I2C总线通信技术在球形机器人双DSP控制系统中的应用

当前，机器视觉技术与运动控制技术正日益成为新一代智能机器人系统的热门技术，在反恐防爆与抗险救灾、星际探测、地质勘察等领域，机器视觉技术和运动控制技术都已得到大量应用。然而，在很多情况下，这两种技术的无缝联结和有机融合却并不理想，以至直接影响到它们的使用效果。笔者通过研究和探索发现，机器人控制系统硬件平台搭建得合理与否是影响上述技术协调工作的重要原因之一。

对于传统的机器人控制系统来说，选用单一的核心芯片将难以让其在机器视觉和运动控制两方面都具有优良的表现，将会导致机器人综合效能得不到充分发挥。众多的集成芯片生产厂家意识到图像处理和运动控制将会是未来半导体芯片的两大重要应用领域，都纷纷推出了基于上述两种应用的芯片。

笔者经过系统研究认识到，利用TI公司的C6000+C2000系列芯片搭建的机器人控制系统架构方案可在机器视觉和运动控制之间找到了一个很好的结合点和平衡点，能较好地起到功能互补的效果。但应当看到，C6000和C2000虽同属TI公司的产品线，而两者的体系架构是不同的，在选择双DSP建立系统时，如何处理它们之间的信号交互和协调工作是必须解决的首要问题。新型双DSP架构的信息交互机制的研究无论在学术上，还是在应用上都具有重大意义。

球形机器人控制系统的整体架构

笔者所在科研团队新近研制了一种新型球形机器人，该机器人能自动扫描和跟踪目标，并可根据图像传感器采集到的数据自主对目标进行识别和判断，属于典型的机器视觉和运动控制相互协调、并行工作的系统。在搭建该球形机器人控制系统时，笔者采用了DSP C6000+C2000的双核架构。其中，C6000芯片主要用来对采集的现场图像信息进行分析和处理，完成目标识别和判断，并输出处理结果;C2000芯片主要用来接收C6000芯片的处理结果，并完成相应的任务管理，如视觉系统云台的扫描运动、防御功能的实现等等。该机器人控制系统的硬件结构如图1所示。

在C6000芯片的选型上，选择了TMS320DM6437(以下简称DM6437)芯片，它是目前TI公司的TMS320C6000系列中性能较好的定点DSP之一。在C2000芯片的选择上，选择了TMS320F28015(以下简称F28015)芯片，它是TI公司推出的低成本，低功耗，基于TMS320C28x内核的定点控制器芯片。

DSP C6000+C2000的组合架构形式，既解决了C6000控制能力稍显不足的问题，又克服了C2000图像处理功能薄弱的缺点，可以最大程度地满足球形机器人控制系统在综合性能上的需求。但是，引入了强大的双DSP系统后，随之而来的便是两者之间的通信问题，若处理不好，反而会适得其反。因此，双DSP芯片间的通信接口的设计是保证整体机器人控制系统能完成高效协调工作的关键所在。

球形机器人控制系统双处理器通信接口方案的选择

笔者在研究过程中曾仔细分析过双DSP架构的硬件结构，发现C6000与C2000硬连接的接口方式可以多种多样，如串口(UART)连接、USB连接、以太网(Ethernet)连接、HPI并行连接、I2C总线连接等。这些方式各有优缺点和各自的适应场合，须考虑自身功能和外部环境的需求来合理选择。表1给出了上述几种信号传输接口的各自性能比较。

从表1中可以看出，I2C为片内总线接口，其接口连接简单可靠，非常适合于短距离高效通信。注意到DM6437和F28015片上都拥有I2C模块，且将双DSP做在同一块PCB板上可以大大减小控制板卡的尺寸，降低电磁干扰，提高整个系统的可靠性。采用这样的硬件设计思路后，片内总线就应该成为首选的通信方式了。而I2C通信是一种很简捷高效的片内总线，其不占用芯片额外资源，除了通信可靠性高外，该接口的硬件设计难度也较小，因此，新型球形机器人控制系统最终确定I2C接口为双DSP的通信接口方式。

球形机器人控制系统的接口设计

I2C总线介绍

I2C总线(Inter IC Bus)是一种用于IC器件之间连接的二进制总线。它通过SDA(串行数据线)及SCI(并行时钟线)两根线，在连到总线上的器件之间传送数据。它根据地址识别每个支持I2C接口的器件。

I2C总线的基本结构

采用I2C总线标准的I2C器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且实现了将内部各单元按功能划分为若干相对应独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。CPU不仅能通过指令将某个功能单元挂靠和摘离总线，还可对单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统简单和灵活的扩展和控制。I2C接口电路结构如图2所示。

来源：电子产品世界