曾妍

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川廣元628040)

?

微型機(jī)器人無線群組化控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

曾妍*

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川廣元628040)

摘要:針對微型機(jī)器人群組控制對無線傳輸及多路舵機(jī)控制的需求，提出了一種基于STC12C5A60S2及CC2530實(shí)現(xiàn)對16路舵機(jī)無線群組控制的控制器設(shè)計(jì)方案，利用輪詢機(jī)制和脈寬遞增方法對多路舵機(jī)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速獨(dú)立控制，并基于Z-STACK協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)、無線傳輸和遠(yuǎn)程ISP下載。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)現(xiàn)了對含多路舵機(jī)的多個(gè)微型機(jī)器人的無線群組控制。

關(guān)鍵詞:機(jī)器人控制器;輪詢算法;群組控制;遠(yuǎn)程升級

在足球運(yùn)動機(jī)器人、舞蹈表演機(jī)器人，以及以機(jī)器人為載體的多點(diǎn)傳感參數(shù)動態(tài)采集應(yīng)用領(lǐng)域，常需用到具備無線數(shù)據(jù)傳輸、動態(tài)組網(wǎng)、多路舵機(jī)控制、傳感器參數(shù)采集功能的控制器。文獻(xiàn)［1］提出了一種時(shí)分復(fù)用8路舵機(jī)控制器，根據(jù)舵機(jī)PWM信號特點(diǎn)，利用單片機(jī)定時(shí)器功能實(shí)現(xiàn)對多路舵機(jī)的間歇控制;文獻(xiàn)［2］提出了一種基于DSP的12路舵機(jī)控制器，利用DSP的事件處理能力和定時(shí)器功能實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制中的事件處理和分時(shí)控制;文獻(xiàn)［3］也提出了一種基于時(shí)分復(fù)用并具有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能的32路舵機(jī)控制器。這些控制器重在分析實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的高速和精確控制的方法，所設(shè)計(jì)的電路缺乏必要的功率保護(hù)功能，很容易因掛載舵機(jī)過多而燒壞控制器，并且不具備動態(tài)組網(wǎng)及無線控制等功能，無法實(shí)現(xiàn)對多個(gè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。為此，提出了一種無線群組化控制的多路舵機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方法。

1　總體方案

1.1舵機(jī)PWM控制要求及實(shí)現(xiàn)方法

舵機(jī)是一種位置伺服驅(qū)動器，通常采用周期為20 ms的PWM信號控制，脈寬從0.5 ms～2.5 ms對應(yīng)舵機(jī)位置－90°～+90°的線性變化范圍［1］。多路舵機(jī)控制器的PWM信號產(chǎn)生方法主要有兩種:一是運(yùn)行CPLD、FPGA、DSP等的高速運(yùn)算能力提供基于硬件的PWM支持;二是利用微處理器的定時(shí)器功能，提供基于軟件的PWM支持［2］。由于CPLD等不具備事件處理能力，因此本設(shè)計(jì)采用了基于STC12C5A60S2單片機(jī)的軟件PWM方案。STC12C5A60S2是運(yùn)行速度比普通51系列單片機(jī)快8倍～12倍的增強(qiáng)型51系列單片機(jī)，擁有2路PWM、1280 byte RAM、60 kbyte Flash、4個(gè)16 bit定時(shí)器、獨(dú)立串行通訊波特率發(fā)生器，以及單個(gè)驅(qū)動能力可達(dá)20 mA的32個(gè)I/O口，因此非常適合用作多路舵機(jī)控制器［4］。

1.2無線群組控制方式選擇

多機(jī)器人無線群組控制方式需滿足3個(gè)要求:能對網(wǎng)絡(luò)中的各通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，包括網(wǎng)絡(luò)建立、入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)、路由管理及動態(tài)組網(wǎng);數(shù)據(jù)傳輸有效性高，無線數(shù)據(jù)的傳輸速率應(yīng)滿足舵機(jī)控制實(shí)時(shí)性要求;傳輸應(yīng)與控制分離，即定制的傳輸協(xié)議應(yīng)做到透明傳輸。為此，本設(shè)計(jì)選用ZigBee傳輸方式，通過在CC2530上移植Z-STACK協(xié)議棧及應(yīng)用開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)控制器的自組網(wǎng)管理及指令、數(shù)據(jù)的無線傳輸。

