具有適應(yīng)性好、柔性程度高、可靠性好、可實現(xiàn)生產(chǎn)和搬運功能的集成化和自動化等優(yōu)點[1]。AGV車載控制器是AGV控制系統(tǒng)的核心，其性能和可靠性直接影響AGV產(chǎn)品的性能和可靠性。

對于國內(nèi)應(yīng)用的AGV來說，大多采用基于單片機(jī)[2-5]、可編 程 控 制 器 （PLC）[6-9]、嵌 入 式 工 控 機(jī)[10-12]等 方案。采用PLC作為控制器系統(tǒng)存在擴(kuò)展不便、功能簡單、難以實現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)度算法等問題[3]；而采用工業(yè)計算機(jī)控制方案則存在成本過高、系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳等不足，而且由于AGV的不斷振動等原因?qū)е掠脖P讀取數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，造成整個AGV系統(tǒng)的宕機(jī)[13]。針對以上問題，本文設(shè)計的AGV車載控制器基于嵌入式系統(tǒng)，該車載控制器功能齊全、具有擴(kuò)展方便、配置靈活的特點。

1 車載控制器總體設(shè)計

車載控制器開發(fā)中采用雙CPU主從結(jié)構(gòu)，基于ARM11（S3C6410）的開發(fā)板平臺作為主控板，基于STM32的擴(kuò)展板作為底層驅(qū)動板。主控板負(fù)責(zé)復(fù)雜的邏輯運算、網(wǎng)絡(luò)通信和人機(jī)交互；底層驅(qū)動板板負(fù)責(zé)外圍設(shè)備驅(qū)動，包括數(shù)字量的輸入/輸出、驅(qū)動電機(jī)控制、RFID讀卡器數(shù)據(jù)采集和磁導(dǎo)航傳感器信號的測量等功能。主控板通過與上位機(jī)調(diào)度系統(tǒng)的無線通信確定需要完成的規(guī)定動作，并分解成各底層驅(qū)動板需要的執(zhí)行的功能，然后通過串口下發(fā)給各底層驅(qū)動板運動控制指令，底層驅(qū)動板完成相應(yīng)的動作并反饋自身狀態(tài)，并在上位機(jī)上顯示。車載控制器通用功能框圖見圖1。

車載控制器的STM32底層驅(qū)動板通過磁導(dǎo)航傳感器采集磁條信息，并對采集的信號進(jìn)行處理，然后通過DAC模塊（控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小）、繼電器輸出DO模塊（控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)）控制驅(qū)動電機(jī)，高速計數(shù)器模塊（電機(jī)脈沖采集）實現(xiàn)AGV的行走和轉(zhuǎn)向；并將自動/手動、急停、磁導(dǎo)航傳感器的門位信號、AGV行走的速度等數(shù)據(jù)信息通過串口通信發(fā)送至主控板，并在觸摸屏上顯示；同時，通過無線通信將上述數(shù)據(jù)信息發(fā)送至上位機(jī)，實現(xiàn)上位機(jī)對AGV狀態(tài)的監(jiān)測。另一方面，上位機(jī)可將自動/手動及行走/轉(zhuǎn)向（前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)）指令發(fā)送至控制器，實現(xiàn)對AGV的遠(yuǎn)程控制。

圖1 車載控制器通用功能框圖

2 車載控制器硬件設(shè)計

根據(jù)功能要求，AGV車載控制器主要有以下模塊：觸摸屏顯示模塊、無線通信模塊、CAN總線通信模塊、串口通信模塊、電源管理模塊、ADC模塊、DAC模塊、計數(shù)器模塊、DI/DO模塊。其中，觸摸屏顯示模塊、無線通信模塊在主控板上，其余模塊在底層驅(qū)動板上。另外，主控板與底層驅(qū)動板之間采用串口通信或者CAN總線通信。

車載控制器硬件分為兩部分：①S3C6410主控板設(shè)計，帶有無線模塊以及觸摸屏顯示；②STM32底層驅(qū)動板設(shè)計，帶有外設(shè)接口，用于外圍設(shè)備信號的輸入/輸出。

