摘 要：介紹一種基于MSP430F2234單片機的微型機器人無線控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要由PC機工作站、MSP430F2234單片機、nRF24L01無線收發(fā)電路和微型步進電機驅動電路組成。設計完成微型機器人無線控制系統(tǒng)硬件電路以及各個部分的軟件。實驗表明，微型機器人無線控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性、快速性和準確性。

關鍵詞：MSP430微控制器；無線控制；微型機器人；串行通訊

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)02-081-03

Wireless Control System of Micro Robot Based on MSP430F22x4

ZHU Shengqing，ZHANG Hua，LI Zhigang

(Robot Welding Automation Key Laboratory，Nanchang University，Nanchang，330031，China)

Abstract：A micro robot wireless control system is introduced in the paper which is based on mixed signal micro controller MSP430F2234.The control system consists of PC workstations，MSP430F2234 micro controller，nRF24L01 wireless transceiver circuits and micro-stepper motor drive circuit.The hardware circuit and software of wireless control system has been completely designed.The stability，veracity and speediness of the wireless control system on micro robot are very good.

Keywords：MSP430 micro controller;wireless control;micro robot;serial communication

20世紀80年代以色列基文影像公司開發(fā)出來胃腸道內窺鏡膠囊(M2A)，胃腸道的診療實現(xiàn)了“微創(chuàng)無創(chuàng)”。2001年以來，重慶金山科技(集團)有限公司在國家“863計劃”、國際合作計劃和國家科技攻關計劃的資助下，在重慶市委市政府領導的關心支持下，成功地研制出智能膠囊消化道內窺鏡(OMOM)系統(tǒng)，技術達到國際領先水平。膠囊內窺鏡完成胃腸道影像檢查；克服了傳統(tǒng)的推進式內窺鏡體積大，檢測過程痛苦，不適用于老年、纖弱和危險病人等缺陷；具有體積小、重量輕、檢查方便、無創(chuàng)傷、無痛苦、無交叉感染、不影響受檢者正常工作等優(yōu)點。目前，膠囊內窺鏡系統(tǒng)主要由3個部分組成：攝像膠囊，數(shù)據(jù)記錄儀和PC工作站。但是膠囊式內窺鏡均利用消化道自然蠕動來遍歷整個檢查區(qū)域，最終隨排泄物排出，整個過程緩慢而不可控。為實現(xiàn)膠囊式內窺鏡的在人體消化道的運動控制，必須在現(xiàn)有基礎上加入安全有效的驅動并設計無線控制系統(tǒng)。

1 微型機器人驅動和無線控制系統(tǒng)原理

1.1 微型機器人驅動原理

理論分析表明，當帶有螺旋槽的圓柱體在有粘液的人體內腔中運轉時，將迫使粘液產生軸向運動，從而產生反作用力將推動微型機器人沿軸向前進。另外，當微型機器人在充滿粘液的人體內腔中運轉時會產生動壓效應，并建立一層動壓潤滑粘液膜，使機器人處于懸浮狀態(tài)不與內腔壁發(fā)生直接接觸，避免對人體有機組織的損傷，減輕對患者的不適和痛苦。

如圖1所示是微型機器人的驅動機構示意圖。他由帶有矩形螺旋槽的外殼體和內殼體構成，其中內殼體內部裝載微型步進電機、攝像頭、紐扣電池、LED驅動模塊、無線收發(fā)模塊和MSP430F22x4單片機控制電路板等，而外殼體安裝在步進電機的轉動軸上。微型機器人外殼體直徑24 mm，總長度為35 mm。螺旋設計成矩形螺紋，螺紋線數(shù)為6，螺紋升角為45°，螺旋槽深為0.5 mm。螺旋槽槽面寬度與螺旋槽槽底寬度加槽面寬度之比為0.1。內殼體直徑為20 mm［3］。

1.2 無線控制系統(tǒng)原理

微型機器人無線控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，微型機器人無線控制系統(tǒng)分為2個部分：控制命令無線發(fā)射部分和微型機器人控制部分。控制命令無線發(fā)射部分是通過PC工作站串口發(fā)送機器人的控制指令(方向，加速減速等命令)。微型機器人控制部分通過接收控制命令改變步進電機的通電脈沖邏輯和頻率，實現(xiàn)微型機器人的運動控制。

2 微型機器人無線控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 MSP430F2234和nRF24L01芯片簡介

TI公司MSP430F2234是一種超低功耗混合信號微控制器，片內具有16位定時器，通用串行通訊接口、10位A/D轉換器和通用運放。32個I/O端口；靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗；數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于1 μs的時間內激活到活躍的工作方式；由于MSP430F2234采用了JTAG技術，F(xiàn)LASH在線編程技術等，開發(fā)時不需要仿真器和編程器。

