一種新型的移動機器人主控板設計

曾艷 王震生 王康 張雨新 常燕臣 董詩繪

摘要：

為了提升移動機器人的工作效率，本文設計開發了一種應用于移動機器人運動控制的主控板，該主控板主要包括STM32處理器、MPU-6000板載運動處理組件、SBUS及PPM接收、TYPE-C通信、仿真、RS-485通信、電機驅動、FLASH及SRAM、供電、按鍵和顯示幾個模塊。各模塊分別與STM32處理器連接，驅動各個模塊完成對智能移動機器人的有效控制。該主控板提供了豐富的專業外設接口，與傳統主控板相比，具有功能豐富、速度快、功耗小、體積大的優點。

關鍵詞：

STM32;移動機器人;主控板

中圖分類號：

TP242;TJ02

文獻標識碼：

A

文章編號：

1672-9129（2020）15-0054-02

1引言

隨著機器人行業的發展，智能移動機器人如智能倉庫機器人、大堂服務移動機器人等在工業和生活中得到了普遍應用[1-2]。作為智能移動機器人的主要控制設備，主控板性能高低直接影響移動機器人的功能應用。傳統的主控板大都以51系列單片機為核心，但此類主控板受資源和功能的局限，在開發、成本控制、處理速度及復雜功能的實現上難以協調，因此，目前很多主控板采用高性能、低成本、低功耗的STM32處理器來實現[3-5]。但是，大多數以STM32處理器為核心的移動機器人的主控板接口只有通用輸入＼＼輸出接口，運動處理模塊、SBUS及PPM接收模塊等需要依據系統功能應用的要求進行擴展[6-7]，如此一來，需要耗費很大精力選型外接功能模塊并設計接口電路，并很容易出現誤接現象。因此，非常有必要開發一種專門應用于移動機器人的主控板，使其能集成移動機器人所需的功能，以方便應用。

本文設計了一種以STM32處理器為核心，專門應用于移動機器人的主控板，此主控板集成了移動機器人的運動處理模塊、SBUS及PPM接收模塊等，提供了專業外設接口，可以克服傳統主控板功能少、速度慢、功耗大、體積大的缺點。

2主控板的設計

在設計主控板時考慮到新型主控板需要包括STM32處理器、MPU-6000板載運動處理組件、SBUS及PPM接收模塊、TYPE-C通信模塊、仿真模塊、RS-485通信模塊、電機驅動模塊、FLASH及SRAM模塊、供電模塊、按鍵模塊、顯示模塊。并且，各個模塊都要和STM32處理器連接。主控板的結構圖如圖1所示。所設計的主控板優選STM32F405RGT6處理器為控制核心。

2.1MPU-6000板載運動處理組件。主控板的MPU-6000板載運動處理組件電路，是一個運動處理的集成芯片。STM32處理器通訊引腳和MPU-6000芯片通訊引腳相連，STM32處理器PC2端口與MPU-6000芯片CS端口相連，輸出使能信號給MPU-6000芯片CS端口，STM32處理器PC3端口與MPU-6000芯片INT端口相連，輸出信號給MPU-6000芯片INT端口以初始化設備，STM32處理器PA5端口與MPU-6000芯片SCLK端口相連，輸出時鐘信號給MPU-6000芯片SCLK端口，此外，STM32處理器PA6端口與MPU-6000芯片SDO端口相連，STM32處理器PA7端口與MPU-6000芯片SDI端口相連，STM32處理器PC6端口接收MPU-6000芯片運動數據。通過數據通訊，可以實時查看機器人運行姿態，并進行實時矯正，控制機器人運行軌跡。

2.2SBUS及PPM接收電路。在本設計中，SBUS及PPM接收電路主要由取反電路構成，主要功能是對SBUS信號取反。由于SBUS采用負邏輯，接收和發送需要硬件取反，模塊內部需集成限流功能的電阻和取反功能的三級管構成硬件邏輯取反電路。此外，接收電路最多可解析出16路PWM信號。通過接收信號，便可手動實時控制移動機器人姿態。其中，限流電阻選用10KΩ的貼片電阻，三極管選用貼片三極管SS8050。

2.3TYPE-C通信模塊設計。TYPE-C通信模塊一共24個引腳，分別為4個GND、2對TX/RX引腳、2個CC引腳、4個地線引腳、4個VBUS引腳、兩個SBU引腳、2對USBD+/D-引腳。每個引腳都有不同作用，且支持正反插。4個VBUS和4個GND，負責傳送電力，支持雙向功率傳輸。CC1/CC2引腳，它的作用有檢測正反插。2對TX/RX引腳，一般情況下，USB3.1只用到差分線作為數據線，正插時連接TX1/RX1，反插時連接TX2/RX2，會有2對差分線是沒有被使用的，DP交替模式就是把DP信號加載到這2對多余的差分線上，從而實現USB3.1+DP同時工作。當然，如果接收端只需要DP信號，不需要USB3.1信號，那DP可以利用全部4對TX/RX差分線做輸出。2個CC引腳是用來判斷設備插入的方向，如果是正插，主機使用CC1來和設備通訊，反插則使用CC2。兩個SBU引腳，在DP功能開啟時，可以用作DP協議中的AUX_P/AUX_N差分線，它的極性是可以根據正反插方向修改的，負責傳輸設備的DPCD，EDID等關鍵信息。USBD+/D-引腳供USB2.0設備使用。本設計中，TYPE-C外接設備優先連接攝像頭，通過TYPE-C通信將機器人運動實時采集的圖片傳到STM32處理器，STM32處理器處理后，控制電機驅動模塊以實現機器人自動尋跡、避障、路徑規劃等等。此外，TYPE-C模塊所用的識別電阻優選0805貼片1.5KΩ電阻。

