Курсовая работа
по схемотехнике
Тема
Разработкаконтроллера управления робототехнической системы
Исходныеданные
1. Контроллеруправления робототехнической системой (только цифровая часть системы).
2. Обрабатываемыекоманды: «Поднять кисть», «Опустить кисть», «Сжать кисть», «Разжать кисть», атакже команды перемещения кисти в плоскости.
3. Кодыкоманд управления роботом поступают в систему управления с внешнего носителяинформации через ИРПР.
4. Элементнаябаза — ТТЛ-совместимые микросхемы
5. Критерийпроектирования – минимум затрат
Содержаниерасчетно-пояснительной записки:
1. Листзадания (критерии проектирования)
2. Аннотация– краткое содержание
3. Постановказадачи
4. Общаясхема алгоритма описания закона функционирования
5. Выборпринципа структурной организации (состав, структура устройства)
6. Синтезфункциональной и принципиальной электрических схем
7. Построениевременных диаграмм
8. Оценкааппаратных затрат
9. Оценкапотребляемой мощности
10. Списоклитературы
Перечень графическогоматериала:
1. Схемаэлектрическая принципиальная
2. Переченьэлементов
Задание
Разработатьконтроллер управления робототехнической системой (разрабатывается толькоцифровая часть системы). Робот должен отрабатывать команды: «Поднятькисть», «Опустить кисть», «Сжать кисть», «Разжатькисть», а также команды перемещения кисти в плоскости. Коды командуправления роботом поступают в систему управления с внешнего носителяинформации через ИРПР.
Элементнаябаза — ТТЛ-совместимые микросхемы.
Анализ задания ипостановка задачи
Устройство должнопринимать коды команд, а также относительные координаты перемещения кисти вслучае получения кода перемещения кисти. Полный список команд, выполняемыхроботом:
1) Поднятькисть.
2) Опуститькисть.
3) Сжатькисть.
4) Разжатькисть.
5) Двигатьсявлево.
6) Двигатьсявправо.
7) Двигатьсявверх.
8) Двигатьсявниз.
Будем считать, что покраям области, в которой может двигаться робот стоят датчики, которыесрабатывают при достижении роботом соответствующей границы.
Предусмотрим также наустройстве переключатель сброса, который принудительно завершает выполнениетекущей команды и запускает процедуру установления робота в начальноеположение.
Таким образом, задачапроектируемого устройства – преобразование входных данных в унитарный код,подаваемый на соответствующий выходной разъём. Причём в случае командыперемещения кисти унитарный код требуется подать на разъём число раз, указанноево втором входном байте.Описание алгоритма работы устройства
Накаждом цикле своей работы устройство получает байт с кодом команды и числомшагов в случае команды движения.
Каждый цикл начинаетсяс отправки устройством в ИРПР сигнала ЗП. После чего устройство ожидает сигналСТР, по которому считывает байт данных. Из полученного байта данных устройствополучает код команды; если код команды соответствует:
1) Командамдвижения. То в специальный счётчик записывается часть входного байта,отвечающая за число шагов, и на выходной разъём будет подано соответствующеечисло импульсов унитарного кода. Если во время движения сработает один издатчиков по краям поля, то выполнение команды прекращается.
2) Командамуправления кистью, то отправляется соответствующий унитарный код, причём всегдатолько один раз.
Если был полученвнешний сигнал сброса, то на выходной разъём подаются сигналы «влево» и «вверх»до тех пор, пока не сработают соответствующие датчики по краям поля.
После выполнениякоманды устройство снова отправляет сигнал ЗП и т.д.
Формат входного байта:7 6 5 4 3 2 1 Положительное целое число от 0 до 31 Код команды Структурная организация устройства
Всоответствии с алгоритмом необходимы следующие блоки:
1) Блокпринятия байта данных из ИРПР, который сохраняет его в специальном регистре.
2) Схемавывода, которая отправляет унитарный код на выходной разъём требуемое число разс некоторой задержкой.
3) Преобразовательвходного байта в унитарный код и количество повторений.
4) Системабезопасности, которая прекращает выполнение команды в случае сработки датчикови не позволяет в дальнейшем выполнять команды движения в соответствующуюсторону.
5) Управляющийавтомат.
6) Генераторимпульсов.
/>
Рис.1. Структурная схема устройства.
Входныесигналы:
1) RESET – внешний сигналсброса устройства в начальное положение.
2) S0/S3– датчики по краям области движения робота. Устанавливаются в единицу, еслиробот достиг соответствующего края.
3) СТР– синхросигнал ИРПР.
4) D0/D7– линия данных ИРПР.
Выходные сигналы:
1) ЗП– сигнал готовности приёмника ИРПР.
2) DO0/DO7– унитарный код управления приводами робота.
Внутренние сигналыустройства:
1) SRC – определяет откудаСистема безопасности должна брать код для вывода на разъём.
2) ERROR –Система безопасностивыдаёт на Управляющий автомат этот сигнал ошибки в случае совпадениянаправления движения робота и соответствующего сигнала от датчика достиженияграницы поля.
