機(jī)器人常用的單片機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)
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七 新興控制器 FPGA
1簡介
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個(gè)電路試驗(yàn)板被放在了一個(gè)芯片里。簡單說，如果使用者想開發(fā)一個(gè)用簡單數(shù)字邏輯電路就能控制的小車，又嫌搭電路麻煩，他就可用軟件給一個(gè)FPGA編程讓它實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路功能去控制小車。即FPGA可被用來模擬各種電路。有的FPGA甚至能模擬51單片機(jī)的運(yùn)行。因FPGA通過編程即可修改它模擬的電路結(jié)構(gòu)，因此在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試中很方便，很多愛好者嘗試用FPGA做機(jī)器人控制器。
八 更多可供選擇的單片機(jī)
我們選擇學(xué)一款單片機(jī)前首先要考慮自己面對的實(shí)際任務(wù)需要什么性能的單片機(jī)，然后在眾多性能滿足要求的單片機(jī)中作出選擇。此時(shí)我們還要考慮不同單片機(jī)的“應(yīng)用廣泛程度”，比方說：當(dāng)我們要做一個(gè)電子大賽智能小車，有AVR單片機(jī)和PIC單片機(jī)可滿足任務(wù)需要，如何在兩者中作出選擇需要考慮哪種單片機(jī)學(xué)起來比較容易、學(xué)習(xí)資料容易獲取、可供參考的程序和案例更加豐富、哪種單片機(jī)更容易獲得編程軟件和下載器等。筆者感覺要想做智能小車，AVR單片機(jī)的資料比較豐富。
世界上有種類繁多的單片機(jī)，它們當(dāng)中絕大多數(shù)都可用來控制機(jī)器人，但存在一個(gè)是否合適的問題。比如PLC是可編程控制器，當(dāng)然可以用來控制愛好者手中的機(jī)器人，但PLC多用于工業(yè)控制領(lǐng)域，設(shè)備龐大價(jià)格昂貴，同時(shí)不易獲得用PLC控制小型機(jī)器人的資料。愛好者選擇學(xué)一種單片機(jī)前，首先得明確自己要用單片機(jī)干什么，然后再選最合適的單片機(jī)學(xué)習(xí)。學(xué)單片機(jī)重在學(xué)精一兩種單片機(jī)，如果有人泛泛地學(xué)ARM、PLC、PIC、凌陽、DSP、FPGA等所有有名的單片機(jī)，那么他將無法擁有真正的深度開發(fā)能力。所謂深度開發(fā)，以AVR單片機(jī)為例，初學(xué)者可以用它實(shí)現(xiàn)小燈交替閃爍，中級技術(shù)人員可以用它控制參加比賽的機(jī)器人，而真正的高級開發(fā)人員可以用AVR實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺、無人機(jī)自動駕駛、坦克火控系統(tǒng)……
AVR單片機(jī)過時(shí)了嗎？
有初學(xué)者甚至中級開發(fā)人員認(rèn)為因ARM性能一般比AVR性能高，因此ARM將代替AVR，AVR將退出歷史舞臺，或者M(jìn)SP430將代替51系列單片機(jī)，或者FPGA將取代所有單片機(jī)等。這種看法不對，因?yàn)椴煌瑔纹瑱C(jī)都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，沒有哪種單片機(jī)是完美的，在不同場合用最合適的單片機(jī)，發(fā)揮它們各自的特長，而不存在ARM一統(tǒng)天下，取代所有其他型號單片機(jī)的可能性。試想，原本十幾元的電子表因?yàn)椴捎肁RM控制買到幾百元，誰能受得了？因此不要覺得AVR已經(jīng)過時(shí)，學(xué)完51就直接學(xué)ARM，或者覺得學(xué)51沒用，直接學(xué)ARM，否則你將碰壁。
