Đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo board mạch trung tâm ứng dụng điều khiển robot (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo board mạch trung tâm ứng dụng điều khiển robot (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD MẠCH TRUNG TÂM ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT MÃ SỐ: T2010 - 04 THUỘC NHĨM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI CHỦ TRÌ: Th.S LÊ TẤN CƯỜNG S K C 0 0 3 0 1 5 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11/2002
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM  ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BOARD MẠCH TRUNG TÂM ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT MÃ SỐ: T2010 - 04 THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI CHỦ TRÌ : THS LÊ TẤN CƯỜNG ĐƠN VỊ : KHOA CƠ KHÍ MÁY TP. HỒ CHÍ MINH – 11/2002
3. Trang 1 TĨM TẮT ĐỀ TÀI Trong Robot, board mạch trung tâm đĩng vai trị rất quan trọng nĩ nhận tín hiệu từ các cảm biến, từ yêu cầu người điều khiển thơng qua các nút nhấn, qua giao diện người và máy hoặc lệnh từ xa, từ đĩ nĩ ra quyết định điều khiển các cơ cấu chấp hành một cách linh hoạt nhất. Do vậy, bộ điều khiển chính thường sử dụng các chip điều khiển cĩ tốc độ cao và ít tốn điện như các bộ vi điều khiển ARM để giúp Robot phản ứng nhanh với tác động từ mơi trường ngồi. Trong đề tài nghiên cứu khoa học này nội dung các vấn đề tác giả cần triển khai: tìm hiểu họ vi điều cĩ cấu trúc ARM, cụ thể là dịng LPC2000 của Philip;từ đĩ áp dụng chip ARM thiết kế board trung tâm điều khiển robot, xây dựng giao diện màn hình giao tiếp giúp điều khiển và hiển thị các thơng tin dễ dàng hơn, kết nối mạng RS485 điều khiển 3 driver PID Motor cho mobile robot 3 bánh di chuyển đa hướng một cách chính xác nhất. Thực hiện: Ths Lê Tấn Cường
4. Trang 2 ABSTRACT In Robot, circuit mainboard is important to receive signals from the sensors, from request through the control buttons, the user interface or remote commands, from which its decision to control the observance of a structural flexibility. Therefore, the mainboard used the high-speed controller and less power as the ARM microcontroller that will help robot to react quickly to environmental impacts from outside. In scientific research this problem content authors need to deploy: learning the structure of ARM LPC2000 particular line of Philip, which applies ARM microcontroller to design a mainboard for controling robot, building an interface screen help to control and display information more easily, RS485 network is used to control three PID Motor Driver that help three-wheeled mobile robot to move towards a multi accurately. Thực hiện: Ths Lê Tấn Cường
5. Trang 3 MỤC LỤC PHẦN 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 4 I. Đối tượng nghiên cứu 4 II. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước 4 III. Những vấn đề cịn tồn tại 7 PHẦN 2 : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 8 I. Mục đích đề tài 8 II. Phương pháp nghiên cứu 8 III. Nội dung 9 PHẦN 3 : KẾT LUẬN 27 I. Kết luận 27 II. Đề nghị 27 Tài liệu kham khảo 28 Thực hiện: Ths Lê Tấn Cường
