機器人畢業(yè)設(shè)計電控部分.doc
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由這些公式可以很直觀的分析出機器人做簡單運動時三個驅(qū)動輪速度的大小。 1.2 任意方向的直線運動 此時機器人自轉(zhuǎn)角速度，即機器人平動。則： 兩種特殊的情況： 沿X軸方向是： 理論上Vx0,Vy=0。則其分量為 沿Y軸方向是： 理論上Vx=0,Vy0，的值由線速度決定。 1.3其他方向 可以直接使用這個公式推斷 原地旋轉(zhuǎn)： 切線運動： 由于太復(fù)雜，暫時不考慮. 第二章 機器人電氣化系統(tǒng)設(shè)計 在開始這章具體內(nèi)容之前，有必要對我們的專業(yè)背景進行一下說明，以便能更好的明白我們?yōu)槭裁磿@樣設(shè)計我們的電路。 五年制復(fù)合型專業(yè)：機械工程及自動化+軟件工程。這就意味著我們要有限的時間內(nèi)學(xué)習(xí)兩個專業(yè)的知識，現(xiàn)代機械設(shè)計和軟件嵌入式，但是嵌入式方向并沒有學(xué)模擬電路這門極其重要的基礎(chǔ)課，僅僅是學(xué)過數(shù)字電路，所以我們的硬件電路知識是很薄弱和不可靠，更多的是靠我們自學(xué)，參考別人的電路模塊。所以采取了避開自己弱項，充分發(fā)揮自己強項的方法，盡量的使用數(shù)字電路而非模擬電路。 兩年的參賽經(jīng)驗：標準件、商業(yè)化的模塊才是可靠的。 很多時候我們喜歡自己設(shè)計一個模塊，為自己能設(shè)計制作出來而感到有成就感。但是這也容易帶來系統(tǒng)的不穩(wěn)定，也許一個模塊小小問題在單獨調(diào)試時并沒有顯示太大的缺點，但是一旦集成了一個大系統(tǒng)就容易出現(xiàn)各種不穩(wěn)定，這一點在09年亞太機器人大賽中感受尤為深切。 在09年的比賽中，大部分模塊都是隊友設(shè)計的，很多東西并不具有通用性，什么都需要定制。在北京的一周時間里，我們發(fā)現(xiàn)很多好的學(xué)校電路幾乎都是工業(yè)級模塊，工業(yè)級的產(chǎn)品是經(jīng)過市場長期檢驗的，同時具有售后技術(shù)服務(wù)，性能可靠，而且具有互換性，不會因為自己當初制作時預(yù)算數(shù)量不夠，關(guān)鍵時候出現(xiàn)尷尬。 能把各種穩(wěn)定的模塊集成一個新的系統(tǒng)也是一種設(shè)計創(chuàng)新。 2.1電源模塊的設(shè)計 2.1.1 7805電源模塊的設(shè)計 圖2-2-1 7805電源模塊電路圖 單片機最常用的是5V與3.3V兩種電壓。本線路只用5V電壓。輸入峰值電壓不超過15V，最好使用8—12V電源。 二極管D1防止用戶插錯電源極性，可以換用1N4148或4007 2.1.2 LM2596電源模塊的設(shè)計 圖2-2-2 LM2596電源模塊電路圖 模塊性質(zhì)：非隔離降壓模塊（buck） ；整流方式：非同步整流 輸入電壓：4.5-35V； 輸出電壓：連續(xù)可調(diào)（1.25-30V） 輸出電流：額定電流2A，最大3A（需加散熱片）,如果輸出功率大于15W,需加上散熱片 轉(zhuǎn)換效率：最高92%（輸出電壓越高，效率越高） 開關(guān)頻率：150KHz； 最低壓差：2V 工作溫度：工業(yè)級（-40℃到 +85℃）（輸出功率10W 以內(nèi)） 滿載溫升：40℃；負載調(diào)整率：±0.5%；電壓調(diào)整率：±0.5% 輸出紋波：輸入12V 輸出5V 3A 60mV(MAX)；輸入24V 輸出12V 3A 120mV(MAX) 20M帶寬;動態(tài)響應(yīng)速度：5% 200uS 短路保護：限流，自恢復(fù)；輸入反接保護：無，或在輸入串聯(lián)二極管 接線方式：焊接，加引腳后可直接焊接在PCB上 2.2主控芯片的選擇和模塊的設(shè)計 對于主控芯片的選擇在設(shè)計之初大家都有些脫離具體實際情況，想到了用ARM和DSP等32位處理器系列，在2009年ABU Robocon 比賽中我們看到了很多好的學(xué)校使用這一類處理器，甚是羨慕。也想到過用16位的PIC或者FREESCAL芯片以及PLC工控模塊。但是慢慢的我們都冷靜下來，因為這些高端的處理器我們僅僅是了解大概，甚至僅僅是皮毛。