3) ZERO – сигнал от Схемывывода, осведомляющий Управляющий автомат об окончании вывода.
4) COUNT – импульс уменьшениязначения счётчика в Схеме вывода.
5) SET – сигнал установкиначального значения счётчика.Синтез принципиальной электрической схемы
Заоснову возьмем серию 1533.Управляющий автомат
Представляетсобой обыкновенный конечный автомат с четырьмя состояниями. Список состояний:
a0– ожидание прихода сигнала стробирования со стороны ИРПР.
a1– вывод сигналов управления роботом.
a2– сброс схемы в начальное состояние (движение влево).
a3– сброс схемы в начальное состояние (движение вверх).
Проектированиебудем осуществлять интерпретационным методом синтеза. Этот метод синтезауправляющего автомата осуществляется на базе обратной структурной таблицыпереходов.
Обратнаяструктурная таблица переходов:
ai
K(ai)
aj
K(aj) X(ai, aj) φ(ai, aj)
a1
a1
a3
01
01
11 a0 00
ERROR
ZERO
ERROR
J0
J0
K0K1 a0 00 a1 01 СТБ
J0 a2 10 a3 11 ERROR
J0
Формированиефункций возбуждения для элементов памяти
Такжевведём возможность сброса системы по сигналу RESET.С учётом того, что выбраны JK-триггерыс инверсным входом K, то функциивозбуждения будут выглядеть:
α= a3 ERROR
J1= RESET
K1= RESET α
J0= RESET(a1ERROR v a1ZERO v a0СТБv a2ERROR)
K0= RESET α
Синхронизацияэлементов памяти осуществляется по срезу сигнала синхронизации – это необходимодля того, чтобы за время нулевого уровня сигнала синхронизации успелипереключиться все части схемы, и, таким образом, схема была полностью готова кначалу следующего такта.Блок приёма данных изИРПР
Представляетсобой 8-разрядный регистр, который считывает данные из ИРПР по фронту сигналаСТБ (в ИРПР данные считаются действительным от фронта до среза сигнала СТБ).Преобразователь кода
Дешифратор,преобразующий входной трёхразрядный код в унитарный восьмиразрядный, имультиплексор, задающий число повторений команды. Модуль выполняет полезнуюработу между тактовыми импульсами. На выходе получаются сигналы C0/C7и L0/L4.
Схема вывода
Состоитиз счётчика и формирователя сигнала ZERO.По сигналу SET (срез такта вокончании состоянии a0) устанавливаетсвоё начальное значение, полученное в преобразователе кода. Осуществляет счётпо сигналу COUNT (фронт такта всостоянии a1).Система безопасности
Блок,который решает выводить сигналы на внешний разъём или нет. Также в этомустройстве осуществляется выбор исходного кода для вывода (в случае сбросаустройства выбирается соответствующий код). Внутри устройства формируетсясигнал OE (OutputEnable) на основе кодасостояния, сигнала ERROR и тактовогосигнала CLC.Генератор импульсов
Создаёттактовые сигналы, управляющие работой устройства. Скважность – 2. Самаядлительная операция (операция преобразования кода) составляет 66 нс, возьмёмвремя такта с запасом – 100 нс. Тогда при учёте, что R1= 1 кОм, а t = 2RC:
C1= t / 2R= 100 нс / 2 кОм = 50 пФ
/>
Рис. 2. Генераторимпульсов.
Временные диаграммы
/>
Рис. 3. Временнаядиаграмма интерфейса ИРПР.
контроллеруправление робототехнический команда
/>
Рис. 4. Временнаядиаграмма работы устройства.Оценка аппаратных затрат и потребляемой мощности
Оценимаппаратные затраты. В схеме использовано 24 микросхемы, 26 конденсаторов, 19резисторов и 2 разъема.
Таблица1. Оценка потребляемой мощности.Тип Ток, мА Задержка, нс Выводов Количество КР1533ИД7 10 22 16 1 КР1533ИР33 24 20 20 1 КР1533КП16 11 24 16 3 КР1533ИЕ7 22 30 16 1 КР1533ТВ15 4 18 16 2 КР1533ЛА1 1.5 11 14 2 КР1533ЛА3 3 11 14 8 КР1533ЛН1 4.2 11 14 3 КР1533ЛИ1 4 14 14 1 КР1533ЛА4 2.2 11 14 1
Суммарноезначение тока 143 мА, что при напряжении питания 5 В дает мощность 715 мВт.
/>Литература
1. Новиков В.Ю., Карпенко Д.Г.Аппаратура для локальных сетей: функции, выбор, разработка. — M.: Эком, 1998.
2. Справочная книгарадиолюбителя-конструктора: В 2-х книгах. Кн. 2 / Варламов Р.Г., Замятин В.Я.,Капчинский Л.М. и др. Под ред. Чистякова Н.И. — 2-е изд, исправ. и доп. — М.:Радио и связь, 1993.
3. Аванесян В.Г., Левшин В.П.Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. — М.: Машиностроение, 1993.