6. Trang 4 Phần 1 ĐẶT VẤN ĐỀ I. Đối tượng nghiên cứu Vi điều khiển ARM7 LPC2148, dịng LPC2000 của hãng Philip, nguyên lý mạch điện, chương trình phần mềm lập trình, phần mềm nạp chip. Giao diện điều khiển robot trên màn hình LCD 128x128, cơng cụ chuyển đổi các icon hình ảnh nạp vào chip, giúp thao tác điều khiển robot dễ dàng và trực quan hơn . Đo lường và hiển thị các thơng số của hệ thống như mức pin, thời gian hệ thống trên giao diện màn hình LCD. Xây dựng giao thức truyền thơng RS485 nhằm kết nối và điều khiển 3 bộ Driver PID Motor cho robot 3 bánh di chuyển đa hướng một cách chính xác nhất. II. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước Board mạch sử dụng chip vi điều khiển ARM7 dịng LPC2000 được rất nhiều hang phát triển và hỗ trợ rất tốt cho người dùng. Đây là một mạch mẫu: Board ARM7 MCB2140 của hãng Keil, Đức: Thực hiện: Ths Lê Tấn Cường
7. Trang 5 Hình 1.1 : Board MCB2140 của Keil Thực hiện: Ths Lê Tấn Cường
8. Trang 6 Board ARM7 LPC-P2138 của hãng Olimex, Đức: Hình 1.2 : Board LPC-P2138 của Olimex Board ARM7 CP-JR ARM7 USB LPC2148 của hãng ETT, Thái Lan: Hình 1.3 : Board CP-JR ARM7 USB LPC2148 của ETT Thực hiện: Ths Lê Tấn Cường
9. Trang 7 III. Những vấn đề cịn tồn tại. Các board mạch của nước ngồi thiết kế cĩ tính thẩm mỹ cao, nhưng bên cạnh cĩ vẫn cịn một số hạn chế sau : Giá thành đắt. Board thiết kế ở dạng board phát triển nên cĩ kích thước to, cĩ nhiều thành phần thí nghiệm trên board, trong vấn đề điều khiển robot đơi khi lại khơng cần thiết mà lại địi hỏi tính nhỏ gọn, tính chuyên dụng và ít tốn năng lượng. Từ lúc đặt mua thiết bị của hãng đến khi cĩ hàng thường mất 4-6 tuần, chi phí vẫn chuyển cao nên trong thiết kế Robot cần cĩ dự trù thời gian hợp lý. Từ những hạn chế trên, ta thấy việc nghiên cứu và chế tạo một board mạch chính sử dụng chip ARM7 điều khiển chuyên dụng cho robot dựa trên các linh kiện cĩ sẵn trong nước là vấn đề rất đáng quan tâm và nghiên cứu. Board mạch thiết kế cĩ thể tùy biến phù hợp với robot điều khiển nên sẽ cĩ kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp. Đĩ cũng chính là hướng nghiên cứu của đề tài. Thực hiện: Ths Lê Tấn Cường
10. Trang 8 Phần 2 GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. Mục đích đề tài Đề tài cần giải quyết các vấn đề sau: Nghiên cứu, tìm hiểu vi điều khiển ARM7 LPC2148, phần mềm biên dịch và chương trình nạp chip. Thiết kế board mạch chính dùng vi điều khiển LPC2148, cĩ các thành phần ngoại vi sau: hệ thống thời gian thực (realtime) dùng pin lưu trữ, kết nối JTAG dùng debug chương trình, giao tiếp LCD màu 128x128 điểm ảnh, giao tiếp hỗ trợ mạng RS485 dùng truyền thơng với các driver tớ, hỗ trợ mạch đo lường và báo pin yếu . Xây dựng tập lệnh C giao tiếp hiển thị thơng tin trên LCD, giao tiếp người dùng điều khiển và giao tiếp truyền thơng điều khiển các Driver PID Motor. II. Phương pháp nghiên cứu Đề tài được thực hiện với các phương pháp sau: Khảo sát, tìm hiểu nguyên lý một số board mạch của các hãng như Keil, Olimex, ETT từ đĩ tổng hợp nguyên lý chuyên dùng cho board robot. Tìm hiểu các bài ví dụ lập trình cho ARM, các cơng cụ phát triển để từ đĩ khai thác và lập trình tốt nhất cho ARM Philip. Khai thác sử dụng các linh kiện dán bề mặt SMD, nhằm thiết kế board robot cĩ kích thước nhỏ gọn, từ đĩ dễ dàng lắp trên robot. Khảo sát một số thiết bị cĩ giao thức mạng như RC Motor của Robotis, từ đĩ rút ra giao thức mạng phù hợp với thiết bị, giúp hệ thống linh hoạt hơn trong hoạt động. Thực hiện: Ths Lê Tấn Cường
