结合FPGA与DSP的仿人假手控制系统设计

　　2.1 FPGA主控芯片模块设计
　　FPGA主控芯片模块采用Altera公司CycloneⅢ系FPGA芯片EP3C25F25617作为控制，负责肌电信号和多种传感器信号的处理、与手指电路的通信、USB通信、CAN通信接口等功能。同时，主控芯片模块还负责大拇指内旋/外展自由度驱动电机的控制。各个功能通过VHDL语言进行编写，FPGA中嵌入双NIOS核构成双核处理器，其中一个NIOS核用于肌电信号处理，另一个NIOS核用于通信;双核通过2M的EEPROM进行通信。FPGA功能框图如图2.

图2 FPGA功能框图

　　RS—485通信通过在NIOS核内自定义元件AutoSCI控制RS—485收发接口芯片MAX3362实现。MAX3362收发芯片可通过3.3 V低压实现高速数据传送。CAN与LVDS通信采用复用电路设计(图3)，通过更换接收发送接口芯片完成功能转换。CAN通信采用TI公司的CAN收发器SN65HVD230QD作为接口芯片。LVDS通信采用TI公司的半双工LVDS收发接口芯片SN65LVDM176，构成PPSeCo高速串行通信系统与PCI控制卡通信，通信速率可达25 Mbps，保证控制信息与传感器信息传送的及时性。

图3 CAN通信/LVDS通信复用电路

　　拇指内旋/外展自由度驱动电机由NIOS核中自定义元件PWM控制。元件功能通过VHDL语言编写，PWM波周期和占空比均可调。电机驱动芯片采用MPC17531A，其内部集成双H桥，可直接控制直流有刷电机。
　　2.2手指运动控制模块设计
　　五根手指的运动控制模块采用相同的设计方案，增强系统的互换性与通用性。该模块由DSP作为控制，直流有刷电机驱动芯片MPC17531A作为电机驱动芯片，负责手指电机的驱动，力矩传感器、位置传感器、电机电流传感器信号的采集与处理，以及与触觉传感器系统的通信，各项数据通过RS—485通信接口与主控芯片模块通信。控制模块如图4.

图4 手指运动控制模块功能框图

　　该模块采用的DSP TMS320F28027运行速率高，封装小。内部集成的16通道12位A/D转换器可实现对力矩、位置、电机电流信号的采样。串行异步通信接口通过RS—485收发接口芯片实现与主控芯片模块通信。EPWM模块可直接控制直流有刷电机驱动芯片MPC17531A.
　　如图5，关节力矩传感器信号采集系统包括力矩传感器、处理放大电路、滤波电路和A/D转换电路。力矩传感器基于应变原理，采用仪表放大器INA337组成半桥电路对力矩信号进行放大后通过RC滤波电路进入A/D转换芯片。

图5 力矩传感器信号采集系统

　　如图6，关节位置传感器信号采集系统包括位置传感器、处理放大电路、滤波电路和A/D转换电路。位置传感器基于旋转电位器原理，采用集成运放MAX9618对电位器信号进行放大后通过RC滤波电路进入A/D转换芯片。

图6 位置传感器信号采集系统

　　2.3肌电信号采集模块设计
　　肌电信号采集模块用来采集肌电电极的信号以及对信号的滤波和D/A转换后存储在CPU中，包括RC电路组成的滤波电路、D/A转换电路和电压转换电路。数字信号通过电压转换芯片转换为3.3 V电压，通过SPI接口输入到CPU中央处理器。
　　2.4电池管理系统模块设计
　　电池管理模块包括电池、电流传感器、蜂鸣器电路、LED显示电路。电流传感器实时监测电池输出电流大小，通过LED显示电路和蜂鸣器电路显示充电状态和电池电量过低报警。
　　3软件实现
　　在FPGA控制器程序设计中主要完成各系统参数的初始化与控制算法的实现，具体由如下几部分构成：
　　1)与上位机通信部分：通过3种方式与上位机通信，获得控制指令，分别为USB通信、LVDS通信、CAN通信，其中LVDS通信与CAN通信不能同时使用;
　　2)肌电信号采集部分：通过A/D转换芯片将肌电电极信号转换为数字量，并经过运算处理得到控制指令;
　　3)与手指运动控制模块通信部分：通过SCI接口实现与手指运动控制模块的RS—485通信;
　　4)生成驱动电机控制参数部分：运算处理控制指令，生成电机运动参数(方向与占空比)。
　　控制流程图如图7所示。

图7 FPGA控制流程图

　　DSP控制程序主要完成DSP各参数的初始化，控制流程图如图8.

图8 DSP控制流程图

　　4假手抓取实验
　　基于上述设计，研制出HIT V假手样机，进行抓取实验(图9)，可实现多种动作模式的抓取，分别为：两指捏取、三指捏取、圆柱抓取、球形抓取、单指指向、胡克抓取、侧边捏取、五指端取。控制过程中，系统工作稳定，满足仿人假手运动控制和传感器信息采集要求。

图9 多指抓取实验