一种新型的移动机器人主控板设计

曾艳 王震生 王康 张雨新 常燕臣 董诗绘

摘要：

为了提升移动机器人的工作效率，本文设计开发了一种应用于移动机器人运动控制的主控板，该主控板主要包括STM32处理器、MPU-6000板载运动处理组件、SBUS及PPM接收、TYPE-C通信、仿真、RS-485通信、电机驱动、FLASH及SRAM、供电、按键和显示几个模块。各模块分别与STM32处理器连接，驱动各个模块完成对智能移动机器人的有效控制。该主控板提供了丰富的专业外设接口，与传统主控板相比，具有功能丰富、速度快、功耗小、体积大的优点。

关键词：

STM32;移动机器人;主控板

中图分类号：

TP242;TJ02

文献标识码：

A

文章编号：

1672-9129（2020）15-0054-02

1引言

随着机器人行业的发展，智能移动机器人如智能仓库机器人、大堂服务移动机器人等在工业和生活中得到了普遍应用[1-2]。作为智能移动机器人的主要控制设备，主控板性能高低直接影响移动机器人的功能应用。传统的主控板大都以51系列单片机为核心，但此类主控板受资源和功能的局限，在开发、成本控制、处理速度及复杂功能的实现上难以协调，因此，目前很多主控板采用高性能、低成本、低功耗的STM32处理器来实现[3-5]。但是，大多数以STM32处理器为核心的移动机器人的主控板接口只有通用输入＼＼输出接口，运动处理模块、SBUS及PPM接收模块等需要依据系统功能应用的要求进行扩展[6-7]，如此一来，需要耗费很大精力选型外接功能模块并设计接口电路，并很容易出现误接现象。因此，非常有必要开发一种专门应用于移动机器人的主控板，使其能集成移动机器人所需的功能，以方便应用。

本文设计了一种以STM32处理器为核心，专门应用于移动机器人的主控板，此主控板集成了移动机器人的运动处理模块、SBUS及PPM接收模块等，提供了专业外设接口，可以克服传统主控板功能少、速度慢、功耗大、体积大的缺点。

2主控板的设计

在设计主控板时考虑到新型主控板需要包括STM32处理器、MPU-6000板载运动处理组件、SBUS及PPM接收模块、TYPE-C通信模块、仿真模块、RS-485通信模块、电机驱动模块、FLASH及SRAM模块、供电模块、按键模块、显示模块。并且，各个模块都要和STM32处理器连接。主控板的结构图如图1所示。所设计的主控板优选STM32F405RGT6处理器为控制核心。

2.1MPU-6000板载运动处理组件。主控板的MPU-6000板载运动处理组件电路，是一个运动处理的集成芯片。STM32处理器通讯引脚和MPU-6000芯片通讯引脚相连，STM32处理器PC2端口与MPU-6000芯片CS端口相连，输出使能信号给MPU-6000芯片CS端口，STM32处理器PC3端口与MPU-6000芯片INT端口相连，输出信号给MPU-6000芯片INT端口以初始化设备，STM32处理器PA5端口与MPU-6000芯片SCLK端口相连，输出时钟信号给MPU-6000芯片SCLK端口，此外，STM32处理器PA6端口与MPU-6000芯片SDO端口相连，STM32处理器PA7端口与MPU-6000芯片SDI端口相连，STM32处理器PC6端口接收MPU-6000芯片运动数据。通过数据通讯，可以实时查看机器人运行姿态，并进行实时矫正，控制机器人运行轨迹。

2.2SBUS及PPM接收电路。在本设计中，SBUS及PPM接收电路主要由取反电路构成，主要功能是对SBUS信号取反。由于SBUS采用负逻辑，接收和发送需要硬件取反，模块内部需集成限流功能的电阻和取反功能的三级管构成硬件逻辑取反电路。此外，接收电路最多可解析出16路PWM信号。通过接收信号，便可手动实时控制移动機器人姿态。其中，限流电阻选用10KΩ的贴片电阻，三极管选用贴片三极管SS8050。