1.3控制器的硬件組成

據(jù)上述分析而制定的硬件設(shè)計(jì)方案如圖1所示，主要由直流電源電路、CC2530無線傳輸模塊(終端節(jié)點(diǎn))、STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)、光耦隔離電路、USB轉(zhuǎn)串口電路組成。

圖1　控制器的硬件組成

電源電路用于為整個(gè)系統(tǒng)提供6 V和3.3 V直流電，供舵機(jī)及控制器工作使用。光耦隔離電路的作用主要有兩點(diǎn):一是隔離單片機(jī)I/O口和舵機(jī)控制端。雖然STC12C5A60S2單片機(jī)每個(gè)I/O口驅(qū)動能力高達(dá)20 mA，但STC公司建議整個(gè)芯片I/O的工作電流不超過120 mA［4］，所以直接用I/O口控制16路舵機(jī)時(shí)很容易因芯片驅(qū)動電流過大燒壞芯片，加入光耦隔離電路可有效解決該類問題。二是隔離舵機(jī)供電和控制器供電，避免舵機(jī)對控制器的干擾。在單電源供電系統(tǒng)中，舵機(jī)工作會對單片機(jī)產(chǎn)生干擾，因此舵機(jī)與舵機(jī)控制器應(yīng)采用相互隔離不共地的雙電源供電［5］，光耦隔離電路可實(shí)現(xiàn)雙電源的隔離。

控制器運(yùn)行中，PC控制端既可以通過USB轉(zhuǎn)串口電路直接向單片機(jī)下發(fā)控制指令控制舵機(jī)運(yùn)行，也可以通過CC2530協(xié)調(diào)器以無線方式向CC2530終端節(jié)點(diǎn)下發(fā)指令，并經(jīng)終端節(jié)點(diǎn)以串口通訊方式將指令下發(fā)單片機(jī)控制舵機(jī)運(yùn)行。同時(shí)，系統(tǒng)還可利用STC12C5A60S2的ISP(In System Programable)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)STC12C5A60S2的在線編程，便于對舵機(jī)控制程序的遠(yuǎn)程更新。

2　關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1電源電路選型與設(shè)計(jì)

多路舵機(jī)控制系統(tǒng)中，舵機(jī)的工作總電流是影響電源電路選型與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。以16路輝盛996R舵機(jī)為例，同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的總電流可達(dá)20 A，因此最好采用大電流開關(guān)電源或直接用電池供電。為便于機(jī)器人的移動和滿足隔離需要，本系統(tǒng)采用圖2所示雙7.4 V鋰電池供電方案，鋰電池1經(jīng)D25SB60降壓后輸出約6 V電壓供給舵機(jī)，鋰電池2經(jīng)三端穩(wěn)壓器后，輸出3.3 V電壓供給控制器。由于多路舵機(jī)工作電流大，無法通過線性穩(wěn)壓器降壓，因此大電流整流橋堆D25SB60作降壓芯片，利用橋堆中的二極管將7.4 V電壓降為6 V。鋰電池1和鋰電池2采用不共地連接，其隔離方法在圖3中展示。

圖2　電源電路

2.2STC12C5A60S2對舵機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2的I/O口需經(jīng)光耦隔離后方控制舵機(jī)。由于舵機(jī)控制采用周期僅為20 ms的PWM信號，因此需選用具有較短tPHL和tPLH的高速光耦，否則易因PWM波形畸變影響舵機(jī)工作穩(wěn)定性，本系統(tǒng)選用高達(dá)10 Mbit/s的高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)隔離［6］。以P1.2口控制舵機(jī)為例，其應(yīng)用電路如圖3所示，單片機(jī)輸出的PWM信號從6N137的3號引腳輸入，經(jīng)光耦隔離后從6號引腳輸出控制舵機(jī)。多路舵機(jī)控制系統(tǒng)中，需為每個(gè)控制I/O口各設(shè)計(jì)一路光耦隔離電路。圖3中，加入光耦電路后還實(shí)現(xiàn)了控制器供電Vcc1和舵機(jī)供電Vcc2的不共地隔離。

