足球机器人控制系统的设计与实现
第9卷第3期2010年9月
宁夏工程技术Ningxia Engineering Technology Vol．9No．3Sep ．2010
文章编号：（2010）1671－724403－0220－03
足球机器人控制系统的设计与实现
李小光，曲振峰
（洛阳理工学院电气工程与自动化系，河南洛阳
471003）
摘要：针对足球机器人控制系统存在智能性不高以及性能扩展局限性的问题，设计利用ARM9处理器、运动控制芯片LM629以及功率放大芯片L298构建足球机器人的控制系统. 该控制系统简化了整个机器人系统的软硬件设计，提供了高性能、高精确的系统控制，减轻了设计的工作量，并使系统反应快、伺服刚性大. 真实环境中的实验及比赛结果证明，该控制系统具有比较高的精度和稳定性，以及较好的实时性，系统设计合理、可行. 关键词：足球机器人；控制系统；ARM ；LM629；L298中图分类号：TP242
文献标志码：A
足球机器人控制系统作为其执行结构，其性能的好坏在很大程度上决定了比赛的胜负[1]，它直接影响到整个机器人运动的精度、灵活性乃至整个系统的可靠性. 目前国内外设计的足球机器人往往因为智能性不高，不能很好的满足机器人控制系统的需要，故开发一种高性能的足球机器人控制系统已成为足球机器人爱好者的迫切愿望.
NAND FLASH SDRAM 电源/复位外部晶振
传感器
S3C2440
视频采集无线通信模块串口通信驱动控制系统
1整体设计方案
基于AR M9和专用的集成运动控制芯片LM629[2]以及功率放大芯片L298，设计了全新的足球机器人控制系统. 全新的设计方案采用ARM920T 内核设计的S3C2440芯片作为主控芯片[3]，CPU 频率可达400MHz ，电机伺服控制器采用LM629，功率放大采用L298，又安装有红外、压力传感器；此外可扩展无线通信模块和视频采集模块，其整体设计方案如图1所示. 该控制系统采用S3C2440芯片，提高了其自主行为和决断自主权，使足球机器人能够根据场上的形势做出更合理、更快的反应. 该系统采用LM629构成电机伺服控制器. 这种全新的电机伺服控制器具有较高的速度控制精度，动态品质优良，从而提高了系统的运行速度和可靠性.
图1底层控制系统的整体设计方案
应用方案提供的小尺寸微处理器. S3C2440采用ARM920T 内核，标准0.13μm COMS 封装，内置内存编译器，它的低耗电量、精简、高雅和全静态设计特别适用于低廉、功耗敏感的应用设备. 2.2电机伺服控制器
该设计采用National Semiconductor 公司生产的智能化专业控制芯片LM629[4]构成电机伺服控制系统[5]的位置闭环.LM629作为伺服控制调节器，除接受ARM9的指令集位置、速度、加速度、3个运动参数和滤波器PID 的参数KP 、KI 、KD 外，同时LM629对输出信号进行处理，获得位置信号，经数字PID 运算后输出PWM 和反向控制信号，将其送给直流电动机驱动芯片.
控制芯片LM629的连线很简单，它的数据总线与S3C2440芯片进行通信，输入运动参数和控制参数，输出状态信息，PWM 的输出信号直接连接到H 桥驱动器L298上. 直流电机的反馈采用增量式编码器，编码器的A ，B 两相正交信号经LM629内部电
2硬件设计
2.1
主处理器
主处理器选用三星公司生产的S3C2440微处
理器. 该产品是为手持设备和常用的低功耗、高性能
收稿日期：2010－06－09
基金项目：河南省科技厅科学技术成果基金资助项目（9412007Y0506）作者简介：李小光（1983—），男，硕士研究生，助教，主要从事信号与信息处理等方面的教学与科研工作.
第3期李小光等：足球机器人控制系统的设计与实现
启动电源关看门狗关闭中断初始化时钟
从nandflash 到sdram
设定串口跳到main()函数开始运行任务
221
路完成4倍频，C 相信号是电机每转一圈产生的脉冲信号，用于电机的精确回零.
2.3功率放大器
该设计方案采用了ST 微电子小组生产的L298芯片[6]. 该芯片采用双H 桥驱动器，H 桥可承受最高电压为46V 电源电压，相位电流可达2.5A ，可驱动感性负载，支持最大PWM 频率为50kHz ，逻辑供电为5V ，功放级电压为5～46V 电压. 下管的发射级单独引出，以便接入电阻，形成传感器信号. 2.4时钟电路设计
根据S3C2440的最高工作频率，在设计中采用外部时钟源，时钟频率为12MHz ，通过内置分频器，可将CPU 频率提高到400MHz. S3C2440处理器时钟频率为FCLK. 此外，其内部总线AHB 和APB 的时钟频率分别为HCLK 和PCLK. S3C2440片内的PLL 电路兼有频率放大和信号提纯的功能. 因此，该系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声. 2.5复位电路设计
由于ARM 高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，这是对数字电路极限的挑战，对电源的纹瞬态响应性能、时钟源的稳定度、电源监控可靠波、
性等诸多方面也提出了更高的要求. 该设计方案采用74HC14进行驱动的RESET 、nRESET 可由上位机复位，进行JTAG 调试. 复位电路设计如图2所示.