2.3TYPE-C通信模块设计。TYPE-C通信模块一共24个引脚，分别为4个GND、2对TX/RX引脚、2个CC引脚、4个地线引脚、4个VBUS引脚、两个SBU引脚、2对USBD+/D-引脚。每个引脚都有不同作用，且支持正反插。4个VBUS和4个GND，负责传送电力，支持双向功率传输。CC1/CC2引脚，它的作用有检测正反插。2对TX/RX引脚，一般情况下，USB3.1只用到差分线作为数据线，正插时连接TX1/RX1，反插时连接TX2/RX2，会有2对差分线是没有被使用的，DP交替模式就是把DP信号加载到这2对多余的差分线上，从而实现USB3.1+DP同时工作。当然，如果接收端只需要DP信号，不需要USB3.1信号，那DP可以利用全部4对TX/RX差分线做输出。2个CC引脚是用来判断设备插入的方向，如果是正插，主机使用CC1来和设备通讯，反插则使用CC2。两个SBU引脚，在DP功能开启时，可以用作DP协议中的AUX_P/AUX_N差分线，它的极性是可以根据正反插方向修改的，负责传输设备的DPCD，EDID等关键信息。USBD+/D-引脚供USB2.0设备使用。本设计中，TYPE-C外接设备优先连接摄像头，通过TYPE-C通信将机器人运动实时采集的图片传到STM32处理器，STM32处理器处理后，控制电机驱动模块以实现机器人自动寻迹、避障、路径规划等等。此外，TYPE-C模块所用的识别电阻优选0805贴片1.5KΩ电阻。

2.4仿真模块。基于STM32的新型主控板的仿真模块，插入仿真器，配合集成开发环境，使用仿真器可以对程序进行调试，跟踪程序执行情况，同时还可以对硬件电路进行实时的调试。在本设计中，选择SEGGER公司的J-LINK仿真器V9.40用于芯片内部测试，J-LINK仿真器采用国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），支持ADS、IAR、KEIL开发环境，最大下载速度提升到1MByte/s。仿真模块接口分别为TMS、TCK、TDI、TDO四线，编程方式是在线编程，可大大加快调试进度。

2.5RS-485通信模块。在本设计中，通信协议采用RS485协议，隶属于OSI模型物理层的电气特性规定为2线，半双工，多点通信的标准。其具有接口电平低，传输速率高，抗干扰能力高，传输距离远，支持节点多等优点。RS485通信模块选用的是MAX3485芯片，特点是体积较小、工作稳定可靠

。

2.6电机驱动模块。本模块主要包括光耦隔离电路、驱动信号放大电路、H桥功率驱动电路。STM32处理器给电机驱动模块输入的信号主要有电机运转方向信号、电机调速信号、电机制动等信号。在本设计中，所述光耦电路选用TLP280-4光耦芯片，该芯片是一块超小且超薄的耦合器，适用于贴片安装。所述驱动信号放大器三极管选用2N5551三极管，所述H桥功率驱动电路MOS管选用IRF540NPBFMOS场效应管。

2.7FLASH及SRAM模块。FLASH及SRAM模块电路包括外部FLASH与外部SRAM，外部SRAM、FLASH与STM32处理器相连，进行数据的读取。在本设计中，外部FLASH选用体积小，容量大，可靠性高的MX25L1606E芯片，存储空间为8M，作为大容量的程序存储器。外部SRAM选用FM25CL64芯片，存储空间为2M，具有掉电非易失，随时存储记忆功能。

2.8供电模块。所设计主控板的供电模块电路，首先由外部独立开关电源模块提供直流5V电源，通过滤波电路传向5V转3.3V模块芯片，再次进行滤波电路，向3.3V电源指示灯供电，最后，向STM32处理器提供稳定的3.3V电压。在本设计中，利用CJA1117三端稳压器将5V轉3.3V，该芯片体积小、转换效率高，只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

