微处理器：控制领域领先的决策与执行桥梁

一个智能中型足球机器人就好比一个足球运动员，决策的战术意图最终要通过智能中型足球机器人本体来实现。所以，智能中型足球机器人本体的性能好坏，对比赛的胜负起着举足轻重的作用。智能中型足球机器人的足球比赛是一个高速、高对抗的比赛，比赛环境恶劣，干扰来自各个方面，如电动机产生磁场会影响智能中型足球机器人，猛烈的撞击也会对电动机和电动机驱动产生影响。这对智能中型机器人本体的稳定性、运动性和底层硬件电路控制系统的设计都提出了更高的要求，而这些又主要由底层的微处理器和外围驱动电路来决定，外围驱动电路又由微分处理器来发送控制信息。因此，微处理器在底层控制系统中起着核心作用。

1.常用微处理器

微处理器在智能中型足球机器人中起着承上启下的作用。对上需要与决策上位机建立实时信息交互，根据决策上位机发出的指令实现智能中型足球机器人的运作；对下需要对智能中型机器人的各种执行机构进行控制。可以说，微处理器起着决策上位机与执行机构之间的桥梁与纽带的作用。微处理器的基本任务是：与决策上位机保持数据通信，并将决策上位机发出的指令转为对智能中型足球机器人电动机驱动、传感器以及踢球机构的控制信号，实现智能中型足球机器人在场地上的移动和踢球等动作。

由于嵌入式系统具有高性能、小体积、低功耗等特点，在智能中型足球机器人底层的控制上已被广泛采用。而微处理器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、FPGA/CPLD芯片三种嵌入式处理器在嵌入式系统中的应用处于三分天下的局面，它们各自具有独特的优势，但在某些方面又略显不足。

（1）微处理器（MCU）中文全称为微控制单元（Micro Controller Unit），又称单片微型计算机。它是将计算机的CPU、RAM、ROM、定时器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机。其代表产品是51单片机和ARM微处理器。因为微处理器具有丰富的软件系统支持，目前在控制领域占据领先地位。伊朗MRI队的智能中型足球机器人底层微控制器采用的是PIC单片机，他们在2008年苏州机器人世界杯比赛中获得技术挑战赛的冠军。

（2）数字信号处理器（DSP）这是一种具有特殊结构的微处理器。数字信号处理器芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的处理器指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。在海量数据处理方面，数字信号处理器可以尽情发挥它的优势。上海交通大学“蛟龙”队智能中型足球机器人的运动控制用的是一个数字信号处理器芯片和一个CPLD的结合，根据反馈到电动机驱动器上的编码器数据来控制智能中型足球机器人的速度和发出适当指令信号。

（3）可编程门阵列/逻辑器件（FPGA/CPLD）目前，使用最广泛的可编程逻辑器件有两类：现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）。FPGA/CPLD是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。在高速复杂逻辑处理方面，它占据绝对优势，并且凭借其超大规模的单芯片容量和硬电路的高速并行运算能力，在信号处理方面也显示出很大优势。德国Tribots队的智能中型足球机器人的底层主控单元就是采用现场可编程门阵列作为主控芯片，上海大学Legends队的智能中型足球机器人也采用了复杂可编程逻辑器件。(www.xing528.com)

2.基于现场可编程门阵列的可编程片上系统（System On Programmable Chip，SOPC）介绍

随着多媒体、网络化、移动化的发展，过去利用印制板技术和IC芯片来实现的系统，由于芯片之间延迟过长、电压较高、体积较大等因素，使其无法满足市场对整机系统越来越高的性能要求。正是在市场需求和集成电路技术发展的双重作用下，出现了将整个电子系统集成到单个芯片上的技术，即片上系统（System On Chip，SOC）。所谓片上系统技术，是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用片上系统技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。片上系统是以嵌入式系统为核心，集软件、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题。

在传统的应用电子系统设计中，需要根据设计要求对整个系统进行综合，即要根据设计要求的功能，寻找相应的集成电路；再根据设计要求的技术指标设计所选电路的连接方式和参数。这种设计的结果是一个以功能集成电路为基础、器件分布式的应用电子系统结构。设计结果能否满足设计要求不仅取决于电路芯片的技术参数，而且与整个系统PCB板图的电磁兼容特性有关。对于片上系统来说，应用电子系统的设计也是根据功能和参数要求设计系统，但与传统方法有着本质的差别。片上系统不是以功能电路为基础的分布式系统综合技术，而是以功能IP为基础的系统固件和电路综合技术。首先，功能的实现不再针对功能电路进行综合，而是针对系统整体固件的实现进行电路综合，也就是利用IP技术对系统整体进行电路综合。其次，电路设计的最终结果与IP功能模块和固件特性有关，而与PCB上电路分块的方式和连线技术基本无关，从而使设计结果的电磁兼容特性得到极大的提高。换句话说，就是所设计的结果十分接近理想设计目标。基于专用集成电路（Application Specific In-tegrated Circuit，ASIC）的片上系统具有设计周期长、改版投资大、灵活性差等缺陷，制约着它的应用范围。可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展，取得了长足的进步。这种器件在早期只能存储少量数据，完成简单的逻辑功能。随着工艺技术的发展，超大规模的、高速、低功耗的新型现场可编程门阵列不断推出，新一代的现场可编程门阵列已集成了中央处理器或数字处理器内核，实现了在一片现场可编程门阵列上进行软件、硬件协同设计。因此，现场可编程门阵列已经可以部分实现片上系统。

正是由于SOC/FPGA的诸多优势，现场可编程门阵列已经在机器人控制领域得到了广泛的应用。通过现场可编程门阵列厂家提供的丰富的IP核，可设计出各种各样的控制系统模块，而模块化非常有利于机器人控制器开放特性的实现。现场可编程门阵列能够将大量逻辑功能集成于单芯片中，节省资源、设计灵活、可靠程度高，而且系统结构极为紧凑。虽然现场可编程门阵列在逻辑实现上具有无与伦比的优势，但是运算能力低于DSP。在现场可编程门阵列中嵌入NiosⅡ软核处理器则弥补了这一缺陷。

NiosⅡ是Altera公司于2004年推出的业界第一款为可编程逻辑优化的可配置处理器。它主要是利用Altera公司最新的NiosⅡ软核处理器技术，通过将包括16位或32位高性能处理器在内的多种应用模块嵌入一个通用的现场可编程门阵列器件内，实现了一个完全可重置的嵌入式系统，即可编程片上系统（System On Programmable Chip，SOPC）方案。该嵌入处理器是由以精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）为基础的，可配置、可裁减的软核处理器，结合丰富的外部设备、专用指令和硬件加速单元创建的专用片上可编程系统。处理器具有32位指令集和32位数据通道，通过配置可以得到很广泛的应用。

智能中型足球机器人底层控制系统由处理器单元、存储单元、通信单元、运动控制单元、电动机驱动单元、踢球控制单元以及其他辅助单元组成。采用可编程片上系统技术对控制器各个功能模块进行组织，不但解决了微处理器结构做一处修改就要对整个现场可编程门阵列系统重新规划的问题，而且实现了底层控制系统存在的结构设计复杂、功能变化多、实时性要求高等要求。