我們很多隊友連8位的51單片機都還沒有在實際項目中用過。 盡管之前我們課程中都學(xué)過80C51和ARM，但基于大部分隊員只能掌握8位的CPU，另外由于我之前就已經(jīng)開始參加各類比賽，接觸51單片機比較早，后來又接觸了AVR系列單片機，被AVR的高性能嗦吸引，最后我們的目光還是鎖定在了三款8位的單片機80C51、Atmega16、Atmega128上面。 從芯片說明書的參數(shù)對比中我們看出各款芯片的優(yōu)劣勢，我們一致決定從最初的實驗開始就使用Atmega16。Atmega16一直伴隨我們完成了初期的各類實驗?；镜腁VR硬件線路，包括以下幾部分： 圖2-2-3 Atmega16系統(tǒng)電路圖 1) 復(fù)位線路：Mega16已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時的額外時間，故AVR外部的復(fù)位線路在上電時，可以設(shè)計得很簡單：直接拉一只10K的電阻到VCC即可(R0)。 為了可靠，再加上一只0.1uF的電容(C0)以消除干擾、雜波。 D3(1N4148)的作用有兩個：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+0.5V 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時，將R0(10K)電阻短路，讓C0快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。 當AVR在工作時，按下S0開關(guān)時，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復(fù)位。 實際應(yīng)用時，如果不需要復(fù)位按鈕，復(fù)位腳可以不接任何的零件，AVR芯片也能穩(wěn)定工作。即這部分不需要任何的外圍零件。 圖2-2-4 Atmega16系統(tǒng)復(fù)位和晶振電路圖 2) 晶振線路：Mega16已經(jīng)內(nèi)置RC振蕩線路，可以產(chǎn)生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。早期的90S系列，晶振兩端均需要接22pF左右的電容。Mega系列實際使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。不過為了線路的規(guī)范化，我們?nèi)越ㄗh接上。 實際應(yīng)用時，如果不需要太高精度的頻率，可以使用內(nèi)部RC振蕩。即這部分不需要任何的外圍零件。 圖2-2-5 Atmega16 AD轉(zhuǎn)換濾波及ISP線路圖 本系統(tǒng)的熔絲位配置如圖5-1所示：系統(tǒng)時鐘源采用外接8MHz的石英晶振配合片內(nèi)RC振蕩器的方式，CLKSEL[3:0]的值為“1111”；SUT[1:0]的值為“00”，RESET復(fù)位啟動延時時間/ms為65ms；JTAGEN值為“1”，禁止JTAG功能；SPIEN 值為“0”,允許SPI口下載程序；WDTON值為“1”，WDT定時器由程序控制；BOOTRST值為“1”，啟動時第一條執(zhí)行指令從0x0000開始執(zhí)行； 圖2-2-6 熔絲位配置 3) AD轉(zhuǎn)換濾波線路：為減小AD轉(zhuǎn)換的電源干擾，Mega16芯片有獨立的AD電源供電。官方文檔推薦在VCC串上一只10uH的電感（L1），然后接一只0.1uF的電容到地（C3）。Mega16內(nèi)帶2.56V標準參考電壓。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，比如在外面使用TL431基準電壓源。不過一般的應(yīng)用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。習(xí)慣上在AREF腳接一只0.1uF的電容到地（C4）。 4) ISP下載接口：ISP下載接口，不需要任何的外圍零件。使用雙排2＊5插座。由于沒有外圍零件，故PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受ISP的干擾。 5) JTAG仿真接口：這個功能很好很強大，但是一直習(xí)慣于用ISP下載然后直接在機器人上面調(diào)試所以沒有怎么使用，這里就不在介紹。 