鐘志賢，丁 瑜，吳世立，郭宇豐

(1.昆明冶金高等專科學校 a.網(wǎng)絡管理與信息中心；b.組織部；c.建筑工程學院，云南 昆明 650033；2.云南碧桂園房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，云南 昆明 650225)

0 引 言

舵機作為一種位置、角度伺服的驅(qū)動器，常常被用于機器人、無人機等各種控制系統(tǒng)中[1-2]。因控制轉(zhuǎn)動的執(zhí)行機構往往需要多個舵機配合完成，故對舵機實現(xiàn)多路集中控制的需求較為廣泛。要實現(xiàn)對舵機的多路控制可采用基于CPLD、FPGA、DSP、單片機等產(chǎn)生多路PWM信號進行控制[3-10]。CPLD、FPGA的特點是電路可定制，可實現(xiàn)大規(guī)模的舵機控制，但是開發(fā)門檻高、成本高。單片機的特點是通用性強，開發(fā)使用簡單方便，但只適用于控制舵機數(shù)量較少的場合。

綜合考慮成本和性能，本文給出了一種基于C8051F340單片機配合74HC595移位寄存器擴展的13路舵機控制器的硬件設計方案及軟件實現(xiàn)方法。

1 方案設計

多路舵機控制器采用模塊式的開發(fā)思想，設計有RS422總線接口以便控制器集成到其它控制系統(tǒng)中，作為一個單獨的控制模塊使用。設計原理如圖1所示。

圖1 多路舵機網(wǎng)絡控制器系統(tǒng)設計原理Fig.1 Design principle diagram of multi-channel steering gear network controller system

多路舵機控制器硬件主要是以C8051F340單片機為核心，包括RS422串行總線接口及電平轉(zhuǎn)換電路、電源電路、AT24C01存儲電路、JTAG與復位電路、74HC595擴展電路、LED及蜂鳴器驅(qū)動電路、多路舵機接口電路等。控制器設計有兩線式串行總線電可擦只讀存儲器AT24C01，用于保存上位機發(fā)來的舵機角度控制數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)模塊斷電復位后，快速恢復最近一次舵機的控制角度。多路舵機控制器的系統(tǒng)結構示意圖如圖2所示。

圖2 多路舵機控制器系統(tǒng)結構示意Fig.2 Structrual diagram of multi-channel steering gear controller system

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 單片機的選擇及最小系統(tǒng)

根據(jù)多路舵機控制器的功能需求，主控芯片采用C8051F340單片機。其為兼容8051微控制器內(nèi)核，可達 48 MIPS,具有 12 MHz 內(nèi)部振蕩器和4倍時鐘乘法器。工作電壓為2.70～5.25 V，64 kB 的片內(nèi)flash存儲器，4 352 B 的片內(nèi)RAM，4個通用16位定時器，5個捕捉/比較模塊及可編程計數(shù)器定時器陣列PCA。2個增強型UART,1個硬件實現(xiàn)的SMBus,1個USB控制器，10位ADC帶模擬多路器及多達40個I/O端口，能很好滿足控制器的功能擴展需求。多路舵機控制器硬件單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

圖3 單片機最小系統(tǒng)電路Fig.3 Minimum system circuit of single chip microcomputer

2.2 RS422電平轉(zhuǎn)換及電源電路

多路舵機控制器控制部分電源通過RS422總線接口(圖4，J1所示)從上位機處獲取，網(wǎng)絡標號為VIN，GND，電壓為 5 V，VIN經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片HT7533將電壓轉(zhuǎn)為 3.3 V 供單片機及其他芯片使用，網(wǎng)絡標號為 3.3 V。為同時滿足多路舵機控制的功率需求，以及避免舵機抖動對控制部分電源的干擾，舵機的供電電源單獨設計，圖4中J3接口為舵機電源輸入接口，網(wǎng)絡標號為+5 V、0 V。圖4中J2為2種電源地線短接接口。

圖4 RS422電平轉(zhuǎn)換與電源電路Fig.4 RS422 level conversion and power supply circuit

多路舵機控制器采用了抗干擾強且差模傳輸、全雙工、傳輸距離遠的點對多點的RS422串行總線[11]，電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3491(圖4，U3)，工作電壓為 3.3 V，長距離傳輸時需要使用終端電阻(圖4，R6、R7)阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。POWER_LED為電源指示燈。

2.3 存儲模塊、LED及蜂鳴器驅(qū)動電路

多路舵機控制器還設置有1個蜂鳴器、1個工作指示燈，以方便程序調(diào)試，指示工作狀態(tài)及進行相關報警。存儲模塊采用AT24C01(圖5，U5),通過SMBus總線與單片機的P10、P11管腳相連，具有 1 kB 的存儲空間，用來存儲各舵機的動作數(shù)據(jù)。WORK_LED為控制器工作指示燈。