MSP430系列單片機(jī)：比較適于機(jī)器人開發(fā)，是美國德州儀器推向市場的一種16位、具有精簡指令集的、超低功耗的混合信號處理器。具有Flash存儲器，中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會在200~400uA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1uA。MSP430系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗、模擬比較器、定時(shí)器、串口0、1、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10位/12位ADC、16位Sigma-Delta AD、直接尋址模塊（DMA）、IO端口、基本定時(shí)器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。MSP430 系列單片機(jī)引進(jìn)了JTAG技術(shù)，不僅使開發(fā)工具變得簡便，而且價(jià)格也相對低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。
PIC單片機(jī)：可用于機(jī)器人開發(fā)，是8位單片機(jī)，產(chǎn)品種類豐富，采用精簡指令集，有不錯(cuò)的開發(fā)環(huán)境，引腳驅(qū)動能力強(qiáng)，可直接連接繼電器控制強(qiáng)電。自帶看門狗，有睡眠和低功耗模式。很多性能不如AVR和MSP430系列單片機(jī)，但因其有特殊優(yōu)點(diǎn)，也被廣泛應(yīng)用。
凌陽單片機(jī)：比較適于機(jī)器人開發(fā)，以16位計(jì)算機(jī)為核心，集成不同規(guī)模的RAM、ROM和其他豐富的功能電路，使用者可以根據(jù)自己需要選擇集成了特定功能電路的凌陽單片機(jī)。凌陽單片機(jī)指令系統(tǒng)提供出具有較高運(yùn)算速度的16位，16位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用添加了DSP功能，因此凌陽適合進(jìn)行語音識別。在我國凌陽單片機(jī)在學(xué)校比較常見，應(yīng)用實(shí)例較多，可作為機(jī)器人愛好者選用的單片機(jī)。本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/171763.htm
九 實(shí)例：用AVR單片機(jī)創(chuàng)造機(jī)器生命
1 什么是機(jī)器生命
機(jī)器生命就是一個(gè)能自主生存的機(jī)器，一個(gè)自動為生存下去而奮斗的機(jī)器。對于機(jī)器生命來說，生存的含義就是不斷電，繼續(xù)運(yùn)行。機(jī)器生命具有完全自主決策、自主行動、活動于未知世界、不需人類參與就能持續(xù)運(yùn)行并且自我維護(hù)等特征。影片《終結(jié)者》中的天網(wǎng)就是超級機(jī)器生命?！杜Z5號》描述了一個(gè)機(jī)器人從無生命到有生命的過程。
N.維納（Norbert Wiener，1894～1964）寫《控制論》時(shí)創(chuàng)造出第一個(gè)機(jī)器生命Wiener龜，這個(gè)機(jī)器龜僅有2個(gè)電子管組成的模擬計(jì)算機(jī)，但它卻能實(shí)現(xiàn)真正的烏龜覓食、睡覺、探索、逃避等行為，其表現(xiàn)如同一個(gè)有生命的生物一樣。機(jī)器龜上面有太陽能電池，當(dāng)自身電池快用完前，機(jī)器龜樂于尋找一個(gè)光線充足的地方充電，充滿電后可能找個(gè)地方睡懶覺，或者探索未知世界，它有避免碰撞和避免到傾斜地方的趨向，我們無法預(yù)知它的行蹤，因?yàn)樗皇前凑粘绦蜻\(yùn)行的，就如同我們自己一樣。后來維納在他的機(jī)器龜上又加了一個(gè)電子管，三個(gè)電子管連接成簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過對機(jī)器龜訓(xùn)練，維納通過搖鈴可控制機(jī)器龜?shù)男袨椤Ｕ缬猩飳W(xué)家訓(xùn)練狗使得狗聽到搖鈴聲后就流口水。
2 我們可以自己動手做一個(gè)機(jī)器寵物