在機器人將開始整體聯(lián)機調(diào)試前，需要將試驗階段的各種小電路模塊集成整體電路，在此階段對立果斷的更換了內(nèi)部資源更多的Atmega128，二者的系統(tǒng)電路沒有區(qū)別，但極大的減少了芯片數(shù)量，減少了我們最薄弱的硬件電路，更好的集成了控制電路，使代碼具有更好的效率，也減少了犯錯的概率，為調(diào)試節(jié)約了寶貴的時間。 圖2-2-7 Atmega128模塊系統(tǒng)電路原理圖 圖2-2-8 Atmega128模塊系統(tǒng)實物圖 2.3電機驅(qū)動器的設(shè)計與選擇 在直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計中，主要考慮以下幾點： 功能：電機是單向還是雙向轉(zhuǎn)動？需不需要調(diào)速？對于單向的電機驅(qū)動，只要用一個大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動電機即可，當電機需要雙向轉(zhuǎn)動時，可以使用由4 個功率元件組成的H 橋電路或者使用一個雙刀雙擲或者兩個單刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場效應(yīng)管等開關(guān)元件實現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。 不需要調(diào)速但能實現(xiàn)電機雙向轉(zhuǎn)動的繼電器控制電路； 圖2-2-9 繼電器控制電路圖 對于PWM 調(diào)速的電機驅(qū)動電路，主要有以下性能指標。 1）輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動多大功率的電機。 2）效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅(qū)動電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（H 橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個問題，即兩個功率器件同時導(dǎo)通使電源短路）入手。 3）對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應(yīng)有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現(xiàn)隔離。 4）對電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動。 5）可靠性。電機驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負載，電路都是安全的。 下面這個驅(qū)動器采用完整的全橋驅(qū)動芯片＋極低內(nèi)阻的MOSFET組成。完整的全橋驅(qū)動芯片可靠的驅(qū)動方式，使MOSFET的開關(guān)損耗降至最低。提高電源利用率。MOSFET驅(qū)動芯片自帶硬件剎車功能和電能回饋功能。 本驅(qū)動器優(yōu)于功率芯片方案功率余量低和其他半橋組合方案中時序協(xié)調(diào)復(fù)雜問題和互補驅(qū)動問題。 MOSFET采用耐電流沖擊型，內(nèi)阻為0.005歐，可快速使MOSFET溝道打開，提高電機的加速曲率，同時也能迅速的為電機制動。這可以使的的小車能迅速啟動也能迅速殺車。驅(qū)動器可以工作在0％-100％的PWM調(diào)制占空比，也是普通驅(qū)動器無法做到的。 性能參數(shù)：額定電壓：12V-28V；額定電流：20A；峰值電流：50A 外形尺寸：4.4cm*2.7cm*1.2cm 圖2-2-10全橋驅(qū)動電路圖及邏輯表 安裝方式：針腳孔是標準2.54mm間距，可與實驗板直接插接。 在高精度控制的電機上面我們還需要使用專門的電機控制器； MLSS4805直流伺服驅(qū)動器 圖2-2-12 MLSS4805直流伺服驅(qū)動器 適用范圍 ? 適合驅(qū)動有刷、永磁直流伺服電機，力矩電機，空心杯電機； ? 最大連續(xù)電流5A，最大峰值電流10A； ? 直流電源+12～48V； ? 