2.4仿真模塊。基于STM32的新型主控板的仿真模塊，插入仿真器，配合集成開發環境，使用仿真器可以對程序進行調試，跟蹤程序執行情況，同時還可以對硬件電路進行實時的調試。在本設計中，選擇SEGGER公司的J-LINK仿真器V9.40用于芯片內部測試，J-LINK仿真器采用國際標準測試協議（IEEE1149.1兼容），支持ADS、IAR、KEIL開發環境，最大下載速度提升到1MByte/s。仿真模塊接口分別為TMS、TCK、TDI、TDO四線，編程方式是在線編程，可大大加快調試進度。

2.5RS-485通信模塊。在本設計中，通信協議采用RS485協議，隸屬于OSI模型物理層的電氣特性規定為2線，半雙工，多點通信的標準。其具有接口電平低，傳輸速率高，抗干擾能力高，傳輸距離遠，支持節點多等優點。RS485通信模塊選用的是MAX3485芯片，特點是體積較小、工作穩定可靠

。

2.6電機驅動模塊。本模塊主要包括光耦隔離電路、驅動信號放大電路、H橋功率驅動電路。STM32處理器給電機驅動模塊輸入的信號主要有電機運轉方向信號、電機調速信號、電機制動等信號。在本設計中，所述光耦電路選用TLP280-4光耦芯片，該芯片是一塊超小且超薄的耦合器，適用于貼片安裝。所述驅動信號放大器三極管選用2N5551三極管，所述H橋功率驅動電路MOS管選用IRF540NPBFMOS場效應管。

2.7FLASH及SRAM模塊。FLASH及SRAM模塊電路包括外部FLASH與外部SRAM，外部SRAM、FLASH與STM32處理器相連，進行數據的讀取。在本設計中，外部FLASH選用體積小，容量大，可靠性高的MX25L1606E芯片，存儲空間為8M，作為大容量的程序存儲器。外部SRAM選用FM25CL64芯片，存儲空間為2M，具有掉電非易失，隨時存儲記憶功能。

2.8供電模塊。所設計主控板的供電模塊電路，首先由外部獨立開關電源模塊提供直流5V電源，通過濾波電路傳向5V轉3.3V模塊芯片，再次進行濾波電路，向3.3V電源指示燈供電，最后，向STM32處理器提供穩定的3.3V電壓。在本設計中，利用CJA1117三端穩壓器將5V轉3.3V，該芯片體積小、轉換效率高，只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路。

2.9按鍵模塊。本模塊電路主要由復位按鍵、功能按鍵、復位電容、上拉電阻構成。復位按鍵并聯復位電容。各個按鍵并聯，且共同連接上位電阻，按鍵按下為低電平輸入有效，斷開默認為高電平輸入。STM32處理器復位輸入引腳接一個電容至3.3V電源端，下接一個上拉電阻。首次上電，STM32處理器復位端會出現一個短暫的高電平信號，之后高電平信號隨著復位電容的充電過程而逐漸回落，實現上電自動復位。此外，可以手動按下復位按鈕，十毫秒后，STM32處理器系統復位。按下功能按鍵實現相應功能。在本設計中，按鈕優先選用4腳立式6*6*5微動開關，復位電容優先選用0805陶瓷貼片電容，規格為0.1uF，上拉電阻優先選用0805貼片10KΩ電阻。

2.10顯示模塊。顯示模塊電路主要由發光二極管和電阻構成。功能包括電源指示，運行指示，錯誤指示。電源指示由發光二極管串聯限流電阻后并聯在電源上。運行指示和錯誤指示連接STM32處理器通用輸出接口，通過STM32處理器通用輸出接口控制運行指示，錯誤指示。運行指示和錯誤指示另一端連接3.3V電源。對維修服務人員排查故障起到重要的作用。在本設計中，限流電阻優選0805貼片1KΩ電阻，電源指示優選紅色0402貼片發光二極管，運行指示優選綠色0402貼片發光二極管，錯誤指示優選黃色0402貼片發光二極管。

3總結

在本設計中所設計的主控板，可以串口方式發射指定運動數據，能夠自動控制移動機器人運動。通過SBUS及PPM接收器，實時手動控制移動機器人的運動姿態。通信模塊包含兩個串口通訊引腳，可以外接設備使機器人達到尋跡、避障、路徑規劃。仿真模塊能夠對移動機器人的功能調試。能夠在STM32處理器與手持終端進行通信收發。并能夠對電源、運行情況及錯誤信息進行顯示，當接入電源時，所述電源發光二極管發光，當系統運行時，所述運行發光二極管發光，當有錯誤發生時，所述錯誤發光二極管閃爍。

真實的設計實物尺寸僅為36mm*36mm*0.4mm，覆銅導線及孔徑采用毫米級，自然風散熱系統，中間為STM32處理器，其他模塊分布四周，主控板整體占用空間極小，預留4個3M定位孔用于固定。固定選用4個3M銅柱用于安裝固定，并加裝減震球降低機械抖動，可有效克服傳統主控板功能少、速度慢、功耗大、體積大的缺點。

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作者簡介：曾艷（1987-5）女，民族：漢，河北邢臺人，唐山工業職業技術學院講師，碩士學位，主要研究方向：機電一體化系統設計與計算機視覺。

通訊作者：王震生（1976-08）男，民族：漢，河北唐山人，唐山工業職業技術學院講師，工程碩士學位，主要研究方向：機電一體化系統設計。