Nordic公司的nRF24L01是一個集成接收、發(fā)射器的芯片，工作頻率范圍為全球開放的2.4~2.5 GHz頻段。芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制解調器等模塊。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有9.0 mA，接收時工作電流只有12.3 mA。nRF24L01有4種工作模式：接收模式、發(fā)射模式、空閑模式和關機模式。nRF24L01有2種信息包處理方法ShockBurstTM和增強型 ShockBurstTM。其中增強型ShockBurstTM 使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行容易，更高效。nRF24L01使用增強型ShockBurstTM處理接收包應答和重發(fā)丟失包不需要微控制器的參與。nRF24L01配置十分簡單，所有的配置都是通過SPI定義配置寄存器值實現(xiàn)。本文設計無線收發(fā)模塊信息包描述如圖3所示：

2.2 無線控制命令發(fā)射部分硬件設計

無線控制命令發(fā)射部分主要是利用MSP430F2234單片機的通用串行通信模塊與PC機工作站的串口通信發(fā)送控制命令。單片機需要經過電平轉換電路再和串口連接。硬件電路設計如圖4所示，本設計采用232芯片，完成3~5 V電平的雙向轉換。

2.3 微型機器人控制電路硬件設計

微型機器人控制電路硬件主要包括無線接收模塊、單片機控制器和步進電機驅動模塊等，電路如圖5所示。由于步進電機運轉的方向和通電脈沖的邏輯有關，若正邏輯時電機正轉，則負邏輯時電機便反轉。并且步進電機的轉速和通電脈沖的頻率成正比。微型機器人控制電路主要的功能就是根據(jù)接收到的控制命令控制步進電機的通電脈沖邏輯和頻率。實現(xiàn)前進、后退、加速、減速等運動控制。

3 微型機器人無線控制系統(tǒng)軟件設計

微型機器人無線控制系統(tǒng)軟件設計主要有無線控制命令發(fā)射部分和微型機器人控制2個部分。無線控制命令發(fā)射部分為PC工作站和MSP430F22x4單片機串口通訊，并通過無線發(fā)射模塊發(fā)送控制命令軟件設計。微型機器人控制部分為無線收發(fā)模塊接收控制命令并通過單片機對微型步進電機控制軟件設計。系統(tǒng)采用模塊化編程的方案，既有利于編程，又有利于軟件功能擴展。

3.1 無線控制命令發(fā)射部分軟件設計

上位機的功能主要通過PC機工作站串口發(fā)送控制命令經過單片機由無線發(fā)射電路把控制命令發(fā)送出來。PC上軟件設計利用VC++ 6.0中串口MSCOMM控件設計，單片機通過串口中斷和PC機通訊，而后把控制命令傳送到無線發(fā)送模塊。單片機與PC串口通訊中斷程序流程如圖6所示，單片機接收串口信息并通過無線發(fā)射模塊發(fā)送控制命令的主程序如圖7所示。

3.2 微型機器人控制軟件設計

微型機器人控制軟件功能很簡單，主要是通過外中斷服務程序接收無線控制信號，并通過定時器(Timer-A)中斷控制微型步進電機驅動電路，實現(xiàn)微型機器人的前進、后退、加速、減速等工作狀態(tài)。Timer-A工作在增計數(shù)模式，捕獲/比較寄存器CCR0定義定時器的計數(shù)周期。微型機器人下位機控制主程序流程圖如圖8所示，定時器中斷服務程序流程圖如圖9所示。

4 實驗與結論

實驗結果表明無線微型機器人控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，快速性和準確性。本文提出了基于MSP430F2234 微型機器人無線控制系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了PC機工作站無線控制微型機器人加速、減速、前進和后退運行。

參 考 文 獻

［1］王坤東，顏國正.仿蚯蚓蠕動微機器人牽引力與運動控制［J］.機器人，2006，28(1):19-24.

［2］魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統(tǒng)設計實例［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

［3］于克龍，梁亮，穆曉楓，等.不同螺紋下微型機器人的無損傷驅動方法［J］.機械設計，2004，21(5):13-15.

［4］Park H J，Park I Y，Lee J W，et al.Design of Miniaturized Telemetry Module for Bi-directional Wireless Endoscopes[J].IEICE Trans.Fund Electron.Commun.Comput.Sci.，2003，E85-A(6).

［5］張艷輝，黃戰(zhàn)華，蔡懷宇.膠囊式內窺鏡無線圖像傳輸技術的研究［J］.北京生物醫(yī)學工程，2006，25(6):623-626.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。