圖3　單片機(jī)控制舵機(jī)電路

2.3CC2530與STC12C5A60S2的串口通訊電路設(shè)計(jì)

CC2530與STC12C5A60S2的串口通訊需滿足數(shù)據(jù)傳送和對STC12C5A60S2的ISP編程兩個(gè)需求，其電路如圖4所示。由于STC12C5A60S2的串口通訊和ISP編程均由6號、7號引腳(RXD和TXD)完成，而且所選用CC2530與STC12C5A60S2均工作在3.3 V電平，所以可將二者串口的RXD和TXD交叉連接實(shí)現(xiàn)串口通訊。加入K1、K2可用于選擇與STC12C5A60S2通訊的對象(CC2530或PC)。由于STC12C5A60S2 ISP編程需冷啟動［4］，因此設(shè)計(jì)了Q1、C6、C7、R4等構(gòu)成的開關(guān)電路，在ISP下載時(shí)由CC2530的P1.5控制晶體管Q1先截止后導(dǎo)通，從而冷啟動STC12C5A60S2。

圖4　CC2530與STC12C5A60S2的串口通訊電路

3　軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1傳輸控制協(xié)議設(shè)計(jì)

從圖1可知，上位機(jī)(PC)可以通過無線及USB兩種方式控制舵機(jī)運(yùn)行。以無線控制方式為例，指令傳輸需經(jīng)過PC－CC2530協(xié)調(diào)器間的串口、CC2530協(xié)調(diào)器－CC2530終端的空中接口、CC2530終端－STC12C5A60S2間的串口等3個(gè)接口，為了確?？煽總鬏敿皾M足控制、遠(yuǎn)程ISP下載需要，需約定3個(gè)接口間的通訊協(xié)議，才能確保正確收發(fā)數(shù)據(jù)。

PC－CC2530協(xié)調(diào)器間的串口需傳輸無線網(wǎng)絡(luò)管理、傳感參數(shù)、舵機(jī)控制、ISP下載4類數(shù)據(jù)流，幀結(jié)構(gòu)如表1所示。其中，目標(biāo)地址表示協(xié)調(diào)器下發(fā)數(shù)據(jù)的目標(biāo)對象，可以告知CC2530協(xié)調(diào)器是以廣播、組播，還是點(diǎn)對點(diǎn)等方式與下級節(jié)點(diǎn)通信。消息簇用于區(qū)分不同的數(shù)據(jù)流，其值將直接封裝進(jìn)ZSTACK協(xié)議棧的無線發(fā)射函數(shù)中。幀類型用于區(qū)分相同消息簇下不同功能的數(shù)據(jù)幀?？値瑪?shù)、本幀序號、本幀長度等字段來滿足不同數(shù)據(jù)量的傳輸需求。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)管理主要用于路由發(fā)現(xiàn)、拓?fù)涔芾?、功率控制，它與傳感參數(shù)、舵機(jī)控制等所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量均比較小(一般為幾十byte)，用單幀結(jié)構(gòu)即可完成傳輸，而ISP下載數(shù)據(jù)流可達(dá)數(shù)十kbyte，必須采用多幀結(jié)構(gòu)傳輸。

表1　PC－CC2530協(xié)調(diào)器串口通訊幀結(jié)構(gòu)　單位:byte

表2所示為CC2530協(xié)調(diào)器－CC2530終端的空中接口傳輸控制幀結(jié)構(gòu)。對于舵機(jī)控制及ISP下載數(shù)據(jù)流，該接口基于透明原則進(jìn)行傳輸。無線網(wǎng)絡(luò)管理及傳感參數(shù)采集數(shù)據(jù)流將由CC2530處理并返回響應(yīng)數(shù)據(jù)，不再轉(zhuǎn)發(fā)。