我們今天有先進(jìn)的單片機(jī)，制作一個(gè)更好的機(jī)器生命其實(shí)不難。機(jī)器生命遠(yuǎn)比按固定程序運(yùn)行的機(jī)器人好玩，就如同寵物狗比玩具狗好玩一樣。我們設(shè)想的機(jī)器生命可以是一個(gè)小型履帶式機(jī)器人，帶有太陽能板，能感受光線強(qiáng)弱，障礙物距離和碰撞，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動，該機(jī)器生命具有語音識別功能。試想你學(xué)習(xí)一天，回到寢室，叫一聲TONY，你的機(jī)器寵物轉(zhuǎn)身飛快跑向你，那種感覺只有寵物的創(chuàng)造者才能體會……
3 如何實(shí)現(xiàn)？如何設(shè)計(jì)電路？如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)？
這個(gè)機(jī)器生命方案采用ATmega16單片機(jī)做控制器，單片機(jī)的8路AD通道和其余24個(gè)IO接口都被使用。AVR單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換頻率高于音頻，可以用來進(jìn)行簡單的語音采集。機(jī)器生命的程序較復(fù)雜，而AVR單片機(jī)適合進(jìn)行快速復(fù)雜運(yùn)算。本設(shè)計(jì)的電路板上除了ATmega16單片機(jī)外，還有2個(gè)LG9110電機(jī)驅(qū)動芯片、2個(gè)LM386音頻功放芯片，和LM393電壓比較器芯片，再加上少量電阻電容和三極管，電路簡潔，適合初學(xué)者和中級愛好者動手制作。
LCD采用通用1602模塊，支持3位控制線4位數(shù)據(jù)線，如果你采用IO口復(fù)用技術(shù)，可用6條線控制LCD模塊。
此方案涉及光電檢測、自動充電、語音識別、超聲波測距、鍵盤（4個(gè)碰撞開關(guān)）、LCD液晶顯示、電機(jī)驅(qū)動等技術(shù)，這些都是動手做簡單機(jī)器人的基本技術(shù)，如果愛好者能把這個(gè)機(jī)器生命做好，那么你的電路設(shè)計(jì)、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和編程能力都會有很大的提高。
這個(gè)機(jī)器生命的技術(shù)含量相當(dāng)于20世紀(jì)70年代國際機(jī)器人領(lǐng)域的先進(jìn)水平。當(dāng)時(shí)已經(jīng)有很多非常精密和復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人被應(yīng)用，但這種簡單的機(jī)器人怎么能稱作先進(jìn)呢？因?yàn)榧夹g(shù)的復(fù)雜和技術(shù)的先進(jìn)不是一個(gè)概念，復(fù)雜+精密不一定等于先進(jìn)。先進(jìn)的東西不一定復(fù)雜和精密。
A 尋光
我們可以用光電二極管來檢測光線強(qiáng)弱。當(dāng)然也可以用光敏電阻。將光敏電阻和一個(gè)固定電阻串聯(lián)接在電源正負(fù)極之間，光敏電阻靠近正極一側(cè)。從光敏電阻和固定電阻連接點(diǎn)引出導(dǎo)線接到ATmega16的AD轉(zhuǎn)換輸入口。當(dāng)強(qiáng)光照在光敏電阻時(shí)，光敏電阻阻值變小，因此其壓降變小，而固定電阻分壓增多，引出的AD檢測電位升高，被單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后判斷光線增強(qiáng)。機(jī)器生命有5個(gè)光電傳感器，其中4個(gè)面向機(jī)器人前后左右四個(gè)方向，另一個(gè)指向太陽能板所面對的方向。通過編程可以讓機(jī)器人自主移動到光線最強(qiáng)的地方。
B 充電
本設(shè)計(jì)采用4.8V鎳氫充電電池為系統(tǒng)供電。太陽能電池板正負(fù)極通過一個(gè)三極管與電池正負(fù)極相連。有一個(gè)電壓比較器比較電池電壓與太陽能板的壓差，如果壓差高于某值，比較器控制三極管導(dǎo)通，太陽能電池板對充電電池充電。充電電池電壓上升，當(dāng)高于某值時(shí)控制三極管關(guān)斷，結(jié)束充電。為使太陽能板能對電池組充電，要求太陽能板在陽光直射下輸出電壓高于8V。