2.1 S3C6410主控板設(shè)計

車載控制器的主控板處理器采用Samsung公司的ARM處理器S3C6410。該微處理器采用ARM1176JZF-S內(nèi)核，其穩(wěn)定主頻為533 MHz，最高主頻可達(dá)667 MHz，具有低成本、低功耗、高性能的特點。S3C6410具有雙總線架構(gòu)，一路用于內(nèi)存總線，另一路用于Flash總線DDR內(nèi)存控制器；支持Nor Flash和Nand Flash兩種Flash；支持多種啟動方式：主要包括SD、Nand Flash、Nor Flash等設(shè)備啟動；集成了許多外設(shè)接口，如TFT-24位真彩色LCD控制器、電源系統(tǒng)管理、4通道 UART、32通道DMA、4通道定時器、通用I/O端口、I2S/I2C總線接口、USB Host、USB OTG（480 Mbps）、3通道SD/MMC Host控制器及時鐘生成PLL等。

為加快進(jìn)度，主控板采用已有的核心板進(jìn)行開發(fā)。該核心板為飛凌嵌入式公司生產(chǎn)，集成S3C6410處理器、256 MB SDRAM以及4 GB Nand Flash、2 MB Nor Flash并帶有JTAG接口，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)可大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)風(fēng)險。該主控板上主要實現(xiàn)無線通信功能以及觸摸屏顯示功能。

2.2 STM32底層驅(qū)動板設(shè)計

車載控制器的底層驅(qū)動板處理器系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體推出的STM32F103，是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM芯片系列，片內(nèi)Flash為512 KB，片內(nèi)SRAM為64 KB，主頻72 MHz，具備26位地址線和16位數(shù)據(jù)寬度。內(nèi)部ADC模塊是12位逐次逼近型，有16通道，采樣率最高1 Msps。2路DAC，11個Timer，5路USART，I/O端口資源豐富，可滿足多個數(shù)字量輸入/輸出的需求，并具有CAN總線接口和RS232接口。

車載控制器主要功能接口圖略——編者注。

2.2.1 電源管理模塊

AGV采用多級電池串聯(lián)供電，在運行過程中，隨著電量的減少，電壓也會發(fā)生變化，并且為適應(yīng)一系列車型供電電壓的不同，需要儀表能夠承受較寬的輸入電壓范圍。為滿足車載控制器上不同芯片的供電需求，采用寬輸入電壓DC/DC模塊，將變化范圍在18～36 V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為合適的輸出電壓。另外，在STM32底層驅(qū)動板上設(shè)計了為S3C6410主控板供電的電源模塊，輸出電壓為5 V。

2.2.2 CAN總線通信模塊

CAN總線部分包括CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器，STM32內(nèi)部集成了CAN總線控制器，選用通用CAN總線收發(fā)器芯片，將芯片的3.3 V邏輯信號轉(zhuǎn)換成CAN總線的差分電壓信號。

2.2.3 數(shù)字量輸入/輸出模塊

輸入高電平為24 V的電壓信號，通過分壓電阻將電壓降至芯片允許的電壓范圍內(nèi)，數(shù)字量輸入模塊采用光耦電路進(jìn)行隔離，從輸入端輸入，經(jīng)過光耦輸出至STM32的GPIO口，實現(xiàn)對STM32的電氣隔離和保護(hù)。數(shù)字量輸出模塊主要控制信號的隔離輸出，STM32的控制信號通過控制繼電器的開和關(guān)，從而控制外部電平的高低。

2.2.4 高速計數(shù)器模塊

高速計數(shù)器模塊主要用來采集電機(jī)編碼器的脈沖輸出，為A/B/Z三通道計數(shù)器。編碼器脈沖經(jīng)過高速光電隔離并反向后與STM32的Timer通道相連。設(shè)計中分別使用了STM32中Timer2和Timer3的第一、第二通道。

