Разработка контроллера управления робототехнической системы
Курсовая
работа
по
схемотехнике
Тема
Разработка
контроллера управления робототехнической системы
Исходные данные
1. Контроллер управления робототехнической системой (только цифровая
часть системы).
2. Обрабатываемые команды: «Поднять кисть», «Опустить кисть», «Сжать
кисть», «Разжать кисть», а также команды перемещения кисти в плоскости.
. Коды команд управления роботом поступают в систему управления с
внешнего носителя информации через ИРПР.
. Элементная база - ТТЛ-совместимые микросхемы
. Критерий проектирования - минимум затрат
Содержание расчетно-пояснительной записки:
1. Лист задания (критерии проектирования)
2. Аннотация - краткое содержание
. Постановка задачи
. Общая схема алгоритма описания закона функционирования
. Выбор принципа структурной организации (состав, структура
устройства)
. Синтез функциональной и принципиальной электрических схем
. Построение временных диаграмм
. Оценка аппаратных затрат
. Оценка потребляемой мощности
. Список литературы
Перечень графического материала:
1. Схема электрическая принципиальная
2. Перечень элементов
Задание
Разработать контроллер управления робототехнической системой
(разрабатывается только цифровая часть системы). Робот должен отрабатывать
команды: "Поднять кисть", "Опустить кисть", "Сжать кисть",
"Разжать кисть", а также команды перемещения кисти в плоскости. Коды
команд управления роботом поступают в систему управления с внешнего носителя
информации через ИРПР.
Элементная база - ТТЛ-совместимые микросхемы.
Анализ задания и постановка задачи
Устройство должно принимать коды команд, а также относительные координаты
перемещения кисти в случае получения кода перемещения кисти. Полный список
команд, выполняемых роботом:
) Поднять кисть.
) Опустить кисть.
) Сжать кисть.
) Разжать кисть.
) Двигаться влево.
) Двигаться вправо.
) Двигаться вверх.
) Двигаться вниз.
Будем считать, что по краям области, в которой может двигаться робот
стоят датчики, которые срабатывают при достижении роботом соответствующей
границы.
Предусмотрим также на устройстве переключатель сброса, который
принудительно завершает выполнение текущей команды и запускает процедуру
установления робота в начальное положение.
Таким образом, задача проектируемого устройства - преобразование входных
данных в унитарный код, подаваемый на соответствующий выходной разъём. Причём в
случае команды перемещения кисти унитарный код требуется подать на разъём число
раз, указанное во втором входном байте.
Описание алгоритма работы устройства
На каждом цикле своей работы устройство получает байт с кодом команды и
числом шагов в случае команды движения.
Каждый цикл начинается с отправки устройством в ИРПР сигнала ЗП. После
чего устройство ожидает сигнал СТР, по которому считывает байт данных. Из
полученного байта данных устройство получает код команды; если код команды
соответствует:
) Командам движения. То в специальный счётчик записывается часть
входного байта, отвечающая за число шагов, и на выходной разъём будет подано
соответствующее число импульсов унитарного кода. Если во время движения сработает
один из датчиков по краям поля, то выполнение команды прекращается.
) Командам управления кистью, то отправляется соответствующий
унитарный код, причём всегда только один раз.
Если был получен внешний сигнал сброса, то на выходной разъём подаются
сигналы «влево» и «вверх» до тех пор, пока не сработают соответствующие датчики
по краям поля.
После выполнения команды устройство снова отправляет сигнал ЗП и т.д.
Формат входного байта:
7
|
6
|
5
|
4
|
3
|
2
|
1
|
0
|
Положительное целое число от 0 до 31
|
Код команды
|
Структурная организация устройства
В соответствии с алгоритмом необходимы следующие блоки:
) Блок принятия байта данных из ИРПР, который сохраняет его в
специальном регистре.
) Схема вывода, которая отправляет унитарный код на выходной
разъём требуемое число раз с некоторой задержкой.
) Преобразователь входного байта в унитарный код и количество
повторений.
) Система безопасности, которая прекращает выполнение команды в
случае сработки датчиков и не позволяет в дальнейшем выполнять команды движения
в соответствующую сторону.
) Управляющий автомат.
) Генератор импульсов.
Рис.
1. Структурная схема устройства.
Входные
сигналы:
1) RESET - внешний сигнал сброса устройства в начальное положение.
2) S0/S3 - датчики по краям области движения
робота. Устанавливаются в единицу, если робот достиг соответствующего края.
) СТР - синхросигнал ИРПР.
4) D0/D7 - линия данных ИРПР.
Выходные сигналы:
2) DO0/DO7 - унитарный код управления
приводами робота.
Внутренние сигналы устройства:
) SRC - определяет откуда Система безопасности должна брать код для вывода на
разъём.
2) ERROR -Система безопасности выдаёт на Управляющий автомат этот сигнал ошибки в
случае совпадения направления движения робота и соответствующего сигнала от
датчика достижения границы поля.
3) ZERO - сигнал от Схемы вывода, осведомляющий Управляющий автомат об окончании
вывода.
4) COUNT - импульс уменьшения значения счётчика в Схеме вывода.
