基于Nios Ⅱ的RoboCup SSL机器人控制系统

论文摘要

RoboCup机器人足球世界杯赛及学术大会(The Robot World Cup Soccer Games andConferences)是国际上级别最高、规模最大、影响最广泛的机器人足球赛事和学术会议,每年举办一次。SSL(Small Size League)小型组是RoboCup中的一个组别。这一组别的机器人体积较小。小型组机器人的设计涉及计算机技术、自动控制、电子技术、无线通讯和精密机械等技术,是一个很好的研究平台。NiosⅡ处理器是Altera公司在2004年推出的32位RISC嵌入式软核处理器,采用32位指令集结构。作为软核处理器,NiosⅡ可根据应用需要来进行裁减。例如,系统可根据功能需求确定使用的通用IO或串口的个数;或是根据系统功能及性能要求的不同选择不同类型的内核;同时,可以根据系统的需要设计用户自己的外围设备。相对基于通用处理器或ASIC实现的系统更具灵活性,具有更高的集成度。基于NiosⅡ软核处理器的机器人控制系统,实现了运动控制、直流无刷电机驱动、无线通信、升压击球等功能。论文的主要内容安排如下:第1章介绍了RoboCup和RoboCup Small Size League的基本信息以及NiosⅡ的基本信息。第2章详细介绍了NiosⅡ处理器内核。第3章对Avalon总线规范做了详细的描述。第4章详细说明了机器人系统中基于Avalon总线的系统外围设备的应用及用户制定外围设备的设计。第5章介绍了基于EP2C8 FPGA的机器人系统的硬件设计,包括:FPGA核心电路板、升压击球控制电路板和电机驱动及主接口电路板。其中详细介绍了FPGA核心电路板的组成、直流无刷电机的原理及系统中所采用的驱动方案。第7章介绍了NiosⅡ软核处理器构成的小型组机器人控制系统的软件流程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 RoboCup简介
• 1.2 RoboCup的目标和意义
• 1.3 RoboCup SSL（小型组）
• 1.4 Nios Ⅱ软核处理器
• 1.5 机器人控制系统框图
• 1.6 本论文研究的主要内容
• 1.7 本章小结
• 2 Nios Ⅱ软核处理器
• 2.1 引言
• 2.2 Nios Ⅱ处理器系统简介
• 2.2.1 Nios Ⅱ内核的3种类型
• 2.2.2 处理器的实现
• 2.2.3 寄存器
• 2.2.4 计算逻辑单元（ALU）
• 2.2.5 复位信号
• 2.2.6 异常和中断控制器
• 2.2.7 存储器与I/O
• 2.2.8 JTAG调试模块
• 2.3 本章小结
• 3 Avalon总线规范
• 3.1 概述
• 3.1.1 Avalon总线的术语及概念
• 3.2 Avalon总线信号
• 3.2.1 完整的信号类型列表
• 3.2.2 信号极性
• 3.2.3 信号命名
• 3.2.4 信号时序
• 3.2.5 传输特性
• 3.3 从端口传输
• 3.3.1 从设备信号详述
• 3.3.2 从端口读传输
• 3.3.3 从端口的写传输
• 3.4 三态传输接口
• 3.4.1 三态从端口传输
• 3.4.2 三态主端口的传输
• 3.5 本章小结
• 4 机器人控制系统的外设设计
• 4.1 概述
• 4.2 机器人系统中的IP核外设模块
• 4.2.1 Interval Timer IP核
• 4.2.2 UART IP核
• 4.2.3 PIO（Parallel I/O）IP核
• 4.3 用户制定的外设模块的设计
• 4.3.1 用户制定外设的结构
• 4.3.2 电机测速外设
• 5 机器人系统硬件设计
• 5.1 概述
• 5.2 FPGA核心电路板
• 5.2.1 FPGA及配置芯片电路
• 5.2.2 电源电路
• 5.2.3 SRAM接口电路
• 5.2.4 陀螺仪和A/D芯片电路
• 5.2.5 无线模块接口电路
• 5.3 升压击球控制电路板
• 5.4 电机驱动及主接口电路板
• 5.4.1 机器人的运动系统组成
• 5.4.2 直流无刷电机的控制方式
• 5.4.3 无刷直流电机驱动芯片MC33035
• 5.4.4 提供BLDCM驱动电流的MOSFET芯片
• 6 Nios Ⅱ软件系统设计
• 6.1 概述
• 6.2 系统外设驱动程序
• 6.2.1 Nios Ⅱ IDE中的驱动程序
• 6.2.2 用户制定外设的驱动
• 6.3 机器人软件控制流程
• 结论
• 参考文献
• 附录A Avalon-MM从端口和主端口信号
• 附录B 基于Avalon总线的电机测速外设HDL文件代码
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