【文章內容簡介】 TION CDS 系列機器人舵機，本舵機屬于一種集電機、伺服驅勱、總線式通訊接口為一體的集成伺服單元，采用異步串行總線通訊方式，理論多至 254 個機器人舵機可以通過總線組成鏈型，通過 UART 異步串行接口統(tǒng)一控制。每個舵機可以設定不同的節(jié)點地址，多個舵機可以統(tǒng)一運動也可以單個獨立控制。 CDS5500 的通訊指令集開放，通過異步串行接口與用戶的上位機 (控制器或 PC 機 )通訊，您可對其運行參數設置、功能控制。通過異步串行接口發(fā)送指令， CDS5500 可以設置為電機控制模式或位置控制模式。 在電機控制模式下， CDS5500 可以作為直流減速電機使用，速度可調；在位置控制模式下， CDS5500 擁有 0300176。的轉動范圍，在此范圍內具備精確位置控制性能，速度可調 。 只要符合協(xié)議的半雙工 UART 異步串行接口都可以和 CDS5500 進行通訊，對 CDS5500 進行各種控制。 控制器和舵機之間采用問答方式通信，控制器發(fā)出指令包，舵機返回應答包?？刂品绞胶唵斡行?，因此決定采用方案四。 傳感器系統(tǒng) 方案一： 反射式紅外發(fā)射 — 接收裝置，只有物體反射紅外光時才有信號輸入，其信號強度與小車距障礙物的距離成正比。因此可利用信號強度作為避障依據。 紅外探測器的選型與工作方式 : 紅外探測器的選型 紅外探測器以其發(fā)射功率大、抗干擾能力強而在工業(yè)生產中有著廣泛的應用，紅外探測器按 其工作模式可大致分為主動式與被動式，主動式紅外探測器自帶紅外光源，通過對光源的遮擋、反射、折射等光學手段可以完成對被探測物體位置的判別。被動式紅外探測器本身沒有光源，通過接受被探測物體的特征光譜輻射來測量被探測物的位置、溫度或進行紅外成像。直流直接驅動方式裝置簡單但檢測距離和抗干擾能力都比較差；交流調制方式由于可以采用交流耦合方式解決了放大器的直流漂移問題從而可以大大提高檢測的距離，同時由于環(huán)境光產生的干擾多數情況是信號的直流或低頻分量可以由濾波器加以隔絕，因此交流調試方式抗干擾能力也比較強，缺點是系統(tǒng)相對 復雜。在本體中我們要利用紅外探測器檢測障礙物的距離，顯然選用主動式紅外傳感器比較合適，系統(tǒng)的造價可以降低可靠性可以提高。 主動式紅外傳感器又可分為分立元件型、透射遮擋型和反射型（如圖 ），分立元件型發(fā)光管與接收管相互獨立，用戶在使用時可以根據需要靈活的設定發(fā)光管與接受管的位置，并可利用棱鏡、透鏡等完成特殊的目的，缺點是裝置麻煩。透射遮擋型和反射型通過塑料模具將發(fā)光管與接收管封裝在一起，非常方便用戶使用，在本題中對障礙物的檢測我使用反射型。 嵌入式智能小車設計及實現（避障） 5 主動式紅外探測器的工作方式選取 主動式紅外探測器常用的驅 動方式可分為直流直接驅動方式和交流調制方式，直流直接驅動方式裝置簡單但檢測距離和抗干擾能力都比較差；交流調制方式由于可以采用交流耦合方式解決了放大器的直流漂移問題從而可以大大提高檢測的距離，同時由于環(huán)境光產生的干擾多數情況是信號的直流或低頻分量可以由濾波器加以隔絕，因此交流調試方式抗干擾能力也比較強，缺點是系統(tǒng)相對復雜。 方案二： 采用反射式超聲波換能器，只有物體反射超聲波時才有信號輸入，測量發(fā)射接收信號間的時間差 T2T1，利用其可以得到障礙物的距離，將該信息送給單片機，單片機發(fā)出控制信號改變小車的轉向 ，使小車不與障礙物發(fā)生接觸。該方法適合較遠距離障礙物檢測。 反射式超聲波換能器成本高，電路設計復雜，因為不要求檢測的很遠，于是選自了反射式光電傳感器，在本題中對前方障礙物的檢測因為要求檢測距離較遠，受到環(huán)境光的干擾比較大，因此我們選用抗干擾能力較強的交流調制工作方式；而對小車側面障礙物的檢測由于要求檢測距離較近，外界干擾相對較弱，為簡化設計我們選用直流直接驅動方式。 