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髦弟戈
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1 基于方舟 GT000 舵机控制系统的设计 Design of Servo Control System Based on ARCA GT000 ( 内蒙古工业大学 ) 李晓光张丽杰常佶 (Inner Mongolia University of Technology)Li,Xiaoguang Zhang,Lijie Chang,Ji 摘要 : 本文设计实现了基于国产 CPU 的舵机控制系统提出了一种利用芯片的定时器资源和中断系统实现多路 PWM 信号的接收复制生成与输出并成功控制舵机的方法, 该方法具有实现简单成本低的优点关键字 :GT000 舵机定时器中断 PWM Abstract:The servo control system based on homemade CPU is realized in this paper. With the timer unit and interrupt system of GT000, multiple PWM signals can be received, copied, generated and output. With the simple and low-cost method discussed in this paper,the servo can be controlled well. Keywords: GT000, servo, timer, interrupt, PWM 中图分类号 :TP39.8 文献标识码 :B 引言 GT000 是一种国产 3 位高性能低成本低功耗的嵌入式 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 微处理器, 它的 CPU 核心工作频率达到 400MHz, 具有完整的 MMU 功能, 且芯片内部集成了串口通信控制器中断控制器定时器看门狗通用 I/O 端口等大量外围模块, 目前正在被广泛地应用于网络终端金融税务专用机 VPN 和网关等网络设备等领域 [] 针对无人机自动驾驶仪控制核心芯片国产化这一目标, 为实现无人机自动驾驶和遥控驾驶的无扰动切换, 本文设计实现了基于方舟 GT000 的舵机控制系统, 完成了舵机遥控信息的接收与识别舵机控制信号的产生与输出, 从而正确控制舵机完成各种动作舵机的基本原理及控制方法舵机是一种位置伺服的驱动器在微机电系统和航模中, 舵机是一个基本的输出执行机构, 它接收 PWM 控制信号, 根据信号的占空比输出相应的角度, 从而控制角度需要不断变化或保持的外部设备本文采用的日本 FUTABA S3003 型舵机的原理框图如图所示,PWM 信号经接收通道进入信号解调电路 BA6688L 的脚进行解调, 解调后的直流偏置电压与 BA6688L 内部电位器的电压比较, 获得电压差由 BA6688 的 3 脚输出该输出送入电机驱动集成电路 BAL6686, 以驱动电机正反转当电机转速一定时, 通过级联减速齿轮带动电位器旋转, 直到电压差为 0, 电机停止转动 [] 图 FUTABA S3003 型舵机原理框图图舵机转角与输入信号脉冲宽度的关系 FUTABA S3003 型舵机有电源线地线控制线三条外部连线电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源, 电压通常介于 4~6 V 控制线的输入是 PWM 控制信号宽度可调的周期性方波脉冲信号, 要求该信号的周期为 0 ms 当方波的脉冲宽度改变时, 舵机转轴的角度发生改变, 输出角度的变化与输入脉冲宽度的变化成正比, 如图所示因此, 在控制线上输入 PWM 控制信号即可控制舵机动作 [3]

2 3 控制系统的硬件结构通常无线接收模块接收遥控器传来的遥控信息, 输出相应的 PWM 控制信号直接控制舵机转动但根据课题实际需要, 本文为实现无人机自动驾驶和遥控驾驶的无扰动切换, 无线接收模块输出的 PWM 信号要先进入以 GT000 为控制芯片的控制电路板, 完成遥控指令的接收与复制, 再由控制电路板生成 PWM 信号控制舵机为了验证控制系统的功能, 本文通过两路 PWM 信号控制实验小车的方向和速度, 硬件连接如图 3 所示图 3 控制系统硬件框图在进行遥控信号的接收与复制时, 无线接收模块输出的两路 PWM 控制信号 PWM_CH 和 PWM_CH 经电平转换模块变换为 _PMW_CH 和 _PWM_CH,GT000 通过外部中断管脚 IRQ0 和 IRQ 接收和复制这两路信号 ; 在进行控制信号的输出时,GT000 通过通用 I/O 口 PortA~0 和 PortA~ 管脚输出控制信号 _pwm_ch 和 _pwm_ch, 这两路信号经电平变换模块变换为 pwm_ch 和 pwm_ch 控制遥控小车的方向和速度无线接收模块输出的高电平为.8V,GT000 接收与输出信号的高电平为 3.3V, 舵机所接收的控制信号高电平为 4~6V 如果将无线接收模块输出的信号直接输入到 GT000 的外部中断输入口, 会导致错误地触发中断 ; 如果 GT000 将控制信号直接输出控制舵机, 舵机工作会发生异常所以, 增加电平变换模块可以使控制信号的高电平电压符合各模块的要求, 从而正确地控制实验小车电平转换模块可采用 OC 门实现 4 控制软件设计 ) 遥控信号的接收与复制本文使用定时器和外部中断采集 PWM 的脉冲宽度的时间值来实现的遥控指令的接收当 PWM 波形的前沿来临时触发中断, 中断服务程序中记录当前定时器的计数值为 T, 当 PWM 波形的后沿来临时也触发中断, 中断服务程序中记录当前定时器计数值为 T, 假设定时器计数寄存器下溢的重新装入值为 T, 则所复制的 PWM 脉冲宽度 T 的计算方法可由公式 () 表示 T T = T T ;T >= T + T T ;T < T () GT000 提供 TMU0 TMU 和 TMU 三个独立的定时单元, 这里选用 TMU 为信息的捕获和复制提供定时服务由于通过电平转换 PWM 波形与原波形反相, 所以控制信号的前沿是下降沿, 后沿是上升沿以外部中断输入口 IRQ0 为例, 首先在打开中断前初始化中断触发方式为下降沿触发, 在 IRQ0 的下降沿中断服务程序中记录 TMU 当前的定时计数值为 T, 然后设置 IRQ0 的中断触发方式为上升沿触发, 最后中断返回 ; 在其上升沿中断服务程序中记

