2.1 FPGA主控芯片模塊設計
　　FPGA主控芯片模塊采用Altera公司CycloneⅢ系FPGA芯片EP3C25F25617作為控制，負責肌電信號和多種傳感器信號的處理、與手指電路的通信、USB通信、CAN通信接口等功能。同時，主控芯片模塊還負責大拇指內旋/外展自由度驅動電機的控制。各個功能通過VHDL語言進行編寫，F(xiàn)PGA中嵌入雙NIOS核構成雙核處理器，其中一個NIOS核用于肌電信號處理，另一個NIOS核用于通信;雙核通過2M的EEPROM進行通信。FPGA功能框圖如圖2.

圖2 FPGA功能框圖

　　RS—485通信通過在NIOS核內自定義元件AutoSCI控制RS—485收發(fā)接口芯片MAX3362實現(xiàn)。MAX3362收發(fā)芯片可通過3.3 V低壓實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送。CAN與LVDS通信采用復用電路設計(圖3)，通過更換接收發(fā)送接口芯片完成功能轉換。CAN通信采用TI公司的CAN收發(fā)器SN65HVD230QD作為接口芯片。LVDS通信采用TI公司的半雙工LVDS收發(fā)接口芯片SN65LVDM176，構成PPSeCo高速串行通信系統(tǒng)與PCI控制卡通信，通信速率可達25 Mbps，保證控制信息與傳感器信息傳送的及時性。

圖3 CAN通信/LVDS通信復用電路

　　拇指內旋/外展自由度驅動電機由NIOS核中自定義元件PWM控制。元件功能通過VHDL語言編寫，PWM波周期和占空比均可調。電機驅動芯片采用MPC17531A，其內部集成雙H橋，可直接控制直流有刷電機。
　　2.2手指運動控制模塊設計
　　五根手指的運動控制模塊采用相同的設計方案，增強系統(tǒng)的互換性與通用性。該模塊由DSP作為控制，直流有刷電機驅動芯片MPC17531A作為電機驅動芯片，負責手指電機的驅動，力矩傳感器、位置傳感器、電機電流傳感器信號的采集與處理，以及與觸覺傳感器系統(tǒng)的通信，各項數(shù)據(jù)通過RS—485通信接口與主控芯片模塊通信?？刂颇K如圖4.

圖4 手指運動控制模塊功能框圖

　　該模塊采用的DSP TMS320F28027運行速率高，封裝小。內部集成的16通道12位A/D轉換器可實現(xiàn)對力矩、位置、電機電流信號的采樣。串行異步通信接口通過RS—485收發(fā)接口芯片實現(xiàn)與主控芯片模塊通信。EPWM模塊可直接控制直流有刷電機驅動芯片MPC17531A.
　　如圖5，關節(jié)力矩傳感器信號采集系統(tǒng)包括力矩傳感器、處理放大電路、濾波電路和A/D轉換電路。力矩傳感器基于應變原理，采用儀表放大器INA337組成半橋電路對力矩信號進行放大后通過RC濾波電路進入A/D轉換芯片。

圖5 力矩傳感器信號采集系統(tǒng)

　　如圖6，關節(jié)位置傳感器信號采集系統(tǒng)包括位置傳感器、處理放大電路、濾波電路和A/D轉換電路。位置傳感器基于旋轉電位器原理，采用集成運放MAX9618對電位器信號進行放大后通過RC濾波電路進入A/D轉換芯片。

圖6 位置傳感器信號采集系統(tǒng)

　　2.3肌電信號采集模塊設計
　　肌電信號采集模塊用來采集肌電電極的信號以及對信號的濾波和D/A轉換后存儲在CPU中，包括RC電路組成的濾波電路、D/A轉換電路和電壓轉換電路。數(shù)字信號通過電壓轉換芯片轉換為3.3 V電壓，通過SPI接口輸入到CPU中央處理器。
　　2.4電池管理系統(tǒng)模塊設計
　　電池管理模塊包括電池、電流傳感器、蜂鳴器電路、LED顯示電路。電流傳感器實時監(jiān)測電池輸出電流大小，通過LED顯示電路和蜂鳴器電路顯示充電狀態(tài)和電池電量過低報警。
　　3軟件實現(xiàn)
　　在FPGA控制器程序設計中主要完成各系統(tǒng)參數(shù)的初始化與控制算法的實現(xiàn)，具體由如下幾部分構成：
　　1)與上位機通信部分：通過3種方式與上位機通信，獲得控制指令，分別為USB通信、LVDS通信、CAN通信，其中LVDS通信與CAN通信不能同時使用;
　　2)肌電信號采集部分：通過A/D轉換芯片將肌電電極信號轉換為數(shù)字量，并經(jīng)過運算處理得到控制指令;
　　3)與手指運動控制模塊通信部分：通過SCI接口實現(xiàn)與手指運動控制模塊的RS—485通信;
　　4)生成驅動電機控制參數(shù)部分：運算處理控制指令，生成電機運動參數(shù)(方向與占空比)。
　　控制流程圖如圖7所示。

圖7 FPGA控制流程圖

　　DSP控制程序主要完成DSP各參數(shù)的初始化，控制流程圖如圖8.

圖8 DSP控制流程圖

　　4假手抓取實驗
　　基于上述設計，研制出HIT V假手樣機，進行抓取實驗(圖9)，可實現(xiàn)多種動作模式的抓取，分別為：兩指捏取、三指捏取、圓柱抓取、球形抓取、單指指向、胡克抓取、側邊捏取、五指端取?？刂七^程中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足仿人假手運動控制和傳感器信息采集要求。

圖9 多指抓取實驗