表2　CC2530協(xié)調(diào)器－CC2530終端的空中接口通訊幀結(jié)構(gòu)單位:byte

CC2530終端－STC12C5A60S2串口主要用于透明原則傳輸舵機(jī)控制指令、ISP下載數(shù)據(jù)，以及STC12C5A60S2的有關(guān)響應(yīng)數(shù)據(jù)，傳輸幀結(jié)構(gòu)如表3所示。其中，數(shù)據(jù)字段需經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，在此用“#舵機(jī)號P脈沖寬度T移動時(shí)間 ”數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對單只舵機(jī)的控制［3］，將多個(gè)該類控制數(shù)據(jù)依次組合即可控制多個(gè)舵機(jī)，這樣可滿足對不同數(shù)量舵機(jī)的控制，其靈活性較之于采用固定幀長結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更為優(yōu)化。

表3　CC2530終端－STC12C5A60S2串口通訊幀結(jié)構(gòu)

3.2主要軟件實(shí)現(xiàn)方法

3.2.1數(shù)據(jù)傳輸可靠性控制方法

各接口均需按協(xié)議約定的幀結(jié)構(gòu)對所接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，才能確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸，因此接收數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)控制就是影響傳輸可靠性的關(guān)鍵。執(zhí)行狀態(tài)控制的基本思路是設(shè)置狀態(tài)機(jī)，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)決定是否接收數(shù)據(jù)及下一步應(yīng)轉(zhuǎn)移到的狀態(tài)。以表2所示幀結(jié)構(gòu)為例，利用狀態(tài)機(jī)解析各字段數(shù)據(jù)的過程如圖5所示，首先將狀態(tài)機(jī)置于接收幀頭狀態(tài)，然后將接收的數(shù)據(jù)與所定義的幀頭對比，若是幀頭則將接收狀態(tài)轉(zhuǎn)移到接收幀類型狀態(tài)，若不是幀頭或超時(shí)，則繼續(xù)接收幀頭。后續(xù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移及數(shù)據(jù)接收過程依次類推，待接收完一幀數(shù)據(jù)后，將接收狀態(tài)轉(zhuǎn)移到開始，等待接收新的數(shù)據(jù)幀。

圖5　接收狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換示意圖

3.2.2多路舵機(jī)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速控制方法

多路舵機(jī)角度控制常用方法是分時(shí)控制［1］，即根據(jù)舵機(jī)轉(zhuǎn)角范圍將20 ms PWM脈沖周期劃分為N個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙控制1路舵機(jī)，這樣在20 ms內(nèi)就可控制20/N(僅取整數(shù)部分)路舵機(jī)。

分時(shí)控制實(shí)現(xiàn)簡單，但無法真正做到同時(shí)控制多路舵機(jī)，為此提出一種基于輪詢機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法，其執(zhí)行流程如圖6所示。上位機(jī)程序首先將每個(gè)舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的角度αi(i = 0～16，αi=－90°～+90°，)按照公式(αi/180×250)轉(zhuǎn)化為脈沖寬度計(jì)數(shù)值βi;在STC12C5A60S2中，定時(shí)器按照可變周期T1進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值逐一與βi進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制I/O口輸出不同電平，從而輸出PWM信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角?；谳喸兯惴ǖ膬?yōu)勢在于既可以通過分時(shí)控制方式靈活設(shè)置各路舵機(jī)的啟動時(shí)間，又能充分發(fā)揮同時(shí)隙對多個(gè)舵機(jī)的控制能力，實(shí)現(xiàn)真正意義上的多路舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制。

