任照富，曾昭源，陳鐘

（重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校信息工程學(xué)院，重慶，400053）

0 引言

目前市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)板所暴露的開(kāi)發(fā)核心單一，如果用戶(hù)想同時(shí)學(xué)習(xí)幾款不同核心的開(kāi)發(fā)就需要購(gòu)買(mǎi)不同的開(kāi)發(fā)板，購(gòu)買(mǎi)了后用戶(hù)還要花時(shí)間來(lái)熟悉外圍的硬件電路，如果一旦出現(xiàn)問(wèn)題后要是用戶(hù)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)不夠的話很難找到問(wèn)題。如果用戶(hù)自行購(gòu)買(mǎi)核心板來(lái)自己搭建外圍電路的話，對(duì)用戶(hù)的入門(mén)要求較高，而且電路的穩(wěn)定性也無(wú)法得到保障。

常見(jiàn)市面上的開(kāi)發(fā)板切換所遇問(wèn)題：

(1)單片機(jī)外設(shè)不熟悉，這種情況常出現(xiàn)在切換單片機(jī)開(kāi)發(fā)板后不同廠家使用單片機(jī)外設(shè)的不同，使用者還需要去重新熟悉單片機(jī)外設(shè)電路，增加學(xué)習(xí)成本，對(duì)入門(mén)的門(mén)檻進(jìn)一步提高。

(2)不同廠家所使用的芯片廠商不同，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的差別，如：DHT11 就有兩個(gè)版本，-20～+60℃的版本和0～50℃的版本，兩個(gè)版本采集的溫度精度不同往往容易誤導(dǎo)使用者，認(rèn)為自己的代碼書(shū)寫(xiě)有誤或配置錯(cuò)誤。

(3)市面上的開(kāi)發(fā)板大多外設(shè)不一致，如果使用者要保持外設(shè)一致就只能使用只帶單片機(jī)的最小系統(tǒng)板，外設(shè)就只能自己接線，這樣的開(kāi)發(fā)方式不可控的風(fēng)險(xiǎn)較大。

結(jié)合以上問(wèn)題我們針對(duì)性的開(kāi)發(fā)了一款可更換核心處理器的智能小車(chē)，切換結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)單快捷的金手指連接方式。智能小車(chē)核心板可單獨(dú)作為開(kāi)發(fā)板使用，也可以裝上金手指母座后用排線進(jìn)行外擴(kuò)使用。

1 常見(jiàn)MCU 介紹

(1)51 單片機(jī)是對(duì)所有兼容Intel 8051 指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱(chēng)。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8004 單片機(jī)，后來(lái)隨著Flash rom 技術(shù)的發(fā)展，8004 單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為應(yīng)用最廣泛的8 位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是ATMEL 公司的AT89 系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中。很多公司都有51 系列的兼容機(jī)型推出，今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場(chǎng)。51 單片機(jī)是基礎(chǔ)入門(mén)的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。

(2)AVR 單片機(jī)是1997 年由ATMEL 公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速8 位單片機(jī)?？梢詮V泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。AVR 單片機(jī)是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 單片機(jī)。RISC（精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）是相對(duì)于CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）而言的。RISC 并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是通過(guò)使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理而提高運(yùn)算速度的。

(3)ARM 單片機(jī)是以ARM 處理器為核心的一種單片微型計(jì)算機(jī)，是近年來(lái)隨著電子設(shè)備智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度不斷提高而出現(xiàn)的新興產(chǎn)物。ARM 是一家微處理器設(shè)計(jì)公司的名稱(chēng)，ARM 既不生產(chǎn)芯片也不銷(xiāo)售芯片，是專(zhuān)業(yè)從事技術(shù)研發(fā)和授權(quán)轉(zhuǎn)讓的公司，世界知名的半導(dǎo)體電子公司都與arm 建立了合作伙伴關(guān)系，包括國(guó)內(nèi)許多公司也從arm 購(gòu)買(mǎi)芯核技術(shù)用于設(shè)計(jì)專(zhuān)用芯片。ARM 單片機(jī)以其低功耗和高性?xún)r(jià)比的優(yōu)勢(shì)逐漸步入高端市場(chǎng)，成為了時(shí)下的主流產(chǎn)品。

2 可更換核心處理器的智能小車(chē)技術(shù)

■2.1 智能小車(chē)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為核心載板資源與小車(chē)主體，載板資源包括最小系統(tǒng)、USB 轉(zhuǎn)TTL、LED 等。基礎(chǔ)部件學(xué)習(xí)用戶(hù)可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)自行調(diào)整是否使用核心載板資源，整塊載板體積只有50mm×58mm的大小方便攜帶。

小車(chē)主體使用金手指卡槽與核心載板進(jìn)行連接，使得小車(chē)主體擁有更好的兼容性。小車(chē)主體設(shè)計(jì)的有編碼驅(qū)動(dòng)電機(jī)、循跡板、拓展接口等部件，讓小車(chē)在滿(mǎn)足基礎(chǔ)功能的同時(shí)有著更高的靈活性。

■2.2 智能小車(chē)底板系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品底板采用DY-ITR9909 光電傳感器作為循跡采集器，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8837DSGR 作為驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)。使用NE555 對(duì)底板的時(shí)鐘進(jìn)行控制。使用SN74LS161ANSR 作為并型光電采集信號(hào)轉(zhuǎn)串行采集信號(hào)的控制芯片，CD4051BM/TR 為執(zhí)行部件，圖1 所示智能小車(chē)底板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖1 為可更換核心處理器的智能小車(chē)底板PCB。

圖1 智能小車(chē)底板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）NE555 時(shí)鐘電路