3.33.2
图3初始化流程图
关闭中断
在该系统进入正常工作以前要关闭中断. 中断
屏蔽寄存器MASK 和SUSMASK 的寄存器地址分别为INTMASK =0x4A0000008和INTSUBMASK =0x4A00001C. 将寄存器各个位置“1”，屏蔽中断，其程序如下.
@disableall interrupts mov r1, #INTMASKmov r2, #0xffffffffstr r2, [r1]mov r1, #INTSUBMASKldr r2, =0x7ff
str r2, [r1]
时钟的初始化
外部提供的12MHz 晶振，经分频可高达
400MHz ，以供外围设备使用. S3C2440内部时钟逻辑控制可提供CPU 的FCLK 时钟、内部总线AHP 和APB 的HCLK 与PCLK 时钟. 因此，在外围设备正常工作以前，必须先初始化好所需的时钟.
状态检测3.4“忙”
“忙”状态的检测是软件设计的重要部分，贯穿
“忙”状态位位于状态字节的最于整个程序设计中，
低位，在ARM9向LM629写命令或读写数据字节后，“忙”状态位会立刻被置位，此时，会忽略一切命令或数据传输，纸质信息被接受，“忙”状态位会复位，所以在每次写命令或读写数据前必须检测此状态位.
3软件设计
该系统软件主要包括主程序模块和中断服务子程序模块[7]. 主程序模块完成系统的初始化和中断的设置，中断服务程序是软件的主体，完成系统的控制功能.
3.1初始化程序设计
为了使足球机器人进入良好的工作状态并运行，完备的初始化程序是各个任务进行的保障. 该初始化流程图如图3所示.
VDD33V 1
2
VDD33V 14
D1
Diode 1N41481
RST
7
SW -PB
U1A
4
74HC14
4系统测试及结果分析
在系统测试中，设计了2个标志来观察机器人
VDD33V 1417U1C
274HC14
nRESET RESET
VDD33V 14
U1B
6
74HC147
R 110k C110μF
TP2COM 1
35
GND
图2复位电路设计
222
宁夏工程技术第9卷
运行的平稳性（带有旗标的刚性钢丝）和速度调控的平稳性（带有橡皮的刚性钢丝）. 小车运动时，如果旗标摆动小，可知运动平稳. 如果小车在检测到目标并靠近然后停止时，橡皮标志前后摆动小，可知机器人对于速度的控制较为平稳.
机器人在最大功率运行过程中，由图4旗标抖动情况来看，运行较平稳，没有发现偏差现象. 在机器人从搜索到目标，到接近目标时，橡皮标志始终保持一种较小且平稳的摆动，由此可见，机器人速度控
定位精确. 机器人定位目标如图5所示. 制准、
表1普通足球机器人VS ARM9机器人
机器人性能处理器位数工作频率/MHzI/O接口个数/个扩展无线通信扩展视频采集胜任多任务嵌入操作系统胜任复杂算法多线程编程含有驱动反馈电路
运行稳定定位目标
普通足球机器人
8位2033可扩展不可扩展不能无不能不能不含摆动较大粗糙
ARM9的机器人
32位400130可扩展
可扩展、带有camre 接口
能有能能含摆动较小细腻
颈问题；具有较高的速度控制精度，动态品质优良；
还可方便的进行功能的扩展. 通过实验表明，该系统具有比较高的精度和稳定性，为研究全自主式足球机器人奠定了基础. 参考文献：
图4
机器人平稳运动
图5机器人定位目标
[1][2][3][4][5][6][7]
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56.
经过真实环境中的实验及比赛，其整体性能与
普通足球机器人的比较结果如表1所示. 由表1可知，采用ARM9的机器人控制系统处理后速度得到提高，控制实时性较好，运行稳定、定为精确，并且智能性有了很好的提高，同时较好的解决了性能的扩展局限性问题.
5结语
本文采用S3C2440芯片、LM629的电机伺服控制器、基于L298的功率放大模块设计了足球机器人控制系统. 该设计方案解决了复杂运算算法的瓶
Design and implementation of soccer robot control system
LI Xiaoguang ，QU Zhenfeng
（Luoyang Institute of Science and Technology ，Luoyang
471003, China ）
Abstract:Aiming at the problem that the intelligence is not high and the limit of the expandability of the soccer robot control system, the soccer robot control system have been redesigned based on ARM9and motion -controller LM629and power amplifier L298. And it simplifies the design of the hardware and software and makes the system with high performance and high accuracy. And also, it reduces the workload of design, makes system responding quickly and strengthens the servo rigidity. The experiments in reality environment and results in actual competitions proves that the robot control system has a high accuracy, stability and high real -time performance, the design of the system is feasible and rational. Key words:soccer robot ；control system ；ARM ；LM629；L298
（责任编辑、校对韩小珍）