功率200瓦，過載能力達400瓦； ? 速度、位置的四象限控制。 主要功能 ? 輸入脈沖、方向信號進行步進模式控制； ? 高精度PWM信號速度控制； ? 通過RS232實現(xiàn)參數(shù)調(diào)整、在線監(jiān)測； ? PID參數(shù)數(shù)字化存儲； ? 實時讀取驅(qū)動器內(nèi)部溫度； ? 過流、過載、過壓、欠壓保護； ? 溫度保護； ? 超調(diào)、失調(diào)保護，動態(tài)跟蹤誤差保護。 反饋元件：增量式編碼器。 接口定義 1 ＋12～48V 驅(qū)動器電源（輸入電機額定電壓） 輸入 電源 2 0V 驅(qū)動器電源地 輸入 3 MOT+ 電機驅(qū)動信號正 輸出 電機 4 MOT- 電機驅(qū)動信號負 輸出 5 +5V 編碼器正電源 輸出 編碼器 6 A 編碼器信號A通道 輸入 7 B 編碼器信號B通道 輸入 8 0V 編碼器電源地 輸出 9 TX RS-232發(fā)送端，與編碼器電源共地 輸出 RS232 10 RX RS-232接收端，與編碼器電源共地 輸入 11 VCC 控制信號公共電源（＋4.75～5.25V） 輸入 控制信號 12 CLK / PWM 控制輸入（脈沖 / 脈寬）（隔離） 輸入 13 DIR 方向控制(只在步進模式有效，隔離） 輸入 14 EN / RST 外部使能控制（隔離） 輸入 15 FAULT 故障輸出（隔離） 輸出 16 GND 控制信號，和VCC由外部供給 輸入 串口連接 驅(qū)動器標號 顏色 DB9引腳號 TX 紅 2 RX 藍 3 0V 黃（或綠） 5 PWM速度控制模式 （1）信號來源：PWM信號 （2）設(shè)置模式：PWM速控模式，信號源：SCS2 （3）PWM信號規(guī)范： 頻率范圍：100-500Hz； 占空比范圍：1%≤占空比≤99%（推薦，在此范圍內(nèi)，線性度能保證在0.1%以內(nèi)）。占空比＝50%，V = 0；占空比＜50%，電機反轉(zhuǎn)；占空比＞50%，電機正轉(zhuǎn)。 計算公式：V = Vmax *（占空比*100 – 50）/50 例如：當設(shè)置SSP5000，占空比 = 5%時， V = 5000*（0.05*100 –50）/ 50 = -4500 RPM （4）為了保證 PWM占空比為50%時，電機速度為零，可用SMV指令設(shè)置最小速度； 2.4電池參數(shù)的計算與選擇 電池需要考慮芯片控制電路需要使用的電壓一般為5V，而動力驅(qū)動為24V，這樣就涉及二者到是否需要隔離?？紤]到電機啟動對電路的穩(wěn)定影響很大，所以我們采用了兩種不同的電池為控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)提供電源。對于機器人電池我們從三個方面考慮：電壓，電流，容量： 手動機器人主要動力消耗有3臺25W的MAXON RE25底盤驅(qū)動電機，2臺45W的升降的空心杯電機以及2臺20W的手臂推塊用電機。 動力總功率： P=3*25+2*45+2*20=205W 電池電壓：U=24V 最大正常工作情況下總電路電流：I=P/U=205/24=8.5A 但實際正常工作的電路中不會出現(xiàn)上面所算出的那么大電流除非電機堵轉(zhuǎn)或者短路。 由流程圖可以看到機器人最大工作電流為升降時兩臺45W電機同時工作即90W，此時的電流I1=90/24=3.75A。 給電池留有余量所以I=I1*1.5=5.625A。 根據(jù)機器人的完成任務(wù)所需要的時間我們假設(shè)為10分鐘（實際上場比賽為90s，我們需要留有很大的余量，因為在備場調(diào)試還有等待的時間消耗）也就是1/6小時，那么整個動力電池的容量根據(jù)上面的定義將需要接近1AH。 在家調(diào)試的時候我們繼續(xù)使用的09年亞太機器人大賽留下來的磷酸鐵聚合物電池容量為10AH，最大瞬間電流10A。但是磷酸鐵聚合物電池體積大重量大，在所有機器人都調(diào)試完了準備去北京之前的半個月我們面臨超重的嚴峻問題，在經(jīng)過大家討論之后決定更換航模電池，其特點是容量大，放電電流大，重量輕。 串聯(lián)/并聯(lián)： 當電池組串聯(lián)時，電壓疊加，容量不變；當電池組并聯(lián)時，容量疊加，電壓不變。