基于LabVIEW和FPGA的串口通信舵機(jī)控制系統(tǒng)

尚宇峰，柯顯信，盧孔筆

（上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072）

0 引言

在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)是仿人機(jī)器人常用的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一種伺服電機(jī)，可以通過PWM信號(hào)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并且能在指定角度保持，承受一定的外力矩[1,2]。傳統(tǒng)的PWM信號(hào)的產(chǎn)生是由模擬電路產(chǎn)生的，產(chǎn)生PWM的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈活性差。傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PWM控制系統(tǒng)的核心控制芯片仍然是采用單片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來產(chǎn)生不同的占空比，從而控制PWM信號(hào)的輸出。但是利用定時(shí)器的方法控制精度低，在一些精度要求較高的場合實(shí)現(xiàn)的效果就會(huì)不理想，并且單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力差。FPGA與MCU相對(duì)比，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢(shì)主要有速度快、系統(tǒng)資源豐富、應(yīng)用靈活等[3～5]。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的SOPC實(shí)現(xiàn)多路舵機(jī)的控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)4路PWM信號(hào)為例，可以根據(jù)不同的場合增加或減少PWM模塊，實(shí)現(xiàn)多路舵機(jī)的位置控制，通過軟件編程設(shè)計(jì)，可以改變舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，通過LabVIEW中的VISA控件實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與FPGA的串口通信，該系統(tǒng)操作簡單，靈活可靠。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)控制系統(tǒng)由應(yīng)用層、系統(tǒng)控制層、任務(wù)界面規(guī)劃層組成，如圖1所示。通過計(jì)算機(jī)發(fā)出指令到FPGA，由FPGA驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，完成機(jī)器人表情的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)控制層主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。

圖1 控制系統(tǒng)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

首先在SolidWorks環(huán)境下完成仿人機(jī)器人頭部機(jī)構(gòu)模型的建立，如圖2(a)所示。面部的各個(gè)機(jī)構(gòu)（眼、眼臉、下顎等）都是由舵機(jī)控制，控制幾個(gè)舵機(jī)同時(shí)運(yùn)動(dòng)到一定的位置，就能使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)一些基本表情。舵機(jī)分為數(shù)碼舵機(jī)和模擬舵機(jī)，數(shù)碼舵機(jī)的優(yōu)越性高于模擬舵機(jī)，價(jià)格也相對(duì)高點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的導(dǎo)線有三根，兩根電源線和一根控制線，如圖2(b)所示，這是一種數(shù)碼舵機(jī)，中間紅色的線與電源的正極相連，褐色的線與電源的負(fù)極相連，黃色的是控制信號(hào)線。舵機(jī)是一種伺服電機(jī)，舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms～2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0o～180o，呈線性變化。給定脈沖，就能控制舵機(jī)到達(dá)指定的位置。

圖2 機(jī)器人頭部機(jī)構(gòu)與舵機(jī)

硬件設(shè)計(jì)依據(jù)SOPC的設(shè)計(jì)，以IP核為基礎(chǔ)，在機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，重復(fù)使用已有的設(shè)計(jì)模塊，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能[6]。設(shè)計(jì)中采用的是Altera公司的Cyclone IV EP4CE15F17C8N核心板，此核心板集成了FPGA芯片、FLASH、SDRAM、EPCS、JTAG等基本芯片，提供了多達(dá)160個(gè)I/O口。首先利用SOPC Builder進(jìn)行硬件配置，添加一些基本模塊以及串口通信模塊，把PWM產(chǎn)生模塊定義為自定義模塊后加入系統(tǒng)，配置如圖4所示。系統(tǒng)中的所有外設(shè)都掛載到Avalon總線上，以便用戶設(shè)計(jì)。編譯后產(chǎn)生相應(yīng)的軟核，如圖3所示，將配置文件下載到開發(fā)板上，然后再將舵機(jī)連接到輸出PWM口開發(fā)板的引腳上[7,8]。

圖3 SOPC Builder中的硬件配置

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的編寫是在Nios II環(huán)境下完成的，Nios核是Altera公司開發(fā)的非第三方微處理器IP軟核，它只占芯片內(nèi)部很少的一部分邏輯單元，成本很低，采用Avalon總線結(jié)構(gòu)通信接口，根據(jù)需要構(gòu)成各種不同的系統(tǒng)[9]。軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的不同的占空比，并且能通過串口從上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳到下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信功能。

