【正文】 化，體積大大減小，功耗和成本下降，可靠性提高。因此微控制器逐漸成為嵌入式 PC 系統(tǒng)的主流核心器件。 微控制器的選用依據(jù)微控制器是整個控制系統(tǒng)的核心部件，直接影響到控制系統(tǒng)的功能和性能。因此，合理選用控制系統(tǒng)的核心控制器，對系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。在硬件平臺的設(shè)計過程中，對微控制器的選型往往需要考慮諸多因素，本課題的微控制器選用依據(jù)主要包括以下幾個方面：(1) 對于微控制器類型，目前國內(nèi)外移動機器人平臺采用的微控制器有多種，如飛思卡爾微控制器、東芝微控制器，甚至有的設(shè)計采用更高檔 16 位、32 位微控制器?？紤]到本文設(shè)計的移動機器人結(jié)構(gòu)特點和功能要求，須在高性能計算與低功耗之間得到很好的平衡。并且該種微控制器的片內(nèi)資源應(yīng)當(dāng)較為豐富，以減小電路板面積并提高整機穩(wěn)定性。(2) 從功能需求上，考慮到移動機器人的運動和動作大多采用直流電機驅(qū)動，因此選用的微控制器應(yīng)具有高精度(分辨率 8 位以上)PWM 功能，以方便實現(xiàn)直流電機的調(diào)速控制。此外，為便于日后擴展移動機器人的功能，微控制器應(yīng)具有較強的 I/O 能力。(3) 從控制軟件開發(fā)支持上，應(yīng)便于開發(fā)和調(diào)試應(yīng)用程序，需要較大的存儲空間和更高的運行速度。同時，為實現(xiàn)電路完成后的程序升級，微控制器需支持代碼在系統(tǒng)下載功能?；谏鲜鲂枨蠓治觯?jīng)過全面調(diào)研、反復(fù)比較，最終選用 ATMEL 公司的ATMEGAI6 型微控制器作為本系統(tǒng)的控制核心。ATmegal6 是基于增強的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進的指令集和單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmegal6 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)111MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 通過將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個芯片內(nèi)，ATmegal6 成為一個功能強大的微控制器，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。 ATMEGA16 微控制器特點1997 年，ATMEL 挪威設(shè)計中心出于市場考慮，充分發(fā)揮其 Flash 技術(shù)優(yōu)勢，推出全新的精簡指令集(RISC)微控制器，簡稱 AVR 微控制器。ATMEGA16 微控制器主要有以下特點：(1)先進的 RISC 結(jié)構(gòu)，工作于 16MHz 時性能高達(dá) 16MIPS；(2)四通道 PWM； (3)8 路 10 位 ADC；片內(nèi)模擬比較器；(4)面向字節(jié)的兩線接口；兩個串行 USART；可工作于主機/ 從機模式的 SPI 串行接口；(5)具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器。 ATMEGA16 微控制器最小系統(tǒng)電路ATMEGA16 微控制器最小系統(tǒng)的硬件線路，主要包括復(fù)位線路、晶振線路、AD轉(zhuǎn)換濾波線路、ISP 下載接口和 JTAG 仿真接口等幾部分。(1)復(fù)位電路的設(shè)計ATMEGA16 已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時的額外時間，故 AVR 外部的復(fù)位線路在上電時，可以設(shè)計得很簡單：直接拉一只 l0K 的電阻到 VCC 即可。但考慮移動機器人的可靠性要求，在設(shè)計時添加了一只 0. luF 的電容以消除干擾和雜波。微控制器復(fù)位電路的原理圖如圖 3. 2 所示。第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計12圖 3. 2 復(fù)位電路的原理圖D3 (1N4148)的作用有兩個：一方面將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在 VCC+0. 5V 左右，另一方面當(dāng)系統(tǒng)斷電時，將 R0 (10K)電阻短路，讓 C0 快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。當(dāng) AVR 在工作時，按下 S0 開關(guān)時，復(fù)位腳 RESET 變成低電平，觸發(fā) AVR 芯片復(fù)位。(2)晶振電路的設(shè)計ATMEGAI6 已經(jīng)內(nèi)置 RC 振蕩線路，可以產(chǎn)生 1M，2M ，4M，8M 的振蕩頻率。但內(nèi)置 RC 振蕩的誤差受溫度影響波動較大，并且使用內(nèi)部 RC 振蕩所產(chǎn)生的功耗遠(yuǎn)大于使用外部晶振，故本設(shè)計采用 8M 外部石英晶振作為系統(tǒng)振蕩源。具體電路見圖 3. 3 晶振電路示意圖。圖 3. 3 晶振電路原理圖早期的 90S 系列微控制器，晶振兩端均需要接 22pF 左右的電容。Mega 微控制器系列實際使用中，這兩只小電容不接也能正常工作?？