基于OMAPL138 + FPGA嵌入式喷涂机器人控制器的设计

喷涂是现今许多行业中喷涂是现今许多行业中应用最普遍的一种涂装方式,随着越来越多的行业对计算机数字控制技术的发展,使得现代喷涂作业中机器人喷涂已经越来越成为一种趋势。国外机器人喷涂技术较为成熟,其研究工作早在20世纪60年代就已经开始,目前的喷涂机器人市场依然由国外公司的机器人品牌主导,如德国的KUKA公司、瑞典的ABB公司、日本的FANUC公司和MOTOMAN公司等。而国内对喷涂机器人的研究起步较晚,技术相对国外较为落后,现在国内厂家还没有完全意义上具有独立生产喷涂机器人的能力。针对国内对机器人喷涂行业的市场需求,立足国内喷涂机器人开发水平,在借鉴国外技术的基础上,结合目前一线喷涂工人的机器人操作水平。本课题提出一种以伺服力矩控制提供助力,克服机器人示教惯性负载和各关节阻尼力的思路,设计一款基于OMAPL138异构双核处理器+FPGA的嵌入式直接示教喷涂机器人控制器。本文结合嵌入式直接示教喷涂机器人控制器的功能层次划分,重点针对FPGA在控制器的应用,研究了控制器的总体方案、软件平台搭建、硬件电路设计和基于FPGA的设备层控制软件设计与实现。针对机器人控制器的功能需求和设计目标,将控制器划分为界面层、控制层和设备层三个层次。控制器中OMAPL138的ARM内核负责与机器人操作界面通讯和系统管理;DSP内核负责机器人坐标变换、关节插补、采样信息处理和助力算法等;FPGA负责机器人设备的控制与检测。并分析了基于OMAPL138+FPGA的喷涂机器人控制器总体设计方案,以及控制器的硬件、软件平台的设计。结合基于OMAPL138+FPGA的喷涂机器人控制器硬件结构布局以及电源规划和设计,介绍了OMAPL138核心板的硬件资源,重点阐述FPGA扩展底板和端子板的电路设计。并针对OMAPL138与FPGA之间的通讯接口方案,分析了基于EMIFA总线通讯的硬件电路,设计出基于FPGA的FIFO实现与OMAPL138的EMIFA通讯。针对伺服的信号采样、位置/力矩控制和切换,以及I/O设备信号的检测和控制,研究了基于FPGA的喷涂机器人控制器软件设计与实现,包括增量型脉冲采样模块、DAC控制器、数字/脉冲转换模块和I/O监控模块,为实现喷涂机器人喷涂示教、助力和再现提供底层支撑。最后,进行喷涂机器人控制器功能测试,并通过机器人进行工件试喷涂,以验证控制器是否可以实现机器人喷涂示教和再现功能,以及能否达到预期的喷涂效果。目前,经过功能测试验证后的控制器已经应用在佛山某公司的喷涂机器人系统中。应用最普遍的一种涂装方式,随着越来越多的行业对喷涂质量、效率、复杂。

1 评估板简介
基于TI OMAP-L138（定点/浮点 DSP C674x+ARM9）+ Xilinx Spartan-6 FPGA处理器；
OMAP-L138 FPGA 通过uPP、EMIFA、I2C总线连接，通信速度可高达 228MByte/s；OMAP-L138主频456MHz，高达3648MIPS和2746MFLOPS的运算能力；
FPGA 兼容 Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45，平台升级能力强；
开发板引出丰富的外设，包含千兆网口、SATA、EMIFA、uPP、USB 2.0 等高速数据传输接口，同时也引出 GPIO、I2C、RS232、PWM、McBSP 等常见接口；
通过高低温测试认证，适合各种恶劣的工作环境；
DSP+ARM+FPGA三核核心板，尺寸为 66mm*38.6mm，采用工业级B2B连接器，保证信号完整性； Ø
支持裸机、SYS/BIOS 操作系统、Linux 操作系统。

图1 开发板正面和侧视图

XM138F-IDK-V3.0 是一款基于深圳信迈XM138-SP6-SOM核心板设计的开发板，采用沉金无铅工艺的4层板设计，它为用户提供了 XM138-SP6-SOM核心板的测试平台，用于快速评估XM138-SP6-SOM核心板的整体性能。

XM138-SP6-SOM引出CPU全部资源信号引脚，二次开发极其容易，客户只需要专注上层应用，大大降低了开发难度和时间成本，让产品快速上市，及时抢占市场先机。不仅提供丰富的 Demo 程序，还提供详细的开发教程，全面的技术支持，协助客户进行底板设计、调试以及软件开发。

2 典型运用领域
数据采集处理显示系统
智能电力系统
图像处理设备
高精度仪器仪表
中高端数控系统
通信设备
音视频数据处理

图2 典型应用领域

3 软硬件参数
开发板外设资源框图示意图

图3 开发板接口示意图

图4 开发板接口示意图

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