圖5 存儲模塊、LED及蜂鳴器驅(qū)動電路Fig.5 Memory module,LED and buzzer driver circuit

2.4 74HC595驅(qū)動及舵機接口電路

舵機有3條接線，分別為電源線、地線、控制信號線。多路舵機控制器設計了13路舵機接口，由5個單片機自帶的PWM(圖6，PWM1—PWM5)、8個74HC595擴展的舵機接口(圖6，DJ1—DJ8)組成。1片74HC595芯片可以將單片機的4個端口擴展為8個，若通過多片進行級聯(lián)，更能有效節(jié)約單片機的I/O口資源。74HC595驅(qū)動及舵機接口電路如圖6所示。

圖6 74HC595驅(qū)動及舵機接口電路Fig.6 74HC595 drive and steering gear interface circuit

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 舵機控制原理

舵機的控制信號為周期 20 ms，頻率 50 Hz 的PWM信號[12-13]，通過改變脈沖寬度控制舵機進行角度轉(zhuǎn)動，0.5～2.5 ms 的脈沖寬度對應舵機轉(zhuǎn)動角度為0～180°，且角度與脈沖的寬度成線性關系，可表示為a=90(t-0.5),a表示舵機轉(zhuǎn)動角度，t為脈沖寬度,0.5≤t≤2.5。

3.2 舵機控制信號5路PWM的實現(xiàn)

單片機外部時鐘為 11.059 2 MH，定時器0初始化為使用外部時鐘8分頻，8位自動重裝，并使能。配置TL0=0x94;TH0=0x94;對應周期為 20 ms。配置交叉開關將單片機自帶的5路PWM分別對應單片機的P12—P16管腳。PCA初始化函數(shù)可配置如下。

void PCA_Init()

{

PCA0CN=0x40;//使能PCA

PCA0MD&=～0x40;//禁止看門狗定時器

PCA0MD=0x04;//PCA時鐘使用定時器0溢出，周期 20 ms。

PCA0CPM0=0x42;//選擇8位脈寬調(diào)制模式，并使能。

PCA0CPM1=0x42;PCA0CPM2=0x42;

PCA0CPM3=0x42;PCA0CPM4=0x42;

PCA0CPH0=0xEC;//配置占空比使脈沖寬度位 1.5 ms，對應舵機默認角度為90°

PCA0CPH1=0xEC;PCA0CPH2=0xEC;

PCA0CPH3=0xEC;PCA0CPH4=0xEC;

}

PCA設置為8位脈寬調(diào)制時，占空比的計算公式為：dutycycle=[(256-PCA0CPHn)]/256

舵機0～180°(0.5～2.5ms)對應 20 ms 周期的占空比為2.5%～12.5%，對應的PCA0CPHn取值范圍為249～224,可以計算出若采用上述PCA配置的舵機角度控制精度約為7°。程序可以通過改變設置PCA時鐘或者使用16位脈寬調(diào)制來提高對舵機的控制精度。

舵機控制信號的周期為 20 ms，而高電平的時間最多使用到 2.5 ms，則可以通過分時復用的方式，在PWM中斷服務函數(shù)中循環(huán)設定PWM的PCA0CPHn寄存器值，配合外部分離電路，即可將1路PWM分離出8路PWM信號[14]，單片機自帶的PWM模塊越多，可擴展的PWM信號也越多，但是需要PWM信號分離硬件電路，對信號進行分離。

3.3 74HC595擴展8路模擬PWM的實現(xiàn)

74HC595是一種帶鎖存功能的8位串入、并出移位寄存器，常用于擴展單片機的I/O口，節(jié)約單片機端口資源[15]。74HC595在每個CLK的上升沿，串行數(shù)據(jù)從SI輸入移位寄存器，高位在前，低位在后。依次完成8位數(shù)據(jù)輸入后，若/G為低電平輸出使能，同時給RCK一個上升沿，數(shù)據(jù)就會進入鎖存器從QA-QH輸出。

通過單片機的P22、P23、P24、P25端口(圖5，U4)，配合單片機定時器2的定時中斷服務來實現(xiàn)74HC595擴展8路模擬PWM信號的輸出。定時器2開始計時前，74HC595的SI、CLK、RCK、/G均初始化為0。單片機系統(tǒng)時鐘配置為外部時鐘4倍頻，定時器2時鐘配置為使用系統(tǒng)時鐘，定時器2配置為16位自動重裝模式，定時周期為 100 μs，即每0.1 ms進1次中斷服務函數(shù)。定時器2的定時中斷服務函數(shù)如下：

count[14]={15,15,15,15,15,15,15,15,0xEC,0xEC,0xEC,0xEC,0xEC,50};//默認90°

void TIMER2_ISR(void)interrupt 5

{

Staticxdata unsigned char i=0,j,out=0xff,outbuf=0;

TF2H=0;//清中斷標志位

i++;

for(j=0;j<8;j++)