舵機(jī)的速度變化對(duì)機(jī)器人表情的實(shí)現(xiàn)起到至關(guān)重用的作用，控制舵機(jī)速度有兩種方法。一是改變舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這種方法在機(jī)器人表情的實(shí)現(xiàn)過程中是不實(shí)際的；另一種方法就是通過軟件程序的編寫來實(shí)現(xiàn)，即把需要轉(zhuǎn)過的角度θ分成n等份，在舵機(jī)每次轉(zhuǎn)過θ/n角度后添加一定的延時(shí)，這個(gè)延時(shí)人的肉眼無法察覺，這樣就能改變舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同表情之間的自然變化。程序流程如圖5所示。

圖4 軟核

圖5 程序流程圖

有時(shí)考慮到特殊的情況，也需要舵機(jī)的轉(zhuǎn)速能按照一定的特定規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，如按照正弦的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，在這樣的情況下，也是要通過軟件設(shè)計(jì)來完成的。按正弦曲線的速度來運(yùn)動(dòng)，可以算出每個(gè)時(shí)間間隔應(yīng)該走過的角度，然后在程序中對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)就可以了。

2 仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 仿真測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行仿真，設(shè)置clk 50MHz，PWM信號(hào)周期為20ms，4路信號(hào)的占空比分別設(shè)為2.5%、7.5%、10%和12.5%,得到的仿真結(jié)果如圖6所示，符合預(yù)期功能設(shè)計(jì)。

圖6 四路PWM信號(hào)

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過示波器對(duì)FPGA開發(fā)板的占空比為10%的輸出口進(jìn)行測(cè)試，波形如圖7所示，波形與仿真結(jié)果相同，連接上舵機(jī)，能使得舵機(jī)轉(zhuǎn)到指定的角度。采用角度插值的方法，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的速度調(diào)節(jié)。

圖7 實(shí)驗(yàn)波形

3 LabVIEW的串口通信

LabVIEW通過VISA與串行接口儀器通信。VISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口，它本身并不具有儀器編程能力，而是為用戶提供了一套獨(dú)立的可方便調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)I/O底層函數(shù)[10,11]。VISA串口通信函數(shù)調(diào)用的順序依次是VISA配置串口、VISA寫入、VISA讀取和VISA關(guān)閉[12]。為了使機(jī)器人產(chǎn)生不同的表情，添加了條件結(jié)構(gòu)語句，每種條件語句在FPGA中都有程序與之對(duì)應(yīng)，都會(huì)使FPGA驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的舵機(jī)，本文只嵌套了4次，用來實(shí)現(xiàn)4種表情，如果需要實(shí)現(xiàn)更多的表情，只需要增加條件語句即可，程序框圖和通信界面分別如圖8和圖9所示。通信界面的設(shè)計(jì)使得操作簡單易懂，根據(jù)要求設(shè)置串口的參數(shù)，單擊不同的按鈕就能控制相應(yīng)的舵機(jī)，使得機(jī)器人實(shí)現(xiàn)不同的表情。

圖8 程序框圖

圖9 通信界面圖

4 結(jié)束語

本文提出一種基于LabVIEW和FPGA的串口通信舵機(jī)控制系統(tǒng)，通過LabVIEW中的VISA控件實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與FPGA的串口通信，該系統(tǒng)化可以根據(jù)實(shí)際情況靈活的增加PWM模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便靈活，可靠性高，通過對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，能夠產(chǎn)生PWM信號(hào)，通過軟件編程可以方便的改變PWM的占空比，控制舵機(jī)到達(dá)指定的位置，同時(shí)采用角度插值與時(shí)間延遲的方法，可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)速度的調(diào)節(jié)，如果算出每個(gè)時(shí)間間隔應(yīng)該走過的角度，還能使舵機(jī)實(shí)現(xiàn)如正弦等特殊曲線的運(yùn)動(dòng)。最終在舵機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證，舵機(jī)可以工作平穩(wěn)無顫振，從而達(dá)到了比單片機(jī)控制更好的效果，為以后仿人機(jī)器人表情的實(shí)現(xiàn)提供了重要的依據(jù)，使用FPGA作為控制板，有利于以后的研究人員對(duì)仿人機(jī)器人視覺和語音等方面做更深入的研究，完善機(jī)器人與人之間的多方面交互功能。

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