C 語音識別
用AVR單片機(jī)的高速AD檢測功能能實(shí)現(xiàn)簡單的語音識別。聲音信號被駐極體電容話筒接收后送至LM386音頻功放芯片放大和過濾后送至單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換口，單片機(jī)對音頻信號幅值采樣轉(zhuǎn)化為一組數(shù)字，然后對這組進(jìn)行取方差運(yùn)算，得出一個(gè)特征值，該特征值可以用于簡單的語音識別。比如你發(fā)一個(gè)“e”，方差應(yīng)該比較小，如果你發(fā)“p”爆破音，方差應(yīng)該較大。當(dāng)然，如果你用更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，會得到更好的識別效果。本設(shè)計(jì)使用了2路聲音信號，目的是讓單片機(jī)判斷出聲源的大體方位。
D 超聲波測距
用AVR的1個(gè)IO口輸出40KHz信號送至超聲波發(fā)射電路，當(dāng)超聲波遇到障礙物返回后，被超聲波接收頭接收，信號經(jīng)CX20106A解碼芯片處理，得到一個(gè)低電平脈沖，用該脈沖引發(fā)AVR單片機(jī)中斷，AVR通過檢查發(fā)波和收到回波之間的時(shí)間差即可算出障礙物距離。
E 電機(jī)驅(qū)動
本設(shè)計(jì)采用2片LG9110電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動兩臺直流減速電機(jī)。LG9110輸出最大電流為800mA，僅需要2條控制線與單片機(jī)IO口直接相連即可控制一臺電機(jī)正反轉(zhuǎn)或者停止。LG9110僅有8個(gè)引腳，使用非常方便。
F 讓機(jī)器生命更聰明
我的這個(gè)機(jī)器生命設(shè)計(jì)方案能實(shí)現(xiàn)最酷的效果是：白天，陽光明媚，機(jī)器生命跑到陽光底下曬太陽，太陽光會隨著時(shí)間變化，機(jī)器生命能自動跑到最合適的位置享受日光浴。到了晚上，機(jī)器生命會找個(gè)安靜的地方閉目養(yǎng)神，等待明天太陽升起。你可以訓(xùn)練機(jī)器生命，讓它知道自己的名字叫什么。比如你叫著它的名字，同時(shí)站在它面前用強(qiáng)光照射它的太陽能電池板，如此反復(fù)訓(xùn)練，會使機(jī)器生命聽到自己名字后向聲源方向跑去，在距離聲源一定遠(yuǎn)處停止，因?yàn)橐酝@樣做它都能享受強(qiáng)光照射并充電。這就如同真正的寵物狗，你叫它名字它就跑到你跟前希望能獲得食物。這一切都是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的，關(guān)鍵就在于編程序?qū)崿F(xiàn)它。
G 想象無極限，你的機(jī)器寵物將無所不能
以上方案中，ATmega16的功能被發(fā)揮到極致，以至于沒有空閑的IO口，系統(tǒng)不能再擴(kuò)展了。如果你用ATmega128單片機(jī)做，那么它擁有53個(gè)IO口，30多個(gè)中斷，128Kb的程序存儲器，4Kb的RAM，使得你能編寫更復(fù)雜的程序、儲存更多的動態(tài)數(shù)據(jù)、連接更多的外設(shè)，你的機(jī)器生命將變得非常有生命力。比如加入三軸加速度傳感器、地磁傳感器、GPS定位、雨水傳感器甚至攝像頭、無線通信模塊等，重新設(shè)計(jì)一個(gè)堅(jiān)固和強(qiáng)勁的底盤，你的機(jī)器生命就可以在室外自由探索了。
以上芯片外設(shè)來源說明：在淘寶上購買很容易
底盤：340元的高級履帶式1：16電動坦克模型
加速度傳感器、地磁傳感器：美國AD公司的40元ADXL330加速度傳感器
GPS定位：幾十元的車載外置GPS天線
最后，我想說，機(jī)器人是非常好玩的，只要你有想象力，有毅力，努力研究實(shí)踐就能創(chuàng)造奇跡。
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