避障模塊 方案一： 采用一只紅外對管置于小車中央。其安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞 ，也不易讓小車做出精確的轉向反應。 方案二： 采用二只紅外對管分別置于小車的前端兩側，方向與小車前進方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準確的判別和及時反應。 通過比較我采用方案二。 紅外發(fā)光管 紅外接收管 分立元件型 透射遮擋型 反射型 圖 紅外探測器的形式 嵌入式智能小車設計及實現（避障） 6 第三章 硬件設計 整體構思 智能小車采用四輪驅動， 4個輪子分別由 4個舵機控制，通過 調整舵機的轉速起停從而達到控制轉向的目的，將紅外傳感器裝在車身前方兩端，當其檢測到障礙物時，主控芯片給出信號并控制車子倒退 ,轉向，從而避開障礙物。 系統(tǒng)框圖如圖 ： 圖 系統(tǒng)框圖 主控制部分 cpu 介紹 AT91SAM7S64是 Atmel 32位 ARM RISC 處理器小引腳數 Flash微處理器家族的一員。它擁有 64K 字節(jié)的高速 Flash 和 16K 字節(jié)的 SRAM，豐富的外設資源，包括一個 USB ，使外部器件數目減至最低的完整系統(tǒng)功能集。這個芯片是那些正在尋求額外處理能力和更大存儲器的 8 位處理器用戶的理想選擇。 Flash存儲器可以通過 JTAGICE 進行編程，或者是在貼裝之前利用編程器的并行接口進行編程。鎖定位可以防止固件不小心被改寫，而安全鎖定位則可以保護固件的安 全。 AT91SAM7S64 的復位控制器可以管理芯片的上電順序以及整個系統(tǒng)。 BOD 和看門狗則可以監(jiān)控器件是否正確工作。 AT91SAM7S64是一個通用處理器。它集成了 USB設備端口，使得它成為連接 PC或手機的外設應用的理想芯片。極具競爭力的性價比進一步拓展了它在低成本、大產量的消費類產品中的應用。 嵌入式智能小車設計及實現（避障） 7 cpu 特點 集成了 ARM7TDMI ARM Thumb 處理器 。高性能的 32位 RISC架構 。高密度的 16位指令集 。性能 /功耗 (MIPS/Watt)的領先者 。嵌入式 ICE電路仿真 ,支持調試通訊 . 64K字節(jié)的片內高速 Flash存儲器 ,共 512頁 ,每頁 128字節(jié) 。在最壞的條件下可以 30 MHz的速度進行單時鐘周期訪問 , 預取 (Prefetch)緩沖器可以實現 Thumb指令的優(yōu)化 ,使處理器以最快的速度執(zhí)行指令 。編程時間為 4 ms,包括頁自動擦除 ,全片擦除時間為 10 ms。10000次的寫壽命 ,10年數據保持能力 ,扇區(qū)鎖定功能 ,Flash安全鎖定位 。適合量產的快速 Flash編程接口 16K字節(jié)的片內高速 SRAM,可以在最高時鐘速度下進行單時鐘周期訪問操作 存儲器控制器 (MC)。嵌入式 Flash控制器 ,異常中斷 (Abort)狀態(tài)及未對齊 (Misalignment)檢測 復位控制器 (RSTC)。上電復位和經過工廠標定的掉電檢測 。提供復位源信息以及給外部電路使用的復位信號 時鐘發(fā)生器 (CKGR)。低供耗 RC振蕩器 ,3到 20MHz的片上振蕩器和一個 PLL 電源管理控制器 (PMC)?？梢酝ㄟ^軟件進行電源優(yōu)化 ,包括慢速時鐘模式 (低至 500 Hz)和空閑(Idle)模式 。三個可編程的外部時鐘信號 先進的中斷控制器 (AIC)?？梢詥为毱帘蔚?,具有 8個優(yōu)先級的向量式中斷源 。