舵機(jī)的轉(zhuǎn)速受當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的角度差影響，角度差越大舵機(jī)轉(zhuǎn)速越快，反之轉(zhuǎn)速越慢。因此，若將舵機(jī)所需轉(zhuǎn)動角度劃分為多個(gè)小角度遞進(jìn)控制，即將控制舵機(jī)所需PWM信號每個(gè)周期的脈沖寬度(或占空比)以不同的微量ΔP遞增或遞減，就可調(diào)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)速［7］。ΔP的取值會影響舵機(jī)的工作穩(wěn)定性和輸出力矩，ΔP小時(shí)舵機(jī)工作穩(wěn)定但輸出力矩趨小，反之輸出力矩大但穩(wěn)定性弱。ΔP的具體取值受表3所示協(xié)議的移動時(shí)間T、STC12C5A60S2內(nèi)定時(shí)器的定時(shí)周期T1、PWM信號周期T2、轉(zhuǎn)角總變化范圍Δα影響，建議的計(jì)算方法為ΔP =［(2.5－0.5)/180］× ［Δα×(T/T2)］(其中，ΔP的單位是ms)。編程時(shí)可分別為每個(gè)舵機(jī)綁定當(dāng)前位置脈寬計(jì)數(shù)值(φi)、目標(biāo)位置脈寬計(jì)數(shù)值(即βi)、脈寬微增量ΔP對應(yīng)計(jì)數(shù)值(Δi)等3個(gè)變量，并在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中按圖7所示流程執(zhí)行。

圖6　基于輪詢機(jī)制的多路PWM信號產(chǎn)生示意圖

圖7　基于微增量的單路PWM信號產(chǎn)生示意圖

3.2.3STC12C5A60S2單片機(jī)遠(yuǎn)程ISP下載實(shí)現(xiàn)方法

STC12C5A60S2單片機(jī)的Flash中內(nèi)置有ISP引導(dǎo)程序，CC2530終端節(jié)點(diǎn)按照指定的ISP協(xié)議啟動引導(dǎo)程序并將STC12C5A60S2目標(biāo)代碼下發(fā)，即可實(shí)現(xiàn)對STC12C5A60S2的下載。但由于通過keil等編譯器生成器的目標(biāo)代碼一般為hex文件，CC2530無法像PC一樣通過專用工具軟件直接下載hex文件到STC12C5A60S2，因此需先將hex文件轉(zhuǎn)換為bin文件，再執(zhí)行下載操作。為降低CC2530處理的復(fù)雜度，轉(zhuǎn)換的工作應(yīng)交由PC端完成。

由于ISP下載速率快，要通過CC2530無線傳輸方式將目標(biāo)代碼實(shí)時(shí)下發(fā)并寫入STC12C5A60S2很難實(shí)現(xiàn)，因此需先由CC2530接收并存儲，待收到完整的目標(biāo)代碼后，再執(zhí)行ISP下載操作。CC2530的片內(nèi)SRAM僅有8 kbyte，無法滿足大于8 kbyte的目標(biāo)代碼下載，因此需用Flash來存儲目標(biāo)代碼［8］。受CC2530的Flash分頁存儲機(jī)制、Flash在存儲自身系統(tǒng)程序后空間有限、寫入到STC12C5A60S2的目標(biāo)代碼地址范圍不一定連續(xù)等因素影響，必須采用高效的存儲算法，才能充分利用CC2530的Flash空間［9］。本系統(tǒng)采用圖8所示的存儲結(jié)構(gòu)，首先將目標(biāo)代碼分段，然后將每段的長度及入口地址建立索引表，在ISP下載時(shí)根據(jù)索引表提取目標(biāo)代碼并寫入STC12C5A60S2中。在Z-STACK協(xié)議棧中，對Flash的讀寫是通過uint8 osal_nv_read(uint16 id，uint16 offset，uint16 len，void * buf)和uint8 osal_nv_write (uint16 id，uint16 offset，uint16 len，void * buf)兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其中的id表示應(yīng)用程序操作Flash的ID號，其值在0x0201～0x0FFF間［10］。圖8中，目標(biāo)代碼起始地址被用作id，目標(biāo)代碼長度被用作len。

圖8　目標(biāo)代碼存儲結(jié)構(gòu)示意圖

CC2530對STC12C5A60S2的ISP下載屬于脫機(jī)編程，因此需在CC2530上模擬PC對STC12C5A60S2下載的協(xié)議流程。本系統(tǒng)采用圖9所示方案執(zhí)行下載操作，CC2530首先以指定波特率連續(xù)發(fā)送字節(jié)流0x7F到STC12C5A60S2，同時(shí)利用圖4所示電路中的P1.5口冷啟動STC12C5A60S2，STC12C5A60S2冷啟動后會返回響應(yīng)并與CC2530同步波特率，然后CC2530以128 byte為單位，將目標(biāo)代碼下載到STC12C5A60S2［9］。