3 車載控制器軟件設(shè)計

車載控制器軟件分為上位機(jī)（PC機(jī)）軟件和下位機(jī)（車載控制器）軟件。上位機(jī)軟件的主要功能是通過無線通信模塊向車載控制器發(fā)送AGV的運行任務(wù)，以及接收AGV車載控制器發(fā)送回來的AGV當(dāng)前工作狀態(tài)。下位機(jī)軟件的主要功能是接收PC機(jī)下達(dá)的運行命令，通過STM32底層驅(qū)動板對AGV的運動進(jìn)行控制，并且向PC機(jī)發(fā)送AGV當(dāng)前的工作狀態(tài)；同時在S3C6410主控板的觸摸屏上顯示AGV的狀態(tài)信息。

整個系統(tǒng)的軟件功能框圖如圖2所示。

車載控制器軟件設(shè)計包括以下幾個模塊：①STM32底層驅(qū)動板的功能模塊；②S3C6410主控板的通信和顯示模塊；③上位機(jī)（PC機(jī)）的無線通信及遠(yuǎn)程控制模塊。

圖2 車載控制器軟件功能框圖

3.1 STM32底層功能模塊

底層功能模塊主要有磁導(dǎo)航傳感器信息的采集和處理、驅(qū)動電機(jī)的控制、射頻讀卡器（RFID）數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3.1.1 磁導(dǎo)航模塊

磁導(dǎo)航模塊通過磁導(dǎo)航傳感器采集磁條路徑的信息，輸入到STM32的ADC模塊，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，將處理后的數(shù)據(jù)用于電機(jī)速度控制的判斷依據(jù)。磁導(dǎo)航傳感器的輸出是電壓信號，電壓范圍為0～10 V，通過STM32的ADC模塊采集和處理。

本設(shè)計中，通過ADC模塊進(jìn)行A/D采樣，采樣時間是可編程的，將ADC配置為工作在掃描模式，對2個通道進(jìn)行采樣，并且轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由DMA傳輸。其中ADC正常采樣2個通道，由DMA進(jìn)行傳輸，一次傳輸16個數(shù)據(jù)，即每個通道各8個數(shù)據(jù)。每當(dāng)一次DMA過程結(jié)束后，觸發(fā)DMA完成中斷，調(diào)用濾波函數(shù)將濾波后的數(shù)據(jù)存入指定數(shù)組中。濾波函數(shù)采用算術(shù)平均濾波法，即對每個通道采集的8個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運算。濾波計算公式如式（1）所示：

其中，yi表示第i個通道濾波后的數(shù)據(jù)，yij表示第i個通道采集的第j個數(shù)據(jù)。第一個通道采集的值為磁導(dǎo)航傳感器的電壓輸出：

計算得到磁導(dǎo)航傳感器輸出電壓對應(yīng)的數(shù)字量，根據(jù)磁導(dǎo)航傳感器偏離磁條中心的距離與輸出電壓成正比例關(guān)系可得到，AGV相對于磁條中心線的偏移距離。計算公式如下：

式中，x表示磁導(dǎo)航傳感器輸出電壓對應(yīng)的偏移距離。

計算得到AGV相對于磁條中心線的偏移距離，該偏移距離作為驅(qū)動電機(jī)控制模塊的輸入對電機(jī)進(jìn)行差速控制。

3.1.2 驅(qū)動電機(jī)的控制

驅(qū)動電機(jī)的控制包括轉(zhuǎn)速大小的控制、正反轉(zhuǎn)的控制以及輸出脈沖信號的采集。轉(zhuǎn)速大小主要是采用DAC模塊輸出電壓的大小進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)速大小與電壓大小成正比例關(guān)系；正反轉(zhuǎn)通過DO模塊的電平高低來實現(xiàn)；輸出脈沖信號采用高速計數(shù)器模塊進(jìn)行采集。

（1）轉(zhuǎn)速大小的控制

轉(zhuǎn)速大小與電壓的關(guān)系：

數(shù)字量和模擬量電壓之間的關(guān)系：

由此可得要獲得需要的轉(zhuǎn)速，只需控制STM32 DAC模塊輸入相應(yīng)的數(shù)字量即可。電機(jī)的輸出通過減速裝置輸出至AGV車輪，從而控制AGV行走。

AGV行走速度v與電機(jī)轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系：

式中，n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速大?。▎挝粸閞/min）；U為DAC模塊輸出的電壓大?。▎挝粸閂）；v為AGV的理論行走速度（單位為mm/s）；i為電機(jī)的減速比。