兩個外部中斷源和一個快速中斷源 ,可以防止虛 假 (spurious)中斷 調試單元 (DBGU)。2線 UART,支持調試通訊通道中斷 。可通過程序來禁止通過 ICE進行訪問 周期性間隔定時器 (PIT)。20位可編程的計數器 ,加上 12位的間隔計數器 1 時間窗看門狗 (WDT)。12位受預設值 (key)保護的可編程計數器 。為系統(tǒng)提供復位或中斷信號 。當處理器處于調試狀態(tài)或空閑模式時可以停止計數器 1 實時定時器 (RTT)。32位自由運行的具有報警功能的計數器 。時鐘來源于片內 RC振蕩器 1 一個并行輸入 /輸出控制器 (PIOA) 。32個可編程的復用 I/O,每個 I/O最多 可以支持兩個外設功能 。輸入電平改變時 ,每個 I/O都可以產生中斷 ?？梢元毩⒕幊虨殚_漏輸出 ,使能上拉電阻以及同步輸出 1 11個外設數據控制器 (PDC)通道 1 一個 USB (12 Mbps)設備端口 。片上收發(fā)器 ,328字節(jié)可編程的 FIFO 1 一個同步串行控制器 (SSC)。每個接收器和發(fā)送器都具有獨立的時鐘和幀同步信號 。支持 I S,支持時分多址 。支持 32位數據傳輸的高速連續(xù)數據流功能 1 兩個通用的同步 /異步收發(fā)器 (USART)。獨立的波特率發(fā)生器 ,IrDA紅外調制 /解調 。支持ISO7816 T0/T1智能卡 ,硬件握手信號 ,支持 RS485。USART1支持全功能的調制解調器信號 1 主 /從串行外設接口 (SPI)。8到 16位可編程的數據長度 ,4個片選線 1 一個 3通道的 16位定時器 /計數器 (TC)。3個外部時鐘輸入端 ,每個通道有兩個多功能 I/O引腳，倍速 PWM發(fā)生功能 ,捕捉 /波形模式 ,遞增 /遞減計數 一個 4通道的 16位 PWM控制器 (PWMC) 2 一個兩線接口 (TWI)。只支持主機模式 ,支持所有的 Atmel兩線 EEPROM 嵌入式智能小車設計及實現（避障） 8 2 一個 8通道的 10位模數轉換器 ,其中 4個通道與數字 I/O復用 2 IEEE JTAG邊界掃描支持所有的數字引腳 2 5V兼容的 I/O,包括 4個高達 16 mA的大電流驅動 I/O 2 電源 。片上 ,可以為內核及外部元件提供高達 100 mA的電流 。為 I/O口線提供電源的 VDDIO,以及獨立的為 Flash供電的 VDDFLASH。內核電源為 VDDCORE,并具有掉電檢測 (BoD)功能 2 全靜態(tài)操作 :極限條件下 (,85176。C ) 高達 55 MHz 2 封裝為 64腳的 LQFP CPU 相關電路 CPU相關電路圖如圖 ： 圖 CPU相關電路圖 接法說明： CPU第 49, 51, 53號管腳 ,分別為 TDO, TMS,TCK. TMS、 TDI和 TCK都是施密特觸發(fā)器型的輸入引腳。TMS和 TCK與 5V兼容， TDI則不是。 TMS、 TDI 和 TCK 都沒有上拉電阻。 TDO 為輸出引腳，輸出電平為VDDIO，沒有上拉電阻。這三個引腳接至 20針下載部分。 JTAG接口參照 AT91SAM7S64評估版 20針通用 JTAG接口連接。 CPU第 50號管腳 “JTAGSEL” ，接短路塊 JP2接 ，可以啟用邊界掃描模式。 嵌入式智能小車設計及實現（避障） 9 CPU第 40號管腳 “TST” 接法同 “JTAGSEL” ，它和 “PA0”,“PA1” 同時為高時，可啟用快速編程模式。因為 “PA0”,“PA1” 接直流電機驅動時已接上拉電阻。所以這樣接符合要求。 TST為高時，若 PA0 或 PA1 為 0將導致不可預測的結果 ,接端子 J4和地。 CPU第 1號管腳為 ADDVREF,即電源參考電壓端，連接 ，其中電源參考電壓來自電源模塊中的 5209。 CPU第