圖9　STC12C5A60S2 ISP下載流程

3.2.4CC2530無線群組化控制方法

本系統(tǒng)采用Z-STACK協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)無線群組化控制。Z-STACK協(xié)議棧采用了輪詢機(jī)制實(shí)現(xiàn)對多任務(wù)的調(diào)度，靈活的消息簇處理機(jī)制可滿足舵機(jī)控制中多功能需求。對于控制器上的CC2530終端節(jié)點(diǎn)而言，主要需提供舵機(jī)控制、ISP下載、節(jié)點(diǎn)在線檢測、傳感參數(shù)采集等服務(wù)，其運(yùn)行流程如圖10所示。

圖10　CC2530終端節(jié)點(diǎn)事件處理流程

4　實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證方法的可行性，分別從無線傳輸、舵機(jī)轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速控制、ISP遠(yuǎn)程下載3個(gè)方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1無線傳輸性能測試

實(shí)驗(yàn)中以1個(gè)CC2530協(xié)調(diào)器和3個(gè)CC2530終端節(jié)點(diǎn)(舵機(jī)控制器)構(gòu)建最長傳輸距離不超過20 m的星型網(wǎng)絡(luò)，并利用串口調(diào)試助手展示協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的串口數(shù)據(jù)，從自組網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)方面對無線傳輸性能進(jìn)行了測試。

實(shí)驗(yàn)中分20次先啟動協(xié)調(diào)器、再啟動終端節(jié)點(diǎn)和50次先啟動3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、再啟動協(xié)調(diào)器兩種情況對自組網(wǎng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在每次終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后各進(jìn)行了50次廣播方式(終端節(jié)點(diǎn)處于靜態(tài)條件下，指令下發(fā)周期＞3 s)獲取終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)指令測試實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果如表1所示。由表1可知，在先啟動協(xié)調(diào)器再啟動終端情況下節(jié)點(diǎn)全部入網(wǎng)，而先啟動終端再啟動協(xié)調(diào)器情況下則無法確保入網(wǎng)，但兩個(gè)測試實(shí)驗(yàn)中無線傳輸?shù)恼_率均達(dá)到100%。

表1　自組網(wǎng)與無線傳輸性能測試結(jié)果

4.2舵機(jī)轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速控制性能測試

實(shí)驗(yàn)中通過PC直接驅(qū)動舵機(jī)控制器對舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速控制性能進(jìn)行測試，在空載情況下，從示波器輸出波形如圖11所示(僅測試1路)，由圖可見I/O口PWM信號波形準(zhǔn)確、肉眼觀察無毛刺。

圖11　PWM測試波形

在負(fù)載舵機(jī)數(shù)量從1～16逐個(gè)增加的情況下，舵機(jī)轉(zhuǎn)速獨(dú)立可調(diào)、轉(zhuǎn)角在－90°～+90°可調(diào)但有一定誤差，經(jīng)分析主要原因有兩點(diǎn):一是受舵機(jī)間結(jié)構(gòu)差異影響，二是受STC12C5A60S2定時(shí)中斷耗時(shí)及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)脈寬微量ΔP精度影響。

在前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步組建了包含1個(gè)協(xié)調(diào)器和3個(gè)控制器，每個(gè)控制器帶16路負(fù)載舵機(jī)的機(jī)器人無線群組化控制測試系統(tǒng)。經(jīng)測試，協(xié)調(diào)器能對3個(gè)機(jī)器人進(jìn)行獨(dú)立或群組控制。