根據(jù)串并聯(lián)原理我們需要得到24V的電池就需要串聯(lián)7個電池單元，最后我們得到的組合電池具體如下： 航模電池單元參數(shù) 芯片電5V航模電池單元參數(shù) 動力24V航模電池組裝參數(shù) 尺寸(mm):58x9x24 尺寸(mm):120x20x50 尺寸(mm):120x20x75 容量（mAh): 1200 容量（mAh): 1200 容量（mAh): 1200 放電倍率:18c 放電倍率:18c 放電倍率:18c 電壓(V):3.7V 電壓(V):7.4 電壓(V):25.9 重量(g):32g 重量(g):65 重量(g):250 航模電池具有專門的智能充電器，解決了很多后顧之憂。在后來的實踐中證明自己組裝的電池滿足我們機器人的使用。 圖2-2-11 航模電池單元及智能充電器 2.5傳感器信息采集模塊的設(shè)計 2.5.1編碼器 運動控制系統(tǒng)中反饋裝置的作用是將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號，以便可由儀表轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)表示，或者形成反饋通道給控制器提供決策的依據(jù)。為了實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制，就需要反饋裝置把運動機構(gòu)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩、電流和電壓等參數(shù)反饋給控制器。 編碼器分為碼尺和碼盤。碼尺是用來測量線性位移的，而碼盤是用來測量角度位移的。我們的足球機器人選用光電編碼器。光電編碼器是把表征物體運動狀態(tài)的物理量（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電學(xué)數(shù)字量，再通過微電子和計算機技術(shù)處理，實現(xiàn)自動檢測和自動控制，編碼器有兩種使用方法： 1) 通過安裝在編碼器軸上的從動輪在地面滾動的圈數(shù)計算，達到測量機器人在路面上行駛的位移的目的。 位移傳感器采用光電編碼盤。碼盤安裝在與主動輪同軸的從動輪上，與主動 輪同步轉(zhuǎn)動。設(shè)從動輪周長為L，碼盤線數(shù)為M，t時間內(nèi)碼盤輸出的脈沖數(shù)為N，輪子走過的距離S就是： 機器人選用的從動輪碼盤采用的500線的中空軸編碼盤，輸出A、B、Z三相脈沖。在電路實現(xiàn)上碼盤的四路信號，，，可經(jīng)過差分傳輸器形成兩路信號，且這兩路信號有90度的相差，也可以直接利用有90度相差的，兩路信號。在CPU中用一路信號對另一路信號進行鑒相就可以知道碼盤是正轉(zhuǎn)還是在反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時加計數(shù)，反轉(zhuǎn)時減計數(shù)。 在碼盤轉(zhuǎn)軸上的輪轉(zhuǎn)一圈也就代表碼盤光柵也轉(zhuǎn)了一圈。所以可以根據(jù)從碼盤光柵轉(zhuǎn)動的輸出信號來判斷從動輪轉(zhuǎn)了多少圈，再根據(jù)其周長就能算出機器人運動的距離。 這里要注意碼盤上的從動輪一定要保證始終與地面有一定壓力接觸，不能丟圈。 圖2-2-12 增量光電編碼器工作原理 2) 安裝在電機軸上，信號反饋到控制器上實現(xiàn)對電機的閉環(huán)控制。 原理和上圖是一樣的，但測量對象發(fā)生了改變，通過對電機轉(zhuǎn)速的檢測實現(xiàn)電機的實時控制。伺服電機控制器（除步進電機外）的控制也是基于碼盤的。 圖2-2-13 HP 500線編碼器接線圖及和電機完整的裝配圖 2.5.2光電開關(guān) 品牌 GAODE 名稱 光電開關(guān) 漫反射型 型號 E3F-DS30C4 輸出方式 NPN三線常開 外形 直徑18毫米圓柱體 工作電壓 直流10-36VDC以內(nèi) 檢測距離 30厘米（CM) 距離可調(diào) 輸出電流 300毫安(MA) 檢測物體 不透明體 外殼材料 塑料ABS 常開型（NO）和常閉型（NC）的區(qū)別： 常開（NO）是平常狀態(tài)下信號輸出線為斷開狀態(tài)，無信號輸出，當感應(yīng)到物體時才閉合，輸出信號。 