基于FPGA的机械臂位置测量系统研究

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机械臂是模仿着人手臂和手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现搬运或操作的自动机械装置，生产中应用机械臂可以提高生产的自动化水平和劳动生产率Ⅲ。机械臂的机械部分由各个关节连接而成，为保证机械臂精确的抓取操作，准确地完成机械臂各个关节的位置测量至关重要。

本文设计方案采用FPGA作为控制器构成的测量系统，FPGA具有高集成度和高速的特性，它的采集速度可达1MB/s2，使之相对于与传统的单片机和DSP，更适合于A/D转换的控制，此外独有的NiosII核软处理器可以实现DSP的功能，强大的处理速度，为系统的处理数据提供了保障。同时其扩展性和可维护性好，且编程灵活、方便、简单和可多次重复编程 。

1 系统硬件设计控制芯片采用Cyclone II EP2C5T144C8，该器件支持三种不同的NioslI处理器核，NiosII核软处理器的性能超过200DMIPS，EP2C5T144C8器件还能够扩展各种外部存储器和I/O口，同时使用EP2C5T144C8还拥有成本低和高性能处理方案的特点，和通常采用的单片机和DSP相比，它能够延长产品的生命周期，提高产品进入市场的时日1 。

A/D转换芯片采用MAX l3 l2，它是Maxim公司生产的l2位模数转换器，提供8个、4个或2个独立的输入通道 。其只写配置寄存器可以屏蔽不适用的通道，关断功能降低了功耗。输入采样电路具有20MHz4信号带宽，使其能够将高速瞬变信号数字化，由于利用了欠采样技术，能够测量带宽超过ADC采样率的周期信号 。

角度传感器采用MCJSV010，量角度范围根据用户需求可在0360。范围内设定。输出电压信号O～IOV，输出电压信号具有瞬态电压保护。供电电压12V28V，具有反向保护。并具备传统电位器不曾拥有的高寿命和高稳定性能，其良好的综合性能为机械臂的绝对位置测量提供保证。

图1 系统功能框图收稿日期：2012-10-27基金项目：甘肃势技支撑计划：直交供电的电力牵引系统研制 (2011GS04403，1204GKCA038)作者简介：张峰 (1986-)，男，河南漯河人，硕士研究生，研究方向为智能机器人理论与应用。

第35卷 第3期 2013-04(下) 123 1 lI8 化系统功能框图如图l所示∏位移传感器位于机械臂4个关节的转动轴上，供电电压为12V，测得转动角度，进而得出相应的电压量，为了保证采集信号的完整性，设计了信号调理电路，将滤波后的信号输入到MAX1312，FPGA控制系统按- 定速率采集经过转换后的模拟信号，根据MAX1312的工作时序，采用状态机使FPGA产生相应的控制信号。FPGA启动控制MAX l3 12转换后，将转换的12位数字量D0D1 l传送到FPGA，完成对机械臂的位置测量。

2 系统软件设计根据MAX13 12的引脚功能和工作时序，位置测量系统控制器FPGA通过对MAx 1312读信号RD、片选信号CS和启动转换信号CONVST产生有效信号，来控制MAx 1312对电压信号的采集读取 。在启动A/D转换时，首先将CONVST置为低电平，然后驱动CONVST为高电平来启动转换过程，AID在CONVST的上升沿对模拟输入信号进行采样。EOC跳变到低电平所产生的下降沿表明- 个通道转换结束，EOLC，变到低电平所产生的下降沿表明8个通道全部转换结束。为了读取转换结果，将RD和CS置为低电平，使数据锁存到并行数字输出总线，然后将RD置为高电平释放数字总线。RESET是复位信号，高电平有效，使芯片恢复到初始状态。CLK是外部时钟信号。

在状态机的设计上，根据MAX1312的工作时序，可以将其分为以下四个状态：状态000：对A，D转换参数初始化，并且保持- 段时间的延迟，保证两次数据采集过程中有-定的时间间隔：状态001： CONVST出现上升沿信号，启动A/D进行转换；状态010：对EOC下降沿的个数进行计数，保证所选中的A/D通道转换结束：状态100：对AID转换后数据的读取，数据读取完后转变到状态000；其他情况：转入初始状态，即状态000.整个状态机运行程序结束，完成了对位置信息的采集读取，总体设计方案流程图如图2所示。

3 仿真结果分析由于本文仅讨论了测量电路的设计，控制电路及驱动部分是整个机械臂装置必不可少的功能，需-块进行加工制作。故测量电路没有单独制作，为了验证系统的可行性，用QuartusⅡ对测量程序进行编译，生成拈文件，如图3所示。

[24l 第35卷 第3期 2013-04(下)0 《 ∞ 《 L'-f lF图2 总体设计方案流程图[ 糍 1艚- eJ 。 --[]]-镌- 。 L-[][) --I c ㈣ c -口 亡--椰 ： l。， I l ll1。 。 。 。 ，r------------------------] )-谚 - l- f --口 [镌 - D H ”《 婚 曩， 删 正-口 ≥ - [3昌二鬻三 ：嚣 J - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - J ·图3 系统VHDL拈文件判断-个通道是否转换完毕是根据信号EOC的下降沿，对整个A/D转换是否完成则由信号EOLC的下降沿来判定，因此根据MAX1312的A/D转换过程的时间，设计了提供MAX13l2工作的EOC和EOLC信号的拈，如图3第-个拈。数据的采集、转换和读取则由第二个拈来实现。

QuartusⅡ编译程序通过后，用modelsim进行系统仿真，仿真结果如图4所示。由仿真结果可以看出，在A/D转换过程中，CONVST处于高电平，RD和CS处于高电平，EOC每个下降沿表明-个通道转换结束，8个通道转换完成后，EOLC输出下降沿，表明本次转换全部结束，读取过程中，EOLC和CS处于低电平，在每个RD的下降沿，读取-个通道转换后的数据，84-通道数据读取完成后，RD转变成高电平，同时CS也转变成高电平，- 个完整的数据转换读取过程结束。仿真结果与实际MAX1312的工作时序相同，说明仿真完全结果正确，达到了机械臂位置测量的目的。