5) SET - сигнал установки начального значения счётчика.
Синтез принципиальной электрической схемы
За основу возьмем серию 1533.
Управляющий автомат
Представляет собой обыкновенный конечный автомат с четырьмя состояниями.
Список состояний:
a0 -
ожидание прихода сигнала стробирования со стороны ИРПР.
a1 -
вывод сигналов управления роботом.
a2 -
сброс схемы в начальное состояние (движение влево).
a3 -
сброс схемы в начальное состояние (движение вверх).
Проектирование будем осуществлять интерпретационным методом синтеза. Этот
метод синтеза управляющего автомата осуществляется на базе обратной структурной
таблицы переходов.
Обратная структурная таблица переходов:
ai
|
K(ai)
|
aj
|
K(aj)
|
X(ai, aj)
|
φ(ai, aj)
|
a1 a1 a3
|
01 01 11
|
a0
|
00
|
ERROR ZERO ERROR
|
J0 J0 K0K1
|
a0
|
00
|
a1
|
01
|
СТБ
|
J0
|
a2
|
10
|
a3
|
11
|
ERROR
|
J0
|
Формирование функций возбуждения для элементов памяти
Также введём возможность сброса системы по сигналу RESET. С учётом того, что выбраны JK-триггеры с инверсным входом K, то функции возбуждения будут
выглядеть:
α = a3 ERROR= RESET= RESET α= RESET(a1ERROR
v a1ZERO v a0СТБ v a2ERROR)0 = RESET α
Синхронизация элементов памяти осуществляется по срезу сигнала
синхронизации - это необходимо для того, чтобы за время нулевого уровня сигнала
синхронизации успели переключиться все части схемы, и, таким образом, схема
была полностью готова к началу следующего такта.
Блок приёма данных из ИРПР
Представляет собой 8-разрядный регистр, который считывает данные из ИРПР
по фронту сигнала СТБ (в ИРПР данные считаются действительным от фронта до
среза сигнала СТБ).
Преобразователь кода
Дешифратор, преобразующий входной трёхразрядный код в унитарный
восьмиразрядный, и мультиплексор, задающий число повторений команды. Модуль
выполняет полезную работу между тактовыми импульсами. На выходе получаются
сигналы C0/C7 и L0/L4.
Схема вывода
Состоит из счётчика и формирователя сигнала ZERO. По сигналу SET (срез такта в окончании состоянии a0) устанавливает своё начальное значение, полученное в
преобразователе кода. Осуществляет счёт по сигналу COUNT (фронт такта в состоянии a1).
Система безопасности
Блок, который решает выводить сигналы на внешний разъём или нет. Также в
этом устройстве осуществляется выбор исходного кода для вывода (в случае сброса
устройства выбирается соответствующий код). Внутри устройства формируется
сигнал OE (Output Enable) на основе кода состояния, сигнала ERROR и тактового сигнала CLC.
Генератор импульсов
Создаёт тактовые сигналы, управляющие работой устройства. Скважность - 2.
Самая длительная операция (операция преобразования кода) составляет 66 нс,
возьмём время такта с запасом - 100 нс. Тогда при учёте, что R1 = 1 кОм, а t = 2RC:
C1 = t / 2R = 100 нс / 2 кОм = 50 пФ
Рис. 2. Генератор импульсов.
Временные диаграммы
Рис.
3. Временная диаграмма интерфейса ИРПР.
контроллер управление робототехнический команда
Рис.
4. Временная диаграмма работы устройства.
Оценка аппаратных затрат и потребляемой мощности
Оценим аппаратные затраты. В схеме использовано 24 микросхемы, 26
конденсаторов, 19 резисторов и 2 разъема.
Таблица 1. Оценка потребляемой мощности.
Тип
|
Ток, мА
|
Задержка, нс
|
Выводов
|
Количество
|
КР1533ИД7
|
10
|
22
|
16
|
КР1533ИР33
|
24
|
20
|
20
|
1
|
КР1533КП16
|
11
|
24
|
16
|
3
|
КР1533ИЕ7
|
22
|
30
|
16
|
1
|
КР1533ТВ15
|
4
|
18
|
16
|
2
|
КР1533ЛА1
|
1.5
|
11
|
14
|
2
|
КР1533ЛА3
|
3
|
11
|
14
|
8
|
КР1533ЛН1
|
4.2
|
11
|
14
|
3
|
КР1533ЛИ1
|
4
|
14
|
14
|
1
|
КР1533ЛА4
|
2.2
|
11
|
14
|
1
|
Суммарное значение тока 143 мА, что при напряжении питания 5 В дает
мощность 715 мВт.
Литература
1. Новиков
В.Ю., Карпенко Д.Г. Аппаратура для локальных сетей: функции, выбор, разработка.
- M.: Эком, 1998.
. Справочная
книга радиолюбителя-конструктора: В 2-х книгах. Кн. 2 / Варламов Р.Г., Замятин
В.Я., Капчинский Л.М. и др. Под ред. Чистякова Н.И. - 2-е изд, исправ. и доп. -
М.: Радио и связь, 1993.
. Аванесян
В.Г., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. - М.:
Машиностроение, 1993.