李紅波 權宏偉 李萬兵

（西京學院機電工程系，西安，710123）

在智能車和移動機器人控制中，移動控制終端是監(jiān)視和控制機器人運動的重要組成部分，通過對機器人的實時監(jiān)控，具有獲取運動狀態(tài)、記錄傳感器數(shù)據(jù)、查看參數(shù)變化趨勢和處理報警等功能。

通常，移動控制終端主要由移動運算平臺、無線收發(fā)模塊和上位機監(jiān)控軟件組成，一般有三種方案可以選?。阂皇莻€人電腦（PC）或可編程控制器（PLC）、無線收發(fā)器和上位機軟件[1-3]；二是智能手機、無線收發(fā)器和手機端軟件[4-5]；三是嵌入式微控制器（MCU）、無線收發(fā)器和嵌入式軟件[6-7]。第一種方案，雖然PC 或PLC 有豐富的擴展接口，但是其體積較大，設備重，不利于移動控制應用。第二種方案，智能手機雖然手持方便，觸摸靈活，但是不具備擴展外設的能力，限制了應用。第三種方案，MCU 有多個外設接口，可連接多個外設和傳感器，系統(tǒng)擴展靈活，可根據(jù)系統(tǒng)功能需要自行設計。

相比之下，第三種方案較優(yōu)，它融合了前兩種方案的優(yōu)點，把無線技術和觸摸技術結合在一起，在無線觸控領域中廣泛應用。利用觸摸屏技術，用戶只要用手指輕觸顯示屏上的圖文就能實現(xiàn)對機器人的操作，這種全新交互設備使人機交互控制更為直截了當，擺脫了對鍵盤鼠標的依賴，可以得心應手控制移動設備[8]。同時，利用2.4GHz高速無線收發(fā)器終端可以方便地進行無線數(shù)據(jù)傳輸，為智能車和移動機器人控制需要提供了保證[9]。

1 硬件設計

該終端硬件主要包括ATmega64A 單片機、高速無線收發(fā)器nRF24L01+、LCD 觸摸屏、字庫芯片GT20L16S1Y和SD 存儲卡等。系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖1 所示，其核心部分為ATmega64A 單片機。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

1.1 ATmega64A 單片機和GT20L16S1Y 字庫芯片

本系統(tǒng)采用Atmel 公司的ATmega64A 嵌入式微處理器，具有高性能、低功耗的特點，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，工作于16MHz 時性能高達16MIPS，具有8 個32 位通用目的寄存器，只需2 個時鐘周期的乘法器，64KB 片上Flash ROM，2KB EEPROM，4KB SRAM，2 個USART，1 個可倍速的SPI 接口（工作于16MHz 時，SCK時鐘可達8MHz），1 個IIC 接口，具有看門狗功能的定時器等。其資源豐富，性能優(yōu)異，滿足手持無線應用系統(tǒng)的設計。

GT20L16S1Y 字庫芯片是集通數(shù)碼科技公司的一款內(nèi)含15×16 點陣的標準漢字庫芯片，支持GB2312 國標簡體漢字（含有國家信標委合法授權），共收錄了6763 個漢字、6 套ASCII 字符（5×7 點陣～8×16 點陣）。排列格式為豎置橫排，用戶通過字符內(nèi)碼，利用芯片提供的方法計算出字符點陣在芯片中的地址，并從該地址連續(xù)讀出字符點陣信息。該芯片采用SPI 總線，接口速度可達30MHz。

1.2 LCD 觸摸屏接口電路設計

LCD 觸摸屏接口電路由觸摸屏接口電路和LCD 接口電路組成，觸摸屏接口電路如圖2 所示，LCD 接口電路框圖如圖3 所示。觸摸屏接口電路由芯片TSC2046 通過SPI總線與嵌入式微處理器相連，可實時采集觸摸屏數(shù)據(jù)，解算和濾波[10]得到用戶觸摸行為及觸摸坐標位置數(shù)據(jù)。LCD 接口電路通過8 位并行接口與嵌入式微處理器相連，由74HC245 驅(qū)動LCD 面板[11]，用于圖形圖像繪制和界面顯示。