{

if(i==count[j])out&=～(1<

}

if(i==200)//20ms時間到

{

i=0;out=0xff;

}

if(outbuf!=out)

{

outbuf=out;

for(j=8;j>0;j--)

{

if(outbuf&0x80)SI=1;

else SI=0;//P25管腳

CLK=1;//P22管腳

CLK=0;//P22管腳

outbuf<<=1;

}

outbuf=out;

RCK=1;//P23管腳

RCK=0;//P23管腳

}

}

其中count[]數(shù)組前8個數(shù)據(jù)保存的是74HC595擴展接口舵機的脈沖寬度值，取值范圍為5～25，對應脈沖寬度為0.5～2.5 ms。后5個數(shù)據(jù)保存的是5路PCA寄存器的設定值，最后一個數(shù)據(jù)保存的是蜂鳴器的鳴響頻率。程序通過修改count[]數(shù)組的值來改變舵機的角度。因定時器2定時周期為 100 μs,步進值為 0.1 ms，可計算得出對舵機的控制精度為9°，程序可以縮小定時器的定時周期來提高舵機的控制精度，定時器的定時周期需要綜合考慮程序運行時間即其他功能模塊的優(yōu)先級等來確定。

若將74HC595的輸出使能端口/G始終接低電平，復位端/CLEAR始終接高電平，則1片74HC595只需單片機的3個管腳來控制，若將多片74HC595的串行數(shù)據(jù)輸入端SI并聯(lián)，移位時鐘CLK也并聯(lián)，只有鎖存時鐘RCK單獨控制，則單片機的每8個端口可以通過6片74HC595擴展出48路模擬PWM信號控制舵機[16]。但是此種方式適用于對舵機進行分組控制，每組舵機的轉(zhuǎn)動角度一致；若要實現(xiàn)對單個舵機的控制，軟件算法相對復雜，程序效率低。

3.4 串口通信協(xié)議的設計

多路舵機控制器使用C8051F340單片機的UART1通過RS422總線與上位機通信。上位機通過直接發(fā)送舵機的編號(控制命令)和需要舵機轉(zhuǎn)動的角度(控制數(shù)據(jù))給控制器即可實現(xiàn)對舵機的單獨控制，具體的協(xié)議幀格式如表1所示。

表1 接收和發(fā)送的幀格式Tab.1 Format of frames received and transmitted

例如要控制DJ3號舵機轉(zhuǎn)動140°，上位機可以通過RS422總線發(fā)送數(shù)據(jù)幀：0x55 0xAA 0x91 0x03 0x8C 0x8E即可。

3.5 系統(tǒng)程序流程

多路舵機控制器程序流程為：1)單片機上電后首先進行設備初始化，包括系統(tǒng)時鐘、PCA、定時器、I/O口、AT24C01/SMBus、串口、中斷使能及優(yōu)先級、74HC595控制的初始化及RS422總線發(fā)送禁止等；2)通過讀寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)來測試AT24C01工作是否正常，若不正常蜂鳴器報警等待處理；3)將最后一次保存在AT24C01中的舵機控制數(shù)據(jù)讀回，恢復count數(shù)組的值，同時對PCA0CPH0寄存器進行賦值，以實現(xiàn)所有舵機恢復到掉電前的狀態(tài)；4)判斷上位機是否有協(xié)議幀到來；5)若接收到完整的協(xié)議幀，則解析控制命令，通過對應的控制數(shù)據(jù)控制對應舵機轉(zhuǎn)動，返回到第4步循環(huán)。具體的主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程Fig.7 Main program flow chart

4 結 語

選用C8051F340單片機作為舵機控制器的主控芯片，芯片本身自帶5路捕捉/比較模塊及可編程計數(shù)器定時器陣列PCA，可以分別編程輸出5路PWM波形控制5路舵機。再通過選用1片74HC595串入并出移位寄存器，能將C8051F340單片機的4個普通I/O口擴展為8個I/O口，可以模擬出8路PWM信號控制8路舵機，有效節(jié)約單片機寶貴的I/O口資源?？刂破髟O計有RS422串行總線接口，能快速組網(wǎng)，配合上位機可實現(xiàn)多路舵機的網(wǎng)絡控制。

實際測試讓13路舵機循環(huán)轉(zhuǎn)動，每次轉(zhuǎn)動20°，2種控制模式控制的舵機均能正常轉(zhuǎn)動，說明對舵機控制精度與設計的控制精度相符。程序可以通過降低定時器2定時周期，提高PCA時鐘或者采用16位脈寬調(diào)制模式來提高對舵機的控制精度。另外值得注意的是，當多路舵機同時工作時，電源功率必須滿足舵機的功率需求，否則舵機會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。本控制器的硬件設計能有效節(jié)約單片機I/O口資源用于更多傳感器的接入、擴展CAN總線接口，USB接口以適應不同的總線接口需求。