該電路主要是用于給循跡電路產(chǎn)生掃描節(jié)拍時(shí)鐘，可以通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器來(lái)改變掃描的速率(一般常用10.45kHz)。調(diào)節(jié)變阻器時(shí)可用使用示波器探針去測(cè)量PCB 板上的CLK測(cè)試點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)該能看見(jiàn)一個(gè)正負(fù)半周都是50%的方波信號(hào)。電路原理圖如圖2 所示。

圖2 NE555 時(shí)鐘電路原理圖

（2）循跡采樣電路

采用紅外對(duì)射二極管進(jìn)行路面的顏色識(shí)別，利用顏色較深的顏色不易反射光線，顏色較淺的顏色易反射光線的原理來(lái)識(shí)別地面的顏色。當(dāng)紅外對(duì)射二極管檢測(cè)到反射回來(lái)的光線(淺色)時(shí)其對(duì)應(yīng)的輸出引腳Yx(x 可以是0 到7)就會(huì)輸出低電平，反之則是高電平。

（3）采樣數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)串/數(shù)據(jù)整形電路

利用CD4051 模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的特性(原理見(jiàn)圖3)，將并行的8 組紅外對(duì)射二極管的數(shù)據(jù)依次轉(zhuǎn)換到我們公共端3 腳上(此時(shí)已經(jīng)完成了并轉(zhuǎn)串)。在3 腳輸出端上利用LM358.2 構(gòu)成了一個(gè)電壓比較器用于調(diào)節(jié)靈敏度(整形)然后用LM358.1構(gòu)成了一個(gè)電壓跟隨器用于輸出到外部信號(hào)。

圖3 循跡板并轉(zhuǎn)串及整形電路

（4）并轉(zhuǎn)串控制電路

利用NE555產(chǎn)生的時(shí)鐘，控制74LS161(同步加法計(jì)數(shù)器)，進(jìn)行計(jì)數(shù)控制CD4051的開(kāi)關(guān)切換。當(dāng)計(jì)數(shù)剛好到8 時(shí)(也就是Q3 剛好輸出時(shí))就將計(jì)數(shù)器復(fù)位，讓其再?gòu)? 開(kāi)始加。

（5）狀態(tài)指示電路

將整形后的數(shù)據(jù)輸入到三極管Q1 后去驅(qū)動(dòng)LED，此時(shí)利用CD4051 將串行的數(shù)據(jù)又轉(zhuǎn)成了并行的數(shù)據(jù)(其實(shí)并非并行，只是利用了人眼的視覺(jué)暫留效果看起來(lái)LED 是一起亮的，其實(shí)是單個(gè)點(diǎn)亮)。電路原理圖如圖4 所示。

圖4 循跡狀態(tài)指示電路

（6）CD4015 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路

使用CD4015 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，對(duì)A0，A1,A2，還有E#的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制，CD4015 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)狀態(tài)表如表1 所示。

表1 CD4015轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)狀態(tài)表

（7）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

采用4 片TI 公司的DRV8837 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，VCC最大11V，最大輸出電流可達(dá)1.8A。

■2.3 MCU 核心載板設(shè)計(jì)

MCU 核心載板的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 底板MCU 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件電路核心板部分采用了可更換核心控制芯片模塊電路，其中使用到的MCU 有STC89C52RC、STM32F103 C8T6 和ATMEGA328P，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在可隨意更換核心板的同時(shí)，還在端口兼容方面以及電源防反接方面也做出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，并且每塊核心載板都配備了一顆LED 測(cè)試燈，三個(gè)按鍵(兩個(gè)帶外部中斷，一個(gè)復(fù)位)，以及一個(gè)兩位的共陽(yáng)數(shù)碼管，用來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的功能，可以脫離底板單獨(dú)運(yùn)行。每一塊核心載板都配備了USB 轉(zhuǎn)串口的芯片(CH340G)用來(lái)實(shí)現(xiàn)串口調(diào)試和程序下載，每塊核心載板尺寸為50×58mm。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中由于STC89C52RC 在下載程序時(shí),需要重新對(duì)系統(tǒng)上電，所以我們?yōu)镾TC89C52RC 核心板設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的板載一鍵下載電路，如圖6 所示。用來(lái)解決在學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)過(guò)程中沒(méi)有專(zhuān)用下載器和重復(fù)對(duì)電路上電的繁瑣操作，只需要一根USB 數(shù)據(jù)線即可下載，電路由RC 電路實(shí)現(xiàn)，時(shí)間T=RC。

圖6 STC89C52RC 一鍵下載電路原理圖

3 結(jié)束語(yǔ)

可更換核心處理器的智能小車(chē)開(kāi)發(fā)平臺(tái)是為滿(mǎn)足高校學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)而開(kāi)發(fā)的，具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該產(chǎn)品將核心技術(shù)進(jìn)行整合，簡(jiǎn)化了外圍電路，首創(chuàng)將STC89C51 和Arduino UNO 與STM32 等主流單片機(jī)移植到同一外設(shè)電路的PCB 上，降低了入門(mén)門(mén)檻；在入門(mén)之初學(xué)習(xí)者可以先利用主控板上的資源進(jìn)行基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，當(dāng)需要資源整合進(jìn)行拓展時(shí)可以將主控板插到小車(chē)金手指卡槽上進(jìn)行操作。

可更換核心處理器的智能小車(chē)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為學(xué)生學(xué)習(xí)C語(yǔ)言、51 單片機(jī)、SMT32 均可提供實(shí)踐支撐，通過(guò)循跡小車(chē)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)框架，核心板只有50mm*58mm的大小，方便攜帶，即使脫離小車(chē)也能進(jìn)行部分實(shí)驗(yàn)，可滿(mǎn)足日常學(xué)習(xí)同時(shí)也為同學(xué)們自我拓展留下了更多空間。