2.9按键模块。本模块电路主要由复位按键、功能按键、复位电容、上拉电阻构成。复位按键并联复位电容。各个按键并联，且共同连接上位电阻，按键按下为低电平输入有效，断开默认为高电平输入。STM32处理器复位输入引脚接一个电容至3.3V电源端，下接一个上拉电阻。首次上电，STM32处理器复位端会出现一个短暂的高电平信号，之后高电平信号随着复位电容的充电过程而逐渐回落，实现上电自动复位。此外，可以手动按下复位按钮，十毫秒后，STM32处理器系统复位。按下功能按键实现相应功能。在本设计中，按钮优先选用4脚立式6*6*5微动开关，复位电容优先选用0805陶瓷贴片电容，规格为0.1uF，上拉电阻优先选用0805贴片10KΩ电阻。

2.10显示模块。显示模块电路主要由发光二极管和电阻构成。功能包括电源指示，运行指示，错误指示。电源指示由发光二极管串联限流电阻后并联在电源上。运行指示和错误指示连接STM32处理器通用输出接口，通过STM32处理器通用输出接口控制运行指示，错误指示。运行指示和错误指示另一端连接3.3V电源。对维修服务人员排查故障起到重要的作用。在本设计中，限流电阻优选0805贴片1KΩ电阻，电源指示优选红色0402贴片发光二极管，运行指示优选绿色0402贴片发光二极管，错误指示优选黄色0402贴片发光二极管。

3总结

在本设计中所设计的主控板，可以串口方式发射指定运动数据，能够自动控制移动机器人运动。通过SBUS及PPM接收器，实时手动控制移动机器人的运动姿态。通信模块包含两个串口通讯引脚，可以外接设备使机器人达到寻迹、避障、路径规划。仿真模块能够对移动机器人的功能调试。能够在STM32处理器与手持终端进行通信收发。并能够对电源、运行情况及错误信息进行显示，当接入电源时，所述电源发光二极管发光，当系统运行时，所述运行发光二极管发光，当有错误发生时，所述错误发光二极管闪烁。

真实的设计实物尺寸仅为36mm*36mm*0.4mm，覆铜导线及孔径采用毫米级，自然风散热系统，中间为STM32处理器，其他模块分布四周，主控板整体占用空间极小，预留4个3M定位孔用于固定。固定选用4个3M铜柱用于安装固定，并加装减震球降低机械抖动，可有效克服传统主控板功能少、速度慢、功耗大、体积大的缺点。

参考文献：

[1]曹风魁，庄严，闫飞，等.移动机器人长期自主环境适应研究进展和展望[J].自动化学报，2020，46（2）.

[2]吴姝源.智能控制及移动机器人研究进展[J].信息与电脑（理论版），2018，No.402（08）：132-134.

[3]曹冲振，梁世友，王凤芹，等.基于STM32的可遥控智能小车控制系统设计[J].智能计算机与应用，2020，v.10（03）：266-269+272.

[4]王超杰，苏中，连晓峰，等.自主柔性变形蛇形机器人控制系统设计[J].传感器与微系统，2015（06）：118-120+128.

[5]李艳，周莹亮，李可可.基于STM32的移动机器人目标自动跟随系统设计[J].电子器件，2019，042（002）：403-410.

[6]李世光，杨晓雷.基于STM32的智能巡线象棋机器人[J].测试科学与仪器，2014（2）.

[7]陈昌雄，李广球，李广灏，等.基于差速驱动的移动机器人路径控制[J].装备制造技术，2015（8）：69-71.

作者简介：曾艳（1987-5）女，民族：汉，河北邢台人，唐山工业职业技术学院讲师，硕士学位，主要研究方向：机电一体化系统设计与计算机视觉。

通讯作者：王震生（1976-08）男，民族：汉，河北唐山人，唐山工业职业技术学院讲师，工程硕士学位，主要研究方向：机电一体化系统设计。