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基于 ARM 的嵌入式象棋机器人控制系统的硬件设计

作者：包虹璐日期：2015-12-25 13:28 来源：未知

【文章摘要】
智能象棋机器人是一种综合了人工智能、机器人智能控制及图像处理等多种技术为一体的娱乐机器人，它主要由管理模块、运功控制模块及处理模块三个模块组成。目前的象棋机器人的上位机以基于ARM处理器的嵌入式系统取代之前的PC机。本文的主要内容是分析了基于ARM的嵌入式象棋机器人控制系统的硬件设计原则及设计过程。
【关键词】
嵌入式系统;象棋机器人;硬件设计
0 引言
机器人技术作为20世纪最突出的人类发明之一，人类在这一方面不断加深研究，获得了巨大的进步，在发展的过程中，也在不断调整着机器人技术的发展方向，目前，机器人技术的发展方向主要是智能化、独立化。随着社会经济不断发展，人们的生活水平不断提高,中国象棋也逐渐成为一种娱乐方式，人们享受着它的乐趣。象棋机器人这一智能娱乐机器人为人们提供象棋对弈,使人们在对弈过程中充分享受象棋的乐趣。智能象棋机器人为了实现与人对弈就需要会“观察”棋盘变化,并针对变化做出“决策”,以获得最终胜利为目标，为了实现这一功能，智能象棋机器人的控制系统起着关键作用，控制系统的运行及实现与硬件是不可分割的，因此硬件设计也是十分重要的。
1 系统设计的设计原则
为了实现系统各功能模块之间的协调运作，使系统高效运行，在设计时提出以下几点原则：
第一，硬件设计实行模块化。根据象棋机器人系统的不同功能模块，可将整个系统分成图像处理模块、ARM控制模块以及机械臂运动控制模这三大模块。因此为了节约成本、提高系统可靠性，在进行机器人控制系统的硬件设计时也以这三个模块为划分进行设计,这样也实现了抑制的功能分析，同时也降低了设计的难度。
第二，接口设计方面实现标准化。在进行接口设计时,为了提高控制系统硬件的可扩展性，一般采用的都是标准接口,同时标准接口的相关参考资料在查找时也比较容易而且较多，这样也有利于编写系统驱动程序,甚至在编写某些接口的驱动程序时采用已完成的程序不必再重新编写，这样也直接缩短了系统的开发周期,有利于提高系统运行的可靠性、稳定性。
第三，进行更具扩展性的电路设计。在电路设计的过程中留下可扩展及修改的余地,因为硬件在升级的时候不像软件那么方便，只需对数据处理模式及算法进行修改或增加。为了实现系统的大幅度性能提升,硬件的升级需要进行较大的修改，因此在进行硬件设计时尽量留下多余空间 , 方便以后的修改和扩充。
第四，芯片选型时依据可靠性原则。在为系统进行芯片选型时上不能以最新或是功能最强为目标,而应以可靠性作为选取原则,更优先的选择已经被实践证明过的可靠性、稳定性更好的芯片。一般而言，最新的芯片没有经过实践极有可能会在运用过程中出现BUG,而且与它相匹配的相关技术可能没有完善,因此如果过于盲目的去追求最新、最强的芯片就可能给系统开发留下缺憾。
2 硬件设计
象棋机器人ARM控制系统的硬件部分通常分为两大模块：核心模块和扩展模块。两大模块的连接是通过 SO-DIMM200标准接口实现,这样一来可以实现快速拆分。硬件的核心模块通常包含晶振、S3C2410、NOR FLASH. NAND FLASH 、SDRAM等基本部件,主要组成了系统的电源电路、系统时钟电路、复位电路等电路模块。硬件的扩展模块通常包含电源接口、以太网接口、键盘鼠标接口、RS232接口等。进行硬件设计时主要设计步骤如下：
第一，进行芯片选型。在进行CPU处理器选型时，应该选取目前使用最为广泛是当前使用主流的，充分考虑外围设备及处理器的性能，选择性价比及具有较高稳定性的芯片，选取外围器件时也应该使用被广泛使用过的，选取高性价比便于采购的，同时所选择的外围器件要具有可替代性，方便替代更换。
第二，进行核心板电路设计。核心电路设计是进行系统硬件设计的关键过程，核心电路板由 CPU、NOR Flash、NAND Flash、电源、系统时钟、复位等多部分构成。选取好核心板芯片后，芯片的内部控制器能够提供足够的硬件资源地址给外部存储器，因此对硬件资源地址进行合理分配对核心电路的设计很重要。核心板电路设计时需对每一部分进行设计，包括核心板电源电路、存储器电路等等。
第三，进行扩展板电路设计。扩展板电路设计时也是对各部分进行电路设计，包括电源电路、HPI接口电路、USB接口电路等等。
第四，进行 PCB 板设计。PCB 板的设计通常是按照一定流程来进行。首先，进行前期准备，前期准备主要包括建立元件库及绘制原理图。其次，进行PCB结构设计，根据事先确定的所有机械定位及电路板尺寸，进行PCB板面绘制，将所需插件、螺丝孔等按相关定位要求进行放置。然后进行PCB布局，利用生成的网络表进行下一步的器件布局，将原件即美观又科学合理的布置到电路板上，通常是进行手工布局，会需要较长时间。为了完成PCB板设计，还需要进行中间层的定义及设计、设置布线规则并进行合理布线及优化、分割内电层，最后进行DRC检查及文件的输出。
第五，进行电路的抗干扰设计。因为高速电路可能会导致电磁兼容及信号完整性的问题出现，因此需要进行电路的抗干扰设计，一般采用干扰滤波、接地等技术解决电磁兼容的问题。为了保证信号完整性，一般在设计的时候考虑电源滤波及地弹效应，通常使用去耦电容法解决地弹效应，为了降低系统噪声，应尽量使高速芯片的电源引脚靠近电源，还可在电源上加上一个10 的电容消除电源引起的低频噪音。
3 总结
本文主要对基于ARM的嵌入式象棋机器人控制系统的硬件设计原则及设计过程进行了研究，有利于象棋机器人控制系统的进一步发展，为象棋机器人的控制系统升级提供了一定的意见，象棋机器人的发展提高了人们的生活水平。
【参考文献】
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