11. Trang 9 III. Nội dung 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển Sơ đồ hệ thống board mạch trung tâm cho robot cĩ dạng như hình sau : Truyền Các module Mạng RS485 nối Driver PID RS485 Driver tiếp DC Motor UART1 ARM CONTROLLER Màn hình cảm Truyền đồng bộ ứng HMI SPI Module wireless Truyền nối tiếp RF UART0 Mạch đo dung Bộ chuyển đổi lượng pin ADC Hình 3.1 : Sơ đồ hệ thống board mạch chính cho robot Hệ thống gồm các thành phần cơ bản sau: ARM controller: đĩng vai trị là bộ xử lý trung tâm của board mạch, nĩ cần phải cĩ các chức năng sau. Thực hiện: Ths Lê Tấn Cường
12. Trang 10 . Hai bộ UART: một bộ dùng giao tiếp RS485 điều khiển các bộ Driver con , và kênh cịn lại giao tiếp với module RF dùng nhận lệnh điều khiển từ xa của người dùng. . Kênh truyền thơng nối tiếp đồng bộ tốc độ cao SPI dùng giao tiếp với module LCD. . ADC dùng cho việc đo lường pin. Mạch RS485: giúp chuyển đổi tín hiệu UART TTL thành tín hiệu RS485 giao tiếp điều khiển các module Driver PID con . Bộ điều khiển vị trí và tốc độ: đĩng vai trị nhận thơng tin điều khiển, xử lý tinh tốn và xuất tín hiệu cho mạch cơng suất điều khiển theo tốc độ đặt hoặc đến đúng vị trí mong muốn. Trong quá trình điều khiển nĩ cũng nhận tín hiệu hồi tiếp, tính tốn ra sai lệch và từ đĩ tạo tín hiệu điều khiển cần thiết. Giao thức mạng: đây là chuẩn giao tiếp truyền thơng cho phép nhiều thiết bị kết nối nhau theo giao thức mạng, khối này giúp cho thiết bị chủ cĩ thể giao tiếp với nhiều thiết bị con, và hệ thơng dễ dàng kết nối hơn. 3.2 Phương án lựa chọn thiết kế phần cứng 3.2.1 Module màn hình HMI: Trên robot cĩ rất nhiều thiết bị ngoại vi, để thay đổi thơng số hoặc chọn lựa các ngoại vi này thì cần phải cĩ rất nhiều nút nhấn. Đối với các robot cĩ kích thước nhỏ thì việc bố trí nhiều nút nhấn là gần như khơng thể. Do đĩ, mà các màn hình giao diện người và máy đã được phát triển, gọi là các màn hình HMI. Hình 3.2 mơ tả về màn hình HMI cỡ nhỏ dùng trong robot. Thực hiện: Ths Lê Tấn Cường
13. Trang 11 Hình 3. 2: Module màn hình HMI Màn hình HMI trên giao tiếp với người bằng cảm ứng nên các nút nhấn tương ứng với các icon trên màn hình, do đĩ ta thấy hầu như khơng cĩ giới hạn về số nút bấm. Nhờ cĩ màn hình mà các giao diện thể hiện khá sinh động, như trong hình 3.2, phía trên gĩc trái hiển thị dung lượng pin 90%, kế bên là giờ, phút và ngày, tháng, năm, phía dưới là các icon chức năng. Hạn chế của màn hình HMI là giá thành rất cao và hiếm cĩ màn hình HMI cỡ nhỏ, trong đề tài này tác giả đã thiết kế và phát triển một màn hình HMI cĩ kích cỡ nhỏ phù hợp với robot của đề tài. Cấu trúc của màn hình HMI này bao gồm một màn hình LCD Nokia 6610 132x132 pixels 12-bit màu, điện áp cung cấp 3.3V, giao tiếp nối tiếp SPI như trong hình 5.13 . Lĩt phía trên màn hình là tấm cảm ứng 4 dây loại điện trở , giải mã cảm ứng sử dụng chíp ADS7843 giao tiếp chuẩn SPI (kham khảo thư mục Datasheet trong đĩa CD để biết thêm đặc tính của ADS7843). Lưu đồ giải thuật giao tiếp với chip ADS7843 như trong hình 5.14. Như vậy, từ màn hình hiển thị Nokia 6610 thơng thường và tấm cảm ứng 4 dây cùng chíp giải mã ADS7843 ta đã tạo nên module màn hình HMI, giao tiếp với main board qua chuẩn SPI. Thực hiện: Ths Lê Tấn Cường