（2）輸出脈沖信號的采集

驅(qū)動電機(jī)的輸出脈沖為PWM信號，采用高速計數(shù)器模塊對其進(jìn)行采集，設(shè)計中使用了STM32的Timer2和Timer3的第一、第二通道，將Timer設(shè)置為PWM輸入模式。通過得到PWM信號的高電平的時間來計算驅(qū)動電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，進(jìn)而計算得出AGV實際行走的速度。計算如下：

由式（8）、（9）可得速度v與脈沖高電平時間tp的關(guān)系：

式中，n實際為驅(qū)動電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速（單位為r/min）；tp為PWM信號高電平的時間（單位為μs）；v實際為AGV的實際行走速度（單位為mm/s）；D為驅(qū)動輪的直徑；i為電機(jī)的減速比。

3.1.3 射頻讀卡器數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

射頻讀卡器的主要功能是通過讀取RFID標(biāo)簽里的數(shù)據(jù)來確定AGV的位置，以實現(xiàn)AGV在對應(yīng)位置上的加速或減速，使AGV在通過直線時速度較快，而通過圓弧曲線時速度較慢，保證AGV在整個路徑上的順利運行。事先在RFID標(biāo)簽里寫入相對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，測試中用到的信息為字符1、2、3、4，其中在1、3位置處減速，2、4位置處加速。

射頻讀卡器與STM32底層驅(qū)動板的通信接口為USART串口，首先進(jìn)行串口的初始化，其波特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，無奇偶校驗位和流量控制，并開啟串口接收中斷。通過串口發(fā)送讀使能指令使能射頻讀卡器讀取功能，當(dāng)射頻讀卡器檢測到RFID標(biāo)簽時，觸發(fā)串口中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和判斷，來確定AGV在對應(yīng)位置處的加速或減速。

3.2 S3C6410主控板的通信和顯示模塊

S3C6410主控板的通信包括與STM32底層驅(qū)動板的串口或者CAN總線通信（試驗中為串口通信），以及與上位機(jī)PC之間的無線通信。

S3C6410主控板的觸摸屏顯示界面主要用于顯示AGV的速度、路線狀態(tài)、急停、自動/手動模式等信息。一方面通過串口通信接收來自STM32底層驅(qū)動板的信息，另一方面通過無線通信接收來自PC機(jī)的信息，同時將接收的信息在界面上顯示。該界面的設(shè)計基于WinCE操作系統(tǒng)。

車載控制器觸摸屏顯示界面略——編者注。

3.3 上位機(jī)的無線通信及遠(yuǎn)程控制

為滿足車載控制器遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，通過車載控制器的無線模塊實現(xiàn)上位機(jī)對車載控制器的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測，車載控制器的數(shù)據(jù)信息通過無線模塊發(fā)送到監(jiān)控上位機(jī)，并將上位機(jī)的相應(yīng)指令發(fā)送到控制器，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

上位機(jī)界面主要是遠(yuǎn)程控制以及實時監(jiān)控功能，通過上位機(jī)界面可以遠(yuǎn)程控制AGV的行走狀態(tài)，并且可以實時顯示AGV的速度和相應(yīng)的故障/異常狀態(tài)。

上位機(jī)遠(yuǎn)程控制界面和車載控制器軟件控制流程略——編者注。

為了驗證設(shè)計的硬件系統(tǒng)、軟件功能和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行了相關(guān)的試驗。相關(guān)內(nèi)容略——編者注。

結(jié) 語

本文設(shè)計的AGV車載控制器。主控板采用S3C6410芯片，實現(xiàn)了車載控制器與上位機(jī)的通信以及對AGV沿預(yù)設(shè)路徑行走的控制；底層驅(qū)動板采用STM32F103芯片，實現(xiàn)了外設(shè)導(dǎo)航傳感器信息的采集、RFID數(shù)據(jù)的讀取、驅(qū)動電機(jī)的控制?，F(xiàn)場測試運行狀態(tài)良好，滿足要求，具有可行性和較好的實用性。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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