【文章內(nèi)容簡介】 是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100 以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。使用W5100可以實現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的Internet連接。 10BASET 100BASETX 兼容。W5100 內(nèi)部集成了全硬件的、且經(jīng)過多年市場驗證的TCP/IP 協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層（MAC）和物理層（PHY）。硬件TCP/IP 協(xié)議棧支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP 和PPPoE，這些協(xié)議已經(jīng)在很多領(lǐng)域經(jīng)過了多年的驗證。W5100 內(nèi)部還集成有16KB 存儲器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100 不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進行簡單的端口（Socket）編程。W5100 提供3 種接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI 總線。W5100與MCU 接口非常簡單，就像訪問外部存儲器一樣。總結(jié)以上部分歸納以太網(wǎng)如下特點：(1)支持硬件化 TCP/IP 協(xié)議：TCP，UDP，ICMP，IPv4 ARP，IGMP，PPPoE，以太網(wǎng)；(1)內(nèi)嵌 10BaseT/100BaseTX 以太網(wǎng)物理層；(2)支持自動通信握手（全雙工和半雙工）；(3)支持自動 MDI/MDIX，自動校正信號極性； (4) 支持 ADSL 連接（支持PPPoE 協(xié)議中的PAP/CHAP 認證模式）； (5)支持4個獨立端口同時運行； (6)不支持 IP 的分片處理； (7)內(nèi)部 16KB 存儲器用于數(shù)據(jù)發(fā)送/接收緩存；(8) CMOS 工藝；(9) 工作電壓，I/O 口可承受5V 電壓；?? (10)80 腳LQFP 小型封裝；?? (11) 環(huán)保無鉛封裝；?? (12)支持 SPI 接口（SPI 模式0）；?? (13)多功能 LED 信號輸出（TX、RX、全雙工/半雙工、地址沖突、連接、速度等）。 通信模塊具體電路如下圖27所示。圖27 通信模塊為了使電機的走位更為準確，達到精密控制的目的，本系統(tǒng)采用一種高精度的步進電機驅(qū)動方案。L297+L298(L6203)的經(jīng)典架構(gòu)，使用斬波恒流細分的驅(qū)動方法，在實際運行中具有良好的升降速曲線。實際運行表明，步進電機運行穩(wěn)定，且具有步距角小、轉(zhuǎn)矩恒定、功耗低等優(yōu)點。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。在額定功率范圍內(nèi)，電機的轉(zhuǎn)速只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機累積誤差較小等特點，使得在速度、位置等領(lǐng)域用步進電機來控制變得較為簡單。但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號發(fā)生器、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)驅(qū)動后方可使用。在本文中，詳細介紹了一種新穎的電機驅(qū)動方案，它具有功耗低，精度高，使用靈活等優(yōu)點。在步進電機驅(qū)動系統(tǒng)中，最重要的就是電流驅(qū)動及功率放大部分。本系統(tǒng)中，該部分選用的是L297+L298構(gòu)架，適用于對雙極性兩相步進電機或單極性四相步進電機的控制。L297主要用來接收信號脈沖，從而產(chǎn)生對功率級電路控制信號。L298為雙H橋驅(qū)動器，可用來驅(qū)動電壓為46V、 A以下的步進電機。若負載需更大電流驅(qū)動，可使用L297+雙L6203組合。 L297的主要功能是譯碼器，它根據(jù)接受驅(qū)動脈沖信號產(chǎn)生所需的相序。為了獲得電動機良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號是通過兩個PWM斬波器對電動機控制，每個斬波器用于雙極性步進電動機的其中一相或用于單極性步進電機的每對繞阻。電機驅(qū)動模塊電路硬件設(shè)計如圖28。圖28 電機驅(qū)動模塊目前的工業(yè)控制一般采用PID控制，擁有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、魯棒性強等優(yōu)點，然而對于數(shù)學模型難以建立的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，控制效果卻很難達到要求。