圖2 觸摸屏接口電路圖

圖3 LCD 接口電路框圖

1.3 字庫芯片接口電路和SD 存儲卡接口電路設計

針對ATmega64A 處理器片內(nèi)Flash ROM 存儲容量少的情況，本系統(tǒng)擴展了SD 存儲卡接口電路和字庫芯片接口電路，便于大容量數(shù)據(jù)存儲和字符顯示，其接口電路分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 SD 存儲卡接口電路圖

圖5 字庫芯片接口電路圖

1.4 無線模塊設計

無線模塊采用目前應用廣泛的Nordic 公司生產(chǎn)的單芯片射頻收發(fā)器件nRF24L01+，其工作在2.4GHz 頻段，數(shù)據(jù)傳輸率可達2Mbps，具有自動應答功能、自動重發(fā)功能和CRC 校驗功能，125 個可選工作頻道，頻道切換時間很短，可用于調(diào)頻。該模塊采用SPI 接口，單片機5V電平轉換成3.3V 電平與模塊連接。無線收發(fā)器接口電路如圖6 所示。

圖6 無線收發(fā)器接口電路圖

1.5 系統(tǒng)供電設計

本系統(tǒng)有兩種供電形式，USB 供電和電池供電（6 ～9V）。單片機需要5V 供電，其余模塊需要3.3V 供電，整個系統(tǒng)最大電流小于300mA，電源芯片選擇AMS1117-5.0 提供5V 電源和選擇AMS1117-3.3 提供3.3V 電源。

2 軟件設計

本系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境采用AVR Studio 和WinAVR，利用模塊化思想構建系統(tǒng)軟件部分，在硬件平臺上移植了硬件驅(qū)動程序，編寫了圖形圖像庫、字符顯示庫、觸摸按鍵庫、無線數(shù)據(jù)處理庫和人機交互界面程序。軟件結構框圖如圖7 所示。

圖7 軟件結構框圖

系統(tǒng)軟件運行分為4 個步驟：

1）初始化單片機和硬件電路；

2）調(diào)用圖形圖像庫建立圖形窗口；

3）顯示主界面；

4）等待用戶按鍵操作，根據(jù)用戶的選擇執(zhí)行對應的功能。

系統(tǒng)軟件工作流程如圖8 所示。

軟件主程序代碼：

int main(void)

圖8 系統(tǒng)軟件工作流程

圖9 系統(tǒng)平臺實物

{

Port_Init(); //端口初始化

Uart_Init(); //串口初始化

ILI9325_Initial(); //LCD 初始化

ClearScreen(Black);

SetfbRGB(Green,Black);

Touch_Init(); //觸摸屏初始化

SD_Init(); //SD 卡初始化

SPI_GT20L16_Init(0); //字庫初始化

get_first_data_from_ROM();

uart_puts ("GT20L16_Init High Speed OK! ");

Wireless_Init(); //無線模塊初始化

Cleararea(13,13,147,226,Black);

CreateWindow(); //建立圖形窗口

DisplayPanel(); //畫主界面

Set_Linedis(2); //設置字符行列間距

Set_Columedis(0);

while(1) //////////////主循環(huán)//////////////////////////////

{

if(Key_Scan()==0)continue; //獲取按鍵

RunProcess(key);

}

return 0;

}

3 系統(tǒng)測試與結果

本手持無線觸控終端系統(tǒng)實物如圖9 所示，其系統(tǒng)測試主要有兩個方面：無線數(shù)據(jù)收發(fā)距離測試和觸摸響應時間測試。系統(tǒng)工作時鐘為12MHz 時，實驗測試結果如下：

1）在空曠地，數(shù)據(jù)傳輸率在250kbps 和發(fā)射功率為0dBm 時，通信距離可達100m 左右。在屋內(nèi)或2.4GHz 信號覆蓋地區(qū)時，同樣的速率和發(fā)射功率傳輸距離較小，通常在50m 左右。

2）通過200 次的觸摸測試，最小觸摸響應時間為8.2ms，最大響應時間為25.6ms，平均響應時間14.7ms。

實驗數(shù)據(jù)證明，該系統(tǒng)具有通信可靠、觸摸靈活和移動方便等特點，在實際應用中基本滿足了智能車和移動機器人的控制需要。

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