作者：宋华
软件设计与仿真测试引言
本章在机器人硬件电路的基础上进行了机器人软件部分的设计。按照3.2节设计的机器人控制系统框架，管道机器人软件设计具体可划分为DSP程序、CPLD程序和上位机程序三部分，其中DSP程序主要执行载波通讯数据传输、机器人状态转换、步进电机调速等功能；CPLD程序负责生成电机驱动芯片和载波通信芯片的控制信号，并完成电机的限位控制等功能；上位机程序负责通信测试和发送控制指令。下面着重阐述载波通信测试程序、CPLD程序和步进电机调速程序，并给出测试结果或仿真波形。
载波通讯程序设计
嵌入式程序设计
本文使用基于SSC P485芯片的载波通信技术实现上下位机通信。P485内部集成的数据收发接口与UART兼容，支持9600bps的标准波特率，因此通过DSP内部的串行通信接口SCI即可实现与P485的数据交换。如表14所示，P485芯片对串行数据有一定的格式要求，在DSP初始化程序中对SCICCR寄存器进行配置以选定SCI的停止位和数据位格式，P485的数据位格式通过CPLD向P485芯片的WL引脚发出电平信号进行设定。
载波通信程序设计流程图
通讯测试
载波通信上位机测试程序使用VC6.0平台MFC进行编写，上位机程序界面可以发送机器人控制指令、设定串口相关参数、显示发送与接收的数据信息。在上位机程序中，串口数据的发送与接收使用MSComm控件实现。
由于PC机串口无法直接与P485进行数据交换，因此设计了载波通讯接口电路，该电路利用MAX3232芯片实现P485 TTL电平与PC串口RS232电平的相互转换。在通讯测试时，首先从上位机连续发送单个字符“Z”至DSP，以验证硬件电路设计。MAX3232的Rin引脚、P485串行输出引脚、网络变压器输出引脚和电源引脚的测试波形，各波形图与Z的ASCII码相符，故载波通信软硬件设计符合要求。之后，从下位机向上位机发送字符串“DSP SCIB & POWERLINE COMMUNICATION TEST! ”，上位机成功接收，表明上下位机通讯工作正常。
载波通信接口电路测试波形
CPLD程序设计与仿真
CPLD程序设计使用Verilog-HDL硬件描述语言，它以文本形式描述数字系统硬件的结构和行为，并能实现各种复杂的逻辑电路和时序电路[[i]]。 Verilog语言的基本设计单元是模块(module)，在各模块中，所有的行为描述语句均需要通过Initial或always基本块实现。由于一个Verilog模块中可以有多个基本块，它们同时刻并发执行且互不干扰，故在设计时将CPLD程序划分为数个并行的基本块。本节基于Xilinx公司的ISE 13.1软件对CPLD程序各部分进行设计，并通过Isim Simulator仿真平台给出仿真结果。
步进电机驱动程序设计
嵌入式程序设计
本节基于TI公司CCS5.2开发平台进行DSP嵌入式程序的编写和JTAG仿真。依据步进电机加减速控制算法，利用TMS320F28335内部的ePWM模块生成3台步进电机的速度控制脉冲。步进电机的匀加减速过程均使用阶梯上升或阶梯下降加减速曲线进行近似，电机启动频率为f1，加速过程中，电机以∆t为单位进行阶梯加速，各阶段电机的速度频率fi满足理想加速直线，当∆t足够小时，可认为电机加速度恒定。
PWM波形测试
为验证ePWM1模块产生的电机速度脉冲是否符合伸缩机构电机加减速曲线，使用示波器测试了伸缩机构电机驱动芯片CLK引脚的波形。ePWM1模块启动后1/3s、2/3以及1s的CLK引脚波形分别如图所示，CLK引脚波形在1/3s其周期约为280μs，2/3s时周期约为170μs，1s时约为150μs，基本符合公式给出的伸缩机构电机加减速曲线，表明嵌入式程序编写基本符合设计要求。
伸缩机构电机驱动芯片CLK引脚波形
小结
本章主要进行了嵌入式软件的设计、仿真及测试。首先阐述了下位机载波通讯程序的设计要点和程序流程，通过上下位机的通讯测试，验证了载波通讯硬件电路和软件编写的正确性。之后基于Verilog语言设计了CPLD各功能模块，并给出了仿真波形，仿真结果表明各控制信号符合预期的逻辑关系，为软硬件联调提供了基础。最后详细说明了步进电机调速程序的设计思路，并给出了相应的测试波形。
结论
目前国内外研究的轮式或履带式管道机器人由于体积大、防水密封性能差、爬坡能力有限，难以应用于非开挖技术铺设的中小口径地下管线。针对这类管线的特点，结合现有管道机器人的优点，设计出了一种新型伸缩式的管道机器人系统。该机器人具备极好的防水密封性能、较大的牵引力和爬坡能力、数据传输准确可靠，可为各类地下管线检测任务提供稳定可靠的工作平台。
首先比较了现有管道机器人驱动机构的特点，依据设计要求和性能指标确定了机器人的驱动方式，并给出了机器人的总体方案。为了便于器件选型，有针对性的对机器人的主要机构进行了受力分析。为了使机器人锁止机构电机工作转矩最小、行走速度最快，利用遗传算法对机器人的主要结构参数进行了优化，该优化结果为机器人的器件选型和机械设计提供了理论依据。
设计了基于DSP和CPLD的机器人控制系统框架。为研究机器人控制状态的转换，采用有限状态机的思想对机器人的基本行走模式进行了描述，给出了状态转换图。结合管道机器人机构的特点，设计了伸缩机构和锁止机构步进电机的加减速控制算法。
在机器人的硬件设计部分，对滚珠丝杠和步进电机进行了详细的选型计算。依据机器人的总体方案，设计了机器人的机械部分，并阐述了必要的防水密封设计。基于DSP CPLD的控制系统框架，设计了控制系统的电路原理图和PCB图，并对电路板进行了测试。
最后，设计了上下位机的载波通讯程序，结合硬件电路对载波通讯部分进行了测试，实验表明载波通讯模块工作正常，性能可靠。基于Verilog-HDL语言设计了CPLD程序，仿真结果表明CPLD各控制信号逻辑关系正确。利用CCS5.2软件设计了DSP嵌入式软件，测试了机器人的控制流程和基本行走模式的状态转换，并编写了步进电机的调试程序。