3 录 TMU 当前的定时器计数值为 T, 通过公式 () 计算得 PWM 的脉冲宽度, 之后设置 IRQ0 的中断触发方式为下降沿触发, 最后中断返回 IRQ0 接收 PWM 信号的时序如图 4 所示图 4 IRQ0 的 PWM 接收时序图图 5 两路 PWM 信号输出时序图 IRQ 的中断实现方式与 IRQ0 相同, 这样通过外部中断和定时器的配合使用就实现了两路 PWM 遥控指令的接收和复制 ) 舵机控制信号的生成与输出由于定时器资源有限, 为了实现多路 PWM 信号的输出, 需采用分时控制的方式输出 PWM 信号, 为此需要使用 TMU0 TMU 两个定时器,TMU0 针对周期定时,TMU 针对脉冲宽度定时, 在中断服务程序中完成控制信号的输出具体方法如下假设复制得到的遥控信号 _PWM_CH 和 _PWM_CH 的当前脉冲宽度与定时器计数器对应的值分别为 T 和 T, 信号周期与定时器对应的计数器值为 T, 经 GT000 的通用 I/O 口 PortA~0 和 PortA~ 要输出与之脉宽相同的控制信号为 _pwm_ch 和 _pwm_ch 首先, 初始化定时单元 TMU0 与 TMU 为中断方式, 即在定时单元计数发生下溢时向 CPU 申请中断其次, 设置 TMU0 的计数器值为 T/4, 从而在一个周期内可以分时输出四路 PWM 控制信号两路 PWM 信号的输出与定时器中断时序如图 5 所示, 定时单元 TMU0 和 TMU 具体的中断服务程序流程如图 6 所示图 6(a) TMU0 中断服务流程图 6(b) TMU 中断服务流程为实现分时输出, 这里需要一个开关变量 CHANNEL( 初始值为 0) 控制当前输出哪一路 3

4 控制信号, 当 CHANNEL 为 0 时输出 pwm_ch,channel 为时输出 pwm_ch 因此通过两个定时器协同工作可以在 I/0 口 PortA~0 和 PortA~ 输出两路 PWM 波形, 之后通过电平转换产生标准的 PWM 波控制舵机 3) 实验结果本文定时器定时频率为 0.05MHz, 所以定时精度约为 0. µ s (/0.05MHz) 本文 CPU 的系统时钟为 40.MHZ, 每条指令的平均执行时间为个时钟周期, 耗时最长的中断分支要执行 60 条指令, 因此中断返回时间为 3.99 µ s 由于输出一路 PWM 信号要发生两次中断, 那么信号脉宽的最大误差为 7.9 µ s, 如图所示, 舵机的转角与 PWM 脉宽的关系为 90 /ms, 所以由于中断产生的舵机转角误差为 0.7, 系统可以灵活地控制舵机的转动通过示波器测得控制系统输出的两路 PWM 波形如图 7 所示, 该波形的周期和脉宽符合控制需求, 且能够控制遥控小车完成各种动作图 7 两路 PWM 波形 5 结束语本文提出的基于国产嵌入式芯片 GT000 实现 PWM 信号的复制和输出方法成功实现了对遥控小车的控制, 为基于国产芯片的无人机自动驾驶仪的进一步研究奠定了良好的基础本文作者创新点 : 本次设计使用了具有自主知识产权的国产 CPU, 减少了控制系统对国外的技术依赖所用 CPU 内部定时器频率可独立设置, 在生成低频率的 PWM 信号时, 不必降低 CPU 的工作频率 ; 同时, 采用内部定时器产生 PWM 信号而不必另外设计电路, 因此硬件实现简单此设计方法不但可以应用于多路 PWM 信号的捕获和输出, 而且只需修改软件中的控制参数即可产生周期和脉宽均可变的 PWM 信号参考文献 : [] 方舟科技,Arca0 Hardware Manual[M], 北京 : 方舟科技有限公司 [] 求是科技, 单片机典型模块设计实例导航 [M], 北京 : 人民邮电出版社,004. [3] 吴华波, 基于 A T 8 9 C 0 5 的多路舵机控制器设计 [J], 单片机与嵌入式系统应用,006 年 8 期 [4] 张运波,PWM 信号的软件实现方法 [J], 微计算机信息,00 年 8 卷 0 期作者简介 : 李晓光 (978- ), 男, 山西忻州人, 内蒙古工业大学在读研究生, 专业为计算机应用技术张丽杰 (973- ), 女, 副教授 ; 常佶 (944- ), 男, 教授, 硕士研究生导师, 内蒙古自治区机电控制重点实验室主任 Biography: LiXiaoguang(978- ),male, ShanXi, Inner Mongolia University of Technology, postgraduate, Computer Application; ZhangLijie(973- ),female, Inner Mongolia University 4

5 of Technology, associate professor, Changji(944- ),male, Inner Mongolia University of Technology, professor, tutor of postgraduate, Director of Inner Mongolia Key Laboratory of Electromechanical Control. (0005, 内蒙古呼和浩特内蒙古工业大学信息工程学院 ) 李晓光 (Department of Information and Engineering, Inner Mongolia University of Technology,Hohhot,0005)Li,Xiaoguang 通信地址 : 内蒙古工业大学研究生公寓 5# 楼 07 室邮编 :0005 基金编号 : 项目名称 : 基于国产芯片的小型导航仪的研制 5

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