本論文依據小型人形機器人硬體系統整合設計之需求，提出一個機器人控制平台之系統晶片(SOC)設計方案。本論文應用以一個ARM 核心為系統晶片架構，藉由系統晶片的高度控制介面整合，讓機器人系統未來在影像辨識或平衡演算的處理上更具彈性，藉由ARM平台的優點讓所完成的人形機器人之控制平台成為一個高效能且低功耗的系統。本論文使用韓國三星電子之SC32442系統晶片作為系統平台核心，並且實現的PCB尺寸大小為10×10平方公分。軟體系統使用Linux多工作業平台，並且設計UART介面程式來控制RS485伺服馬達，以實現多工平台設計。

A hardware system design method based on a System-On-a-Chip (SOC) is proposed to implement a control platform for the small-size humanoid robot. Humanoid robot needs to perform large and complex mathematical calculations for the image process and balancing control process. ARM-based SOC has the advantages of a high performance and low power consumption. In this thesis, a system structure based on an ARM-based SOC is proposed so that it is suitable for the implementation of a small-size humanoid robot. In this thesis, the SOC SC32442 designed by the Samsung Electronics is considered to be the core of ARM-based embedded platform and the size of the PCB is 10 cm×10 cm. Linux software system is considered for the multitasking of this platform. An UART interface program is designed in this platform to control the RS485 servo motors in order to achieve multi-platform design.

目    錄

第一章 序論	1
1.1 背景介紹	1
1.2 研究動機與目的	3
第二章 系統設計與解決方案	5
2.1 系統設計	5
2.1.1 系統功能規格	6
2.1.2 資料流及系統架構設計說明	15
2.1.3 系統硬體及PCB設計	22
2.2 系統製作	40
2.2.1 PCB 製作	41
2.2.2 系統SMT (Surface-mount technology)作業	43
2.3 問題解決方案	46
2.3.1 問題敍述	46
2.3.2 Boot Loader Structural	48
第三章 設計成果	52
第四章 結論與未來遠景	70
參考文獻	72

 
圖 目 錄

圖1.1 Honda ASIMO [1]	1
圖2.1 第四代機器人原型機 [3]	6
圖2.2 人形機器人架構圖	7
圖2.3 人機介面應用程式[3]	8
圖2.4 影像偵測模組硬體架構	11
圖2.5 機器人紅外線設計配置 [3]	12
圖2.6 紅外線測距感測器[3]	13
圖2.7 紅外線測距讀值 [3]	13
圖2.8 機器人系統架構圖 [3]	14
圖2.9 機器人控制模組 [3]	15
圖2.10 ARM920T 核心架構圖 [4]	16
圖2.11 AMBA BUS [5]架構	17
圖2.12 SC32442 核心架構圖 [11]	18
圖2.13 系統方塊圖	19
圖2.14 電源系統架構	20
圖2.15 RS485 控制迴路	22
圖2.16 RS485 腳位定義 [7]	23
圖2.17 RX-28 伺服馬達 [7]	23
圖2.18 並列控制 BUFFER	24
圖2.19 馬達控制時序	25
圖2.20 紅外線測距感測器介面	26
圖2.21 CMOS 感測器 控制介面	28
圖2.22 CMIF控制時序 [11]	29
圖2.23 RS232 介面	30
圖2.24  TFT LCD 控制時序 [11]	31
圖2.27 電源管理模式 [11]	31
圖2.28 POWER ON 時序 [11]	32
圖2.29 特性阻抗計算軟體	35
圖2.30 SC32442 IC元件包裝 [10]	36
圖 2.31 (a) SKILL, (b) TOP, (c) BOTTOM, (d) L2.	37
圖 2.31 (續) (e) L3 GND， (f) L4 vcc， (g) L5， (h) PM- TOP， (i) SM-TOP， (j) SM-Bottom	38
圖2.32 PCB印電路板製作流程	41
圖2.33 系統PCB成品	41
圖2.34. 錫膏機進行機板錫膏印	42
圖2.35. 機板錫膏印製完成	42
圖2.36. SMT高速機R’L’C打件	42
圖2.37. 泛用機進行IC元件打件	42
圖2.38. PCB迴焊作業	42
圖2.39. 機板進行光學檢測	42
圖2.40 SMT 作業流程	43
圖2.41 BGA rework station	44
圖2.42 系統驗証流程	46
圖2.43 ID讀取	46
圖2.44 BOOTLOADER 程式燒錄	47
圖2.45 Nand Flash讀取控制時序 [11]	48
圖2.46 UART系統資訊傳送	49
圖2.47軟體系統架構圖	50
圖2.48 Linux作業系統完成架設 [12]	50
圖3.1. 壓力感測器控制流程圖[12]	53
圖3.2 壓力感測器讀取[12]	56
圖3.3 壓力感測器讀取8筆資料[12]	56
圖3.4非零基本空間向量角度[13]	57
圖3.5 電壓空間向量的線組合方式[13]	58
圖3.6 SD IO 控制介面	60
圖3.7 SD Card 設計配置	61
圖3.8 IIC 介面G-Sensor 設計原理	62
圖3.9 IIC通訊標準 [11]	63
圖3.10 G-Sensor 設計配置	63
圖3.11 觸控面板之控制信號	64
圖3.12 觸控面板結構	64
圖3.13 觸控設計配置	64
圖3.14 Audio設計架構	65
圖3.15 IIS通訊格式 [11]	65
圖3.16 Audio Codec硬體設計配置	66
圖3.17作業系統啟動	68
圖3.18 系統功率消耗實驗	68
 
表 目 錄

表1 . 紅外線測距感測器腳位功能定義 [3]	27
表2. CMOS腳位功能說明 [11]	29
表3. PCB製作規格表	40
表4. 馬達控制相關函式 [12]	52
表5.  壓力感測器控制相關函式 [12]	54
表6. 壓力感測器傳送與接收封包格式 [12 ]	55

[1] 	Taiwan HONDA URL://www.honda-taiwan.com.tw/tech/asimo/ASIMO01.html
[2] 	任苙萍，電子與電腦，電子工業出版社，2006。
[3] 	楊玉婷，自主人形機器人的避障與視覺為基射門之設計與實現，淡江大學電機工程學系碩士論文，2007。
[4] 	ARM Limited, ARM9TDMI Technical Reference Manual Rev 3, 2000.
[5] 	Rene.beuchat, Advanced Microcontroller Bus Architecture (AMBA), V2.0, 2005.
[6] 	MAXIM Electronics, Low-Power Slew-Rate-Limited RS-485/ RS-422 Transceivers Data Sheet Rev.5, 1996.
[7] 	ROBOTIS, Dynamixel RX-28 User’s Manual V1.10, pp. 6.
[8] 	陳慶逸、林昱翰，VHDL 數位電路實習與專題設計，文魁資訊股份有限公司，2003.
[9] 	S. H. Hall, G. W. Hall, J. A. McCall, High-speed Digital System Design a Handbook of Interconnect Theory and Design Practices, Wiley, 2000.
[10] 	SAMSUNG Electronics, Samsung MSP Solution V0.1, Jan. 2005.
[11] 	SAMSUNG Electronics, Sc32442A45 User’s Manual, 2004.
[12] 	李維聰、蔡佳良、王彥博、廖國宏、楊慧玉，具有教育及競賽功能的人形機器人系統之設計與開發-子計畫三：機器人即時分散嵌入式系統之研究，2007。
 
[13] 	網站:自動化在線 Autooo.net 用spmc75實現svpwm合成 
	URL: http://www.autooo.net/utf8-classid124-id46416.html