模糊PID控制是近年來逐步發(fā)展起來的一種新型智能PID控制方法，將模糊控制與PID控制結(jié)合起來，既具有模糊控制靈活的特點，又具有傳統(tǒng)PID控制精度高、魯棒性好的特點。這種控制器無論對復(fù)雜系統(tǒng)還是高精度系統(tǒng)，都有較好的控制效果。為克服AUV舵機系統(tǒng)摩擦、飽和等非線性因素的影響，全面改善系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性，本系統(tǒng)采用模糊PID控制方式，設(shè)計出了舵機控制器。由于普通的模糊PID控制器隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則一經(jīng)確定無法更改，因此適應(yīng)性較差 。針對此情況，采用變論域思想對模糊PID控制器做了改進。舵機系統(tǒng)正常工作時，由指令控制信號與反饋信號組成綜合控制信號，經(jīng)過舵機控制器，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，驅(qū)動功率放大器，從而帶動伺服電機進行轉(zhuǎn)動，通過減速器至舵機軸輸出，從而形成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。舵機回路基本結(jié)構(gòu)圖如圖29所示。 圖29舵機的控制結(jié)構(gòu)模糊PID控制器由一個模糊控制器和PID控制器并聯(lián)組成。當系統(tǒng)偏差較大時，模糊PID控制器的輸出主要取決于模糊控制輸出。當系統(tǒng)偏差較小時，模糊PID控制器的輸出主要取決于PID控制輸出。對于此舵機系統(tǒng)。設(shè)計步驟如下：(1)取偏差 和偏差變化率 c作為輸入，控制量U作為輸出，基本論域為：(6．6 v，6．6 v)；CC：(10 v／S，10 v／s)； (3．3 v，3．3 v)。取7個語言變量：{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}，輸入輸出變量的模糊子集均為：{NB，ⅣM，MS，ZO，PS，PM，PB)，論域均為：{3，2，1，0，1，2，3}；(2)確定隸屬度函數(shù)。輸人輸出變量的隸屬度函數(shù)均選取高斯型分布； (3)確定模糊規(guī)則。根據(jù)偏差 和偏差的變化率對輸出特性的影響； (4)去模糊。本文采用工業(yè)控制中常用的加權(quán)平均法來實現(xiàn)去模糊。該法以論域中的每個元素(1，2，? ，n)為待判決輸出模糊集合的隸屬度／()的加權(quán)系數(shù)，即取乘積，再計算對隸屬度函數(shù)和的平均值。 系統(tǒng)的工作都離不開電，為了解決各個模塊之間的電源問題，控制板電源選用CS5141，520KHz固定頻率工作的降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。，采用V2TM控制結(jié)構(gòu)能提供無與倫比的瞬態(tài)反應(yīng)，非常適合當今的高速邏輯電路的應(yīng)用。CS51414提供高偏壓功能，從而達到最大的電壓驅(qū)動效率，靜態(tài)電流僅為85μA。器件采用標準的8引腳小尺寸集成電路封裝，可完全兼容LT1376。所以本系統(tǒng)控制板電源選用CS5141電源模塊硬件電路的具體設(shè)計如下圖210。圖210 電源模塊19第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計主要有HCS12X（圖像采集及處理）核的程序及XGATE（電機控制及以太網(wǎng)通信）核的程序兩部分。HCS12X（圖像采集及處理）主要完成圖像采集及處理，以提取目標位置，確定搜索路徑等提供上層策略。XGATE（電機控制及以太網(wǎng)通信）主要完成電機控制以及以太網(wǎng)通信任務(wù)。 HCS12X（圖像采集及處理）工作流程系統(tǒng)開機上電后，進行自動初始化，然后緊接著環(huán)保車等待圖像采集過程的結(jié)束，判斷是否有白色垃圾的存在。如果存在特定的白色垃圾，且當垃圾距離遠的時候，環(huán)保車就會調(diào)用跟蹤程序，去跟蹤目標，直到到達目標的周圍，自動接近目標。當?shù)竭_目標垃圾的一定范圍內(nèi)后，環(huán)保車就會調(diào)用目標拾取程序，通過控制舵機系統(tǒng)，將目標拾取到車載箱中。當然如果圖像采集完畢后目標垃圾的位置滿足舵機的范圍，系統(tǒng)就會直接控制舵機，拾取目標，然后記錄當前的位置，最后規(guī)劃搜索路徑，重新開始圖像采集。在系統(tǒng)中我們使用了大量的狀態(tài)機制進行各種狀態(tài)的判別和調(diào)用。打開圖像采集數(shù)據(jù)庫，提取圖像的數(shù)據(jù)，然后進行邊緣提取，計算封閉區(qū)域的面積及形狀。如果滿足設(shè)定范圍值，那么記錄位置和目標的大小，同時上傳給主控器可以拾取的信號，然后開啟其他狀態(tài)操作；如果沒有發(fā)現(xiàn)特定目標，上傳給主控器搜索信號，開啟搜索狀態(tài)。為了更好地完成各個部分的功能，在通信我們加入了大量的協(xié)議并且使用了多種狀態(tài)機制，達到了通信穩(wěn)定和狀態(tài)切換的目的。HCS12X（圖像采集及處理）,