基于SOPC的开放式工业机器人控制器研究

摘要

随着机器人应用范围的扩大，机器人的复杂程度和智能程度也越来越高。为了使机器人能够适应各种复杂的应用环境，必须要研制柔性化、智能化、网络化的开放性机器人控制器。因此，机器人控制器的研究对提高机器人性能和自主能力、推动机器人技术的发展具有重大的意义。计算机技术与微电子技术的迅速发展，特别是可编程片上系统SOPC的出现，为机器人控制器的实现提供了新的途径。本文在研究分析国内外机器人控制器发展现状的基础上，提出了基于SOPC的开放式机器人控制器的整体实现方案。 SOPC是PLD (Programmable Logic Device，即可编程逻辑器件)和ASIC　( Application Specific Integrated Circuits，即专用集成电路)技术融合的结果，它集成了硬核尤其是软核CPU、DSP、存储器、外围1/O及可编程逻辑等器件，在应用的灵活性和价格上都有极大的优势。结合 SOPC系统的强大功能，利用SOPC系统的可裁剪性、可移植性、强大而丰富的IP功能库、良好的模块化设计等，可以实现结构更开放和性能更高的控制器。 本文首先利用集成了 Nios II软核处理器的Cyclone II 高密度 FPGA 的可编程片上系统，根据模块化的设计思想，利用可编程片上系统的概念和开发工具进行了一定程度的配置，搭建了机器人控制器的硬件平台，并将 μC/OS-II 实时操作系统移植到Nios II 软核处理器上，实现了一个基于SOPC的机器人控制器的开发平台。然后将传统的 IPC+DSP 或 IPC+单片机等的两级结构映射到 SOPC中，用Nios II软核处理器代替上位机功能，用嵌入式运动控制器IP核替代单片机或DSP，最终实现了一个完整的基于SOPC的开放性机器人控制器，并利用ModelSim、Quartus II和SignalTap II系统进行了分析、测试和实验验证。 最后，本文结合研究过程中的实践，对SOPC设计过程中的时钟、竞争冒险和信号传输路径等关键技术进行了研究，为今后研制更加先进的基于SOPC的开放性机器人控制器积累经验。