紤]到線路的規(guī)范，設(shè)計時并未省略 CC2。13(3) AD 轉(zhuǎn)換濾波電路的設(shè)計AD 轉(zhuǎn)換濾波電路的示意圖見圖 。為減小 AD 轉(zhuǎn)換的電源干擾，ATMEGAI6 芯片有獨立的 AD 電源供電。官方文檔推薦在 VCC 串上一只 l0uH 的電感(L1)，然后接一只 0. luF 的電容 (C4)到地。 圖 3. 4 AD 轉(zhuǎn)換濾波電路原理圖ATMEGAI6 內(nèi)帶 標(biāo)準(zhǔn)參考電壓。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，例如在可使?TL431 基準(zhǔn)電壓源。本設(shè)計采用芯片內(nèi)部自帶的參考電壓。在 AREF 腳接一只 0. luF 的電容(C3)到地，起到參考電壓濾波的作用。(4)ISP 在系統(tǒng)編程和 JTAG 仿真接口ISP 下載接口，不需要任何的外圍零件，原理圖見圖 。使用雙排 25 插座。由于沒有外圍零件，故 PB5 (MOSI)、PB6 (MISO)、 PB7 (SCK)、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受 ISP 的干擾。第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計14圖 3. 5 ISP 下載接口電路原理圖JTAG 仿真接口也是使用雙排 25 插座，需要四只 l0K 的上拉電阻，原理圖見圖 3. 6 。 圖 3. 6 JTAG 仿真接口電路原理圖當(dāng)需要在線下載程序或調(diào)試系統(tǒng)時，需將下載電纜或調(diào)試接線一端插入目標(biāo)板相應(yīng)插座，另一端連至計算機的 25 針并口，之后啟動相應(yīng)軟件即可進行操作。 電機驅(qū)動模塊 移動機器人采用左右兩方輪子獨立驅(qū)動，采用差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)，每個車輪分別由一個直流電機和一個步進電機單獨控制。機器人的運動控制主要通過對這八個電機的驅(qū)動實現(xiàn)，包括速度和轉(zhuǎn)向的控制。本設(shè)計選用直流力矩電機驅(qū)動車輪。該直流電機具有優(yōu)良的速度控制性能，具體來說，它有下列優(yōu)點： (1) 具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩； (2) 調(diào)速范圍寬，且運行速度平穩(wěn)； (3) 具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化； (4) 電機的負(fù)載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負(fù)載沖擊的影響。 本設(shè)計選用的電機為寧波三佳公司的 12V 直流電機 JS30YZJ，轉(zhuǎn)速為3000r/min，配有減速比為 1:30 的減速器。15 直流電機 PWM 調(diào)速 直流電動機的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為兩類：調(diào)節(jié)勵磁磁通的勵磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法。其中勵磁控制方法在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。現(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞控制方法。而在對直流電動機電樞電壓的控制和驅(qū)動中，對半導(dǎo)體器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅(qū)動和開關(guān)驅(qū)動方式。 線性放大驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點是：控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小；但是功率器件在線性區(qū)工作時由于產(chǎn)生熱量會消耗大部分電功率，效率和散熱問題嚴(yán)重，因此這種方式只適合用于微小功率直流電動機的驅(qū)動。 絕大多數(shù)直流電動機采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)電動機電樞的等效工作電壓，實現(xiàn)電機調(diào)速。這種控制方式很容易在微控制器中實現(xiàn)。 可控開關(guān) S 以一定時間間隔重復(fù)地接通和斷開，當(dāng) S 接通時，供電電源 Vs 通過開關(guān) S 施加到電動機兩端，電源向電機提供能量，電動機儲能；當(dāng)開關(guān) S 斷開時，中斷了供電電源 Vs 向電動機提供電能，但在開關(guān) S 接通期間電樞電感所儲存的能量此時通過續(xù)流二極管 VD 使電動機電流繼續(xù)流通。電壓平均值 可用下式表示：Uav (31)UtSSonavT?? 式中 為開關(guān)每次接通的時間， 為開關(guān)通斷的時間周期， 為占空比，ton ?。T?? 由上式可見 ，改變開關(guān)接通時間和開關(guān)周期 的比例亦即改變脈沖的占空比，ton T電動機兩端的電壓平均值也隨之改變，因而電動機轉(zhuǎn)速得到了控制。 改變占空比有兩種調(diào)制方法。一種是開關(guān)周期恒定，通過改變導(dǎo)通脈沖寬度來改變。