常閉（NC）是平常狀態(tài)下信號輸出線為閉合狀態(tài)，持續(xù)信號輸出，當感應(yīng)到物體時才斷開，關(guān)閉信號。 兩種類型接近開關(guān)或光電開關(guān)根據(jù)實際需要選用。 三根線的接法：粽色接電源的正極，蘭色接電源的負極，黑色接負載（信號輸出）。 2.5.3觸動/限位開關(guān) 最簡單最實用的傳感器，不在過多介紹。 2.6手動機器人遙控手柄的設(shè)計與調(diào)試 2.6.1矩陣按鍵式 使用最為廣泛的信號輸入設(shè)備。 2.6.2 PS游戲手柄 PS手柄針腳輸出： 面對插頭 ------------------------------- PIN 1->| o o o | o o o | o o o | \_____________________________/ 對應(yīng)針腳及作用 1) DATA 2) COMMAND 3) N/C (9 Volts unused) 4) GND 5) VCC 6) ATT 7) CLOCK 8) N/C 9) ACK 圖2-2-14 SONY PS手柄實物圖 DATA：信號流向從手柄到主機。此信號是一個8 bit的串行數(shù)據(jù)，同步傳送于時鐘下降沿(輸入輸出信號在時鐘信號由高到低時變化，所有信號的讀取在時鐘前沿到電平變化之前完成。) COMMAND ：信號流向從主機到手柄。此信號和DATA相對，同樣是一個8 bit的串行數(shù)據(jù)，同步傳送于時鐘下降沿。 VCC：電源電壓從5V到3V原裝的索尼手柄都可以工作。主機主板上裝有表面安裝的750mA 保險絲 ，用于防止外設(shè)過載(750mA是包括左右手柄和記憶卡)。 ATT：ATT 用于提供手柄觸發(fā)信號。信號在通信期間處于低電平。又有人將此針腳叫做 Select, DTR 和 Command。 CLOCK：信號流向從主機到手柄。用于保持數(shù)據(jù)同步。 ACK：從手柄到主機的應(yīng)答信號。此信號在每個8 bits數(shù)據(jù)發(fā)送之后的最后一個時鐘周期變低，并且ATT 一直保低電平。如果ACK 信號不變低約60微秒PS主機會試另一個外設(shè)。 PS手柄信號： 所有通訊都是8 bit串行數(shù)據(jù)最低有效位先行。在PS 手柄總線的所有時碼在時鐘下降沿都是同步的。傳送一個字節(jié)的情況如下所示。 |BIT 0|BIT 1|BIT 2|BIT 3|BIT 4|BIT 5|BIT 6|BIT 7| CLOCK -----___---___---___---___---___---___---___---___----------- DATA -----000000111111222222333333444444555555666666777777-------- * * * * * * * * CMND -----000000111111222222333333444444555555666666777777-------- ACK ----------------------------------------------------------__- 數(shù)據(jù)線的邏輯電平在時鐘下降沿驅(qū)動下觸發(fā)改變。數(shù)據(jù)的接收讀取在時鐘的前沿（在記號*處）到電平變化之前完成。 在被選手柄接收每個COMMAND 信號之后，手柄需拉低ACK 電平在最后一個時鐘。如果被選手柄沒ACK 應(yīng)答主機將假定沒手柄接入。 當單片機主機想讀一個手柄的數(shù)據(jù)時，將會拉低ATT 線電平并發(fā)出一個開始命令 (0x01)。手柄將會回復(fù)它的ID (0x41=數(shù)字, 0x23=NegCon, 0x73=模擬紅燈, 0x53=模擬綠燈). 在手柄發(fā)送ID 字節(jié)的同時主機將傳送0x42 請求數(shù)據(jù)。隨后命令線將空閑和手柄送出 0x5A 意思說：“數(shù)據(jù)來了”。 