Entwicklung generischer Kommunikationsmodule für einen universellen seriellen Bus

Kurzfassung

Ein humanoider Roboter des Instituts für Robotik und Mechatronik verfügt über ein Halsgelenk, das mit Hilfe von vier Servomodulen bewegt werden kann. Diese werden bisher separiert vom Hauptsystem des Roboters durch einen Mikrocontroller angesteuert. Die Motivation der vorliegenden Arbeit besteht darin, dieses Aktuierungssystem zukünftig in das Hauptsystem zu integrieren. Der Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung generischer Module in VHDL, die ein bestehendes serielles Kommunikationsprotokoll umsetzen. Dabei wird ein parametrisierbares Modul für den Einsatz in einem separierten Slave entwickelt. Das Modul für die Slaves enthält eine generische Schnittstelle, an die je nach Bedarf Aktoren und Sensoren - gegebenenfalls über weitere übliche Protokolle - angebunden werden können. Mit Hilfe der Kommunikationsmodule kann das Aktuierungssystem von einem zentralen Master aus über immer dasselbe Protokoll angesteuert werden, ohne dass dabei die unterschiedlichen Arten der lokalen Signalisierung in den Slaves bekannt sein oder berücksichtigt werden müssen. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Umsetzung durch FPGAs, welche in diesem Fall den Vorteil bieten, ein sehr schlankes Datenprotokoll für die Kommunikation zwischen Mastern und Slaves verwenden zu können. Dieses Datenprotokoll ist eine institutseigene Entwicklung einer bidirektionalen Schnittstelle für die Verbindung zu Aktoren und Sensoren. Mit dem Ansatz kann zudem die Anzahl der benötigten Peripherie-Einheiten - eine Paarung aus FPGA-Platine und einem Aktor oder Sensor - im Laufe der Entwicklung möglichst lange variabel gehalten werden. Die endgültige Konfiguration wird dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend erst zum Zeitpunkt der Kompilierung festgelegt. Auf der gemeinsamen Hauptplatine, also dem Mastersystem, wird ein System-on-a-Chip (SoC) verwendet, das einen ARM-Prozessor und ein FPGA vereint. Für die Anbindung der Aktoren und Sensoren an die Slaves können verschiedene Protokolle verwendet werden, beispielsweise SPI, I2C oder UART. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird für die Validierung UART verwendet. Durch eine geeignete Schnittstelle am Slave-Modul wird aber die Vorkehrung dafür getroffen, dass andere Protokolle ohne Änderung am eigentlichen Kommunikationsteil verwendet werden können. Das zu entwickelnde System soll am Institut neben der initialen Motivation auch für sonstige Anwendungen eingesetzt werden können, in denen eine abstrahierte Kommunikation zu UART, SPI oder I2C zwischen einem Hauptsystem und Peripherie-Geräten stattfinden soll, und sich nicht auf das genannte Aktuierungssystem beschränken.