占空比的方式，即脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，縮寫為 PWM)；另一種第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計16方式為導(dǎo)通脈沖寬度，恒定，通過改變開關(guān)頻率( )來改變占空比，亦即脈沖頻率Tf1?調(diào)制(PulseFrequency Modulation，縮寫為 PFM)。由于 PFM 控制是依靠脈沖頻率來改變占空比的，當(dāng)遇到某個特殊的頻率下的機械諧振時，常導(dǎo)致系統(tǒng)震動和出現(xiàn)音頻嘯叫聲，這一嚴(yán)重的缺點導(dǎo)致 PFM 控制在伺服系統(tǒng)中不適用。故本設(shè)計中，采用 PWM 控制方式實現(xiàn)電機調(diào)速。 電機驅(qū)動電路直流電機工作所需的電流、電壓較大，且轉(zhuǎn)動方向的改變需要通過調(diào)整所加電壓的極性實現(xiàn)，因此必須通過專門的電機驅(qū)動電路進行控制。本課題采用意法半導(dǎo)體公司的 L293D 專用電機驅(qū)動芯片作為移動機器人左、右驅(qū)動輪的直流電機的核心功率模塊。L293D 符合 TTL 邏輯電平接口標(biāo)準(zhǔn)，可用來驅(qū)動大功率感性負(fù)載，比如繼電器、直流和步進電機和開關(guān)電源晶體管，可以通過邏輯設(shè)定實現(xiàn)電機驅(qū)動電壓的極性轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向調(diào)整。并且 L293D 具有發(fā)熱量低、體積小以及節(jié)省印刷電路板面積等優(yōu)點，因此非常適合于本文的的設(shè)計需要。L293D 內(nèi)部電路原理如圖 3. 7 所示。 圖 3. 7 L293D 內(nèi)部電路原理 其中，INl～I(xiàn)N4 為電機工作控制端分，通過不同的電壓邏輯組合，分別決定兩個電機的轉(zhuǎn)向；ENABLE 1～2 為電機工作使能端，分別連接至微控制器的兩路 PWM 輸17出信號；VS 為電機的工作電源輸入端，最高可達(dá)+36V，本設(shè)計按照電機的標(biāo)稱值采用+12V 供電；VSS 為 L293D 的芯片工作電源輸入端，本設(shè)計中采用默認(rèn)值，+5V 供電。 L293D 的電機工作控制端真值表，以第 1 路的控制信號為例，具體關(guān)系見表 3. 1表 3. 1 L293D 控制端真值表控制端電平ENA IN1 IN2電機工作情況H H L 正轉(zhuǎn)H L H 反轉(zhuǎn)H H HH L L剎車L X X 停車 結(jié)合表 可知，當(dāng)且僅當(dāng) INl 與 IN2 反相的情況下，電機才工作 (轉(zhuǎn)動)。亦即，不論電機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，INl 與 IN2 電平始終絕對相反，而兩者同相時所達(dá)到的控制目的——電機停轉(zhuǎn)，完全可通過將使能端 ENA 的邏輯電平置零實現(xiàn)。 故在本設(shè)計中，在微控制器的通用 IO 口和 L293D 控制端之間添加了兩個反相器，從而實現(xiàn)了單電機單線控制轉(zhuǎn)向的功能，簡化了微控制器的程序設(shè)計和硬件端口資源分配。具體電路如圖 3. 9 所示，微控制器的硬件 PWM 輸出端口 OClA 和 OC1B 分別接至 L293D 的 ENl 和 EN2 作為使能信號，通用 IO 口 PA2 和 PA3 通過反相器邏輯處理后，接至 L293D 的 INl～I(xiàn)N4 控制電機轉(zhuǎn)向。第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計18圖 電機驅(qū)動電路原理圖 硬件實現(xiàn) PWM 的方法 ATMEGAI6 內(nèi)部集成有 4 通道硬件 PWM 單元，分別為 OC0, OClA, OC1B 和OC2。本設(shè)計只需對四個直流電機和四個步進電機進行調(diào)速控制，故選用同屬于 16 位定時/計數(shù)器 1 的 2 通道 PWM 單元 OClA，OC1B。PWM 信號的分別率采用 8 位，可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速 0～255 級的線性平穩(wěn)調(diào)速。 設(shè)定定時/計數(shù)器 1 工作于快速 PWM 模式。其時序如圖 所示。快速 PWM 模式采用其單邊斜坡工作方式。計數(shù)器從 BOTTOM 計到 TOP，然后立即回到 BOTTOM重新開始。輸出比較引腳 OClx 在 TCNTl 與 OCRlx 匹配時置位，在 TOP 時清零。 由于使用了單邊斜坡模式，快速 PWM 模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正PWM 模式高一倍。此高頻操作特性使得快速 PWM 模式十分適合于功率調(diào)節(jié)，整流和DAC 應(yīng)用。高頻可以減小外部元器件(電感，電容)的物理尺寸，從而降低系統(tǒng)成本。19 圖 3. 9 微控制器內(nèi)置 PWM 信號時序圖因此，在運動過程中，只需改變 OCRlA/B 的值就可完成對左右兩個電機的實時調(diào)速。其中，產(chǎn)生 2 通道 8 位 PWM 信號的初始化代碼如下：//TIMERI initializeprescale：1024//WGM: 5)PWM 8bit fast， TOP=Ox00FFvoid