下面是一個數(shù)字手柄的時鐘信號 ATT -______________________________________________________________ | Byte 1 | | Byte 2 | | Byte 3 | CLOCK ---_-_-_-_-_-_-_-_-----_-_-_-_-_-_-_-_-----_-_-_-_-_-_-_-_----- 0xFF 0x41 0x5A DATA -------------------------__________--__----__--__----__--__---- 0x01 0x42 CMND -----_____________-----__--________--__------------------------ ACK --------------------__-------------------__-----------------__- 在手柄執(zhí)行初始化命令之后將發(fā)送它所有的數(shù)據(jù)字節(jié)（數(shù)字手柄只有兩個字節(jié)）。在最后字節(jié)發(fā)送之后使ATT 高電平，手柄無需ACK應(yīng)答。 數(shù)字手柄的數(shù)據(jù)傳送如下所示(這里A0,A1,A2...B6,B7 是兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)比特)。 ATT _______________________________________------- | Byte 4 | | Byte 5 | CLOCK ---_-_-_-_-_-_-_-_-----_-_-_-_-_-_-_-_-------- DATA ---D0D1D2D3D4D5D6D7----E0E1E2E3E4E5E6E7------- CMND ---------------------------------------------- *** ACK --------------------__------------------------ 注意: 沒ACK. 2.6.3 SPI串行總線介紹 3) SPI總線的組成：串行外設(shè)接口SPI是由Freescale公司提出的一種采用串行同步方式的3線或4線通信接口，使用信號有使能信號、同步時鐘、同步數(shù)據(jù)輸入和輸出。典型的SPI總線系統(tǒng)包括一個主機和一個從機，雙方通過4根信號線相連，分別是： 4) 主機輸出/從機輸入（MOSI）。主機的數(shù)據(jù)傳入從機的通道。 5) 主機輸入/從機輸出（MISO）。從機的數(shù)據(jù)傳入主機的通道。 6) 同步時鐘信號（SCLK）。同步時鐘是由SPI主機產(chǎn)生的，并通過該信號線傳送給從機。主機與從機之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送都以該同步時鐘信號為基準進行。 7) 從機選擇（）。該信號由主機發(fā)出，從機只有在該信號有效時才響應(yīng)SCLK上的時鐘信號，參與通信。主機通過這一信號控制通信的起始和結(jié)束。 8) SPI通信地特點：SPI通信過程是一個串行移位的過程。當主機需要發(fā)起一次傳輸時，它首先拉低，然后在內(nèi)部產(chǎn)生的SCLK時鐘作用下，將SPI數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容逐位移出，并通過MOSI信號線傳送至從機。而在從機一側(cè)，一旦檢測到有效之后，在主機的SCLK時鐘作用下，也將自己寄存器中的內(nèi)容通過MISO信號線逐位移入主機寄存器中。當移位進行到雙方寄存器內(nèi)容交換完畢時，一次通信完成。如果沒有其他數(shù)據(jù)需要傳輸，則主機便抬高，停止SCLK時鐘，結(jié)束SPI通信。 9) 可以得出SPI通信的特點如下： 10) 主機控制具有完全的主導(dǎo)地位 11) SPI通信時一種全雙工高速的通信方式 12) SPI的傳輸始終是在主機控制之下，進行雙向同步的數(shù)據(jù)交換 AVR的SPI接口原理 SPI接口的主要特征： 全雙工、3線同步數(shù)據(jù)傳輸 可選擇的主/從操作模式 數(shù)據(jù)傳送時，可選擇LSB（低位在前）方式或MSB（高位在前）方式 7種可編程的位傳送速率 數(shù)據(jù)傳送結(jié)束中斷標志 寫沖突標志保護 從閑置模式下被喚醒（從機模式下） 倍速（CK/2）SPI傳送（主機模式下） SPI接口硬件： 數(shù)據(jù)寄存器 SPI接口的核心是一個8位移位寄存器，這個寄存器在時鐘信號的作用下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從低位移入，高位移出。