4.3ISP遠(yuǎn)程下載功能測試

為了測試ISP遠(yuǎn)程下載的可行性，首先基于STC12C5A60S2編寫了一個(gè)Code大小為69B的最簡程序，實(shí)現(xiàn)每隔0.5 s翻轉(zhuǎn)P1口電平狀態(tài)，然后將其bin文件進(jìn)行ISP遠(yuǎn)程下載。在20次測試中，通過示波器觀察所有入網(wǎng)控制器的STC12C5A60S2單片機(jī)的P1口波形均正常，說明程序均得以更新，ISP下載成功。為進(jìn)一步測試ISP遠(yuǎn)程下載能力，采用逐步增大bin文件大小的方式執(zhí)行遠(yuǎn)程下載，發(fā)現(xiàn)bin文件大于21 kbyte后的下載成功率明顯降低。通過對比CC2530終端節(jié)點(diǎn)存儲bin目標(biāo)代碼時(shí)串口輸出的數(shù)據(jù)與bin原始數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)ISP不成功的主要原因是PC通過串口下發(fā)數(shù)據(jù)到CC2530協(xié)調(diào)器時(shí)數(shù)據(jù)幀過長，造成協(xié)調(diào)器因不能有效接收而丟包，從而導(dǎo)致終端節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)與原始bin數(shù)據(jù)有偏差。通過降低PC下發(fā)數(shù)據(jù)的幀長和下發(fā)的速率，可明顯提高下載成功率。

5　結(jié)語

根據(jù)微型機(jī)器人群組控制需求及舵機(jī)控制原理，基于STC12C5A60S2及CC2530單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種多通道無線群組控制器，利用STC12C5A60S2同時(shí)輸出16路獨(dú)立的PWM信號控制16路模擬舵機(jī)，并通過CC2530構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對多個(gè)機(jī)器人的群組控制，從而形成了一種適用于操作微型機(jī)器人的無線群組化控制器。

參考文獻(xiàn):

［1］霍麗霞，羅衛(wèi)兵，遲曉鵬.多通道舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(21):73－75.

［2］張龍，孟偲，劉穎，等.仿壁虎機(jī)器人多路舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)［J］.微特電機(jī)，2010，38(9):54－58.

［3］李楊，任文博，馮曉明，等.基于單?片機(jī)的六足機(jī)器人多路舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2013(12):90－91.

［4］STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊［EB/OL］.［2013－12－ 30］.http://www.stcmcu.com.

［5］吳華波，錢春來.基于AT89C2051的多路舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006(8):55－58.

［6］6N137:8-Pin DIP 10 Mbit/s Single-Channel High Speed Logic Gate Output Optocoupler［EB/OL］.［2008－07－20］.https://www.fairchildsemi.com.

［7］丁俐，余瑾，吳垠，等.基于PIC單片機(jī)的仿生機(jī)器魚的舵機(jī)控制［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010(14):88－90.

［8］A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications［EB/OL］.［2014－09－24］.http://www.ti.com.cn.

［9］王桂喜，胡平平.STC單片機(jī)集成下載器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，(5):75－79.

［10］青島東合信息技術(shù)技術(shù)有限公司.ZigBee開發(fā)技術(shù)及實(shí)踐［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2014:229.

曾　妍(1982－)，女，漢族，四川廣元人，碩士研究生、講師，現(xiàn)工作于四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)骨干教師，主要從事嵌入式及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究，zengyan628040@163.com。

A Mechanic Arm and Hand Control System Design Based on Infrared and Color Image Sensors

ZHU Rui1，WU Minjun2，JIN Hongsheng2，TANG Yongming2*
(1.School of Information Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China;
2.School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:A design of mechanic arm and hand control system is proposed.The hardware system is mainly composed of a Kinect device with infrared and color image sensors，an upper computer on Atom Platform，a steering engine controller，and a set of mechanic arm and hand.Multiple algorisms including image segmentation and recognition，Support Vector Machine(SVM)，linear smoothing and joint mapping are applied to enable several instant tracking and simulating modes.The combination of a graphical user interface(GUI)based on C# GUI and a 3D simulating platform based on Java3D are introduced to enhance user experience.The system is featured in its high degree of accuracy，low latency and strong robustness to the environment.It is valuable in practical as well as prospective application.

Key words:sensor; control system; modeling; infrared sensor; mechanic arm and hand; recognition; GUI

doi:EEACC:7210B; 7230G10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.018

收稿日期:2014－11－26修改日期:2014－12－19

中圖分類號:TP368.2; TP242.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0798－07

項(xiàng)目來源:四川省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會2012年“兩化融合”項(xiàng)目(2012XM037)