一旦程序?qū)⑿枰l(fā)送的字節(jié)寫入該寄存器后，硬件就自動開始一次SPI通信的過程。通信結(jié)束之后，該寄存器中的內(nèi)容就被更新為收到的從機串出的字節(jié)，供程序讀取。寫入發(fā)送的字節(jié)的操作需要在一字節(jié)傳輸結(jié)束之后進行。 時鐘邏輯 當配置為SPI主機時，時鐘信號由內(nèi)部分頻器對系統(tǒng)時鐘分頻產(chǎn)生。這個時鐘信號一方面被引入到移位寄存器，作為本機的移位時鐘；另一方面還被輸出到SCK引腳，以提供給從機使用。 當配備為SPI從機時，時鐘信號由SCK引腳引入到移位寄存器，與內(nèi)部時鐘無關(guān)，此時SPI時鐘配置位無效。 引腳邏輯 SPI引腳方向定義： 引腳 主機方式 從機方式 MOSI(PB5) 用戶定義 輸入 MISO(PB6) 輸入 用戶定義 SCK(PB7) 用戶定義 輸入 (PB4) 用戶定義 輸入 注：對輸入引腳應(yīng)通過設(shè)置相應(yīng)位使能內(nèi)部的上拉電阻，以節(jié)省總線上外接的上拉電阻。 ⑷控制邏輯 控制邏輯單元主要完成以下功能： SPI接口各參數(shù)的設(shè)定，包括主、從模式、通信速率、數(shù)據(jù)格式等 傳輸過程的控制 SPI狀態(tài)標志，包括中斷標志(SPIF)的設(shè)置、寫沖突標志（WCOL）的置位等 SPI接口的設(shè)計應(yīng)用要點 ①初始化 正確選擇SPI的主/從機方式 正確設(shè)置通信參數(shù) 正確設(shè)置數(shù)據(jù)串出的順序 ②引腳的處理 在主機模式下，引腳方向的設(shè)置（PB4）會影響SPI接口的工作方式，盡量設(shè)置成輸出方式 在SPI（主機模式）操作過程中，并不會自動產(chǎn)生任何的控制信號，所有需要從輸出地控制信號均需通過用戶程序來完成 ③總線競爭的處理 產(chǎn)生總線競爭是當SPI總線上存在多主機情況下產(chǎn)生的，處理總線競爭不僅需要硬件具備相應(yīng)的功能，同時在SPI中斷程序中也需要包含對總線競爭的處理過程。為了防止總線沖突，本機的SPI接口將自動產(chǎn)生以下操作： 清除SPCR寄存器的MSTR（主機選擇）位，將自己設(shè)置為從機。MOSI和SCK引腳自動設(shè)為輸入 SPSR寄存器的SPIF置位，申請中斷 注：在不需要處理總線競爭的簡單SPI系統(tǒng)中，位保證本機作為SPI主機正常工作，應(yīng)將設(shè)置為輸出。如果將設(shè)置為輸入，則應(yīng)保證該引腳始終為高電平。 2.7機器人人機界面的設(shè)計 LED：最簡單的信號顯示裝置。 數(shù)碼管：要注意區(qū)分共陰和共陽。AVR的IO口能直接驅(qū)動數(shù)碼管。 LCD：為了顯示足夠的信息同時節(jié)約單片機的硬件資源我們使用了串行控制的12864LCD。 這次我們主要采用了LED和12864LCD作為人機界面。 圖2-2-15 12864與Atmega128接口圖 LCD液晶模塊采用128X64點陣的漢字圖形液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，它的內(nèi)部配置8192個中文漢字、128個字符，方便程序編寫，而無需另外編寫字模。模塊可與CPU直接接口，它提供兩種界面來連接微處理機：8-位并行及串行兩種連接方式，本電路采用串行連接方式。 串行連接方式用到的接口有：VSS、VDD、V0、RS/CS、RW/SID、E/SCLK、PSB、RST、LED+、LED-。 VSS為電源地，VDD為邏輯電路提供電壓源（+5V），V0為調(diào)節(jié)液晶屏的亮度。 RS/CS、RW/SID、E/SCLK三根引腳為串行總線，RS/CS為雙向數(shù)據(jù)線，RW/SID為讀或者寫使能引腳，E/SCLK為使能信號線。 PSB為串行連接方式或者并行連接方式選擇引腳，低電平時為串行連接方式、高電平為并行連接方式；RST為復(fù)位引腳，低電平有效；LED+為背光燈正極；LED-為背光燈負極。 本系統(tǒng)的LCD液晶屏接口電路采用串口連接方式，其初始化流程圖如圖2-2-16，其初始化代碼如下： #define BIT(x) (1<下載提示(請認真閱讀)
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