基于C8051F040的模型車無線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引 言
    汽車耐久性試驗(yàn)是汽車試驗(yàn)的重要組成部分，而在試驗(yàn)過程中試驗(yàn)人員駕駛行為的變化，往往導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致，從而降低了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。因此各大汽車公司相繼采用駕駛機(jī)器人代替試驗(yàn)人員進(jìn)行汽車試驗(yàn)。利用駕駛機(jī)器人進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)于減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，降低試驗(yàn)環(huán)境對(duì)試驗(yàn)人員的傷害，提高試驗(yàn)效率、試驗(yàn)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確度，節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，進(jìn)而加速汽車研發(fā)進(jìn)度都有重要的意義。
    為了測試駕駛機(jī)器人以及駕駛算法的可靠性，必須有一個(gè)仿真駕駛系統(tǒng)能滿足駕駛機(jī)器人的要求。本文所設(shè)計(jì)模型車無線控制系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人仿真駕駛的主要環(huán)節(jié)，為駕駛機(jī)器人及其駕駛算法提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
    系統(tǒng)采用了1：10電動(dòng)模型車，速度的調(diào)節(jié)由電子調(diào)速器和一個(gè)無刷直流電機(jī)來完成，通過舵機(jī)對(duì)前輪的控制來完成模型車的轉(zhuǎn)向。上位機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)由ZigBee無線收發(fā)模塊傳輸給控制核心C8051F040，單片機(jī)根據(jù)上層的運(yùn)動(dòng)命令發(fā)送對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)給電子調(diào)速器和轉(zhuǎn)向舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型車運(yùn)動(dòng)的控制。

1 系統(tǒng)框架
    系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由單片機(jī)、無線收發(fā)模塊、測速反饋、電子調(diào)速器、無刷電機(jī)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)和上位機(jī)組成。如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)、
2．1 無線模塊硬件設(shè)計(jì)
    無線收發(fā)模塊通過ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微處理器與上位機(jī)的通訊，是上位機(jī)與模型車運(yùn)動(dòng)控制模塊的中間節(jié)點(diǎn)。通過該模塊，上層控制命令可以發(fā)送到微處理器上，同時(shí)微處理器反饋此時(shí)的速度信號(hào)與轉(zhuǎn)角信號(hào)給上層控制臺(tái)。
    該模塊選用了TI公司推出的CC2431芯片。CC2431采用增強(qiáng)型8051 MCU，32／64／128 KB閃存，8 KB SRAM等高性能模塊，并內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧且支持2．4 GHz IEEE 802．15．4／ZigBee協(xié)議。圖2所示為無線模塊的硬件電路示意圖，以CC24．31芯片為核心。天線采用非平衡天線，為了能使天線更好地工作，要采用非平衡變壓器來連接天線。非平衡變壓器由電阻R1，R2，電感L1，L2，電容C1和PCB微波傳輸線構(gòu)成。

    其中，R1，R2的阻值為電波波長入的一半，即λ／2。L1，L2的電感值分別為22 nH和8．2 nH，它們不僅是非平衡變壓器的組成部分，還為片內(nèi)的低噪聲放大器(LNA)和功率放大器(PA)提供所需的直流偏置。整個(gè)天線系統(tǒng)的等效電阻為50Ω，滿足RF輸入／輸出匹配電阻的要求。
2．2 控制模塊硬件設(shè)計(jì)
    控制模塊使用的是Silabs公司的C8051F040單片機(jī)作為系統(tǒng)的微處理器進(jìn)行電機(jī)的控制及系統(tǒng)的其他處理工作。
    控制模塊硬件圖如圖3所示(僅畫出使用的引腳)。主電機(jī)選擇了7．2 V的無刷直流電機(jī)。由于有刷電機(jī)換向是通過碳刷及整流子，但是碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，碳粉因此會(huì)造成組件損壞，而無刷直流電機(jī)是用電路來進(jìn)行換向的且體積小、易控制，因此不存在這些問題。無刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。
    無刷直流電機(jī)構(gòu)造復(fù)雜，因此對(duì)它的直接控制通過電子變速器來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)單片機(jī)PWM信號(hào)的占空比來控制電子調(diào)速器中MOSFET的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間從而控制電流，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。這種方法具有電流大，輸出電流線性度高等優(yōu)點(diǎn)，使電機(jī)的效率得到提高。
    模型車的轉(zhuǎn)角控制是用一個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)的。舵機(jī)的控制簡單、輸出力矩大、輸出角度精確、工作電壓低，非常適合用于模型車的轉(zhuǎn)角控制。舵機(jī)內(nèi)部有一套精密的減速齒輪組，直流電機(jī)的輸出經(jīng)這套減速齒輪減速后輸出。單片機(jī)輸出PwM信號(hào)來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，該信號(hào)進(jìn)入舵機(jī)內(nèi)部的信號(hào)調(diào)制芯片獲得直流偏置電壓，將此直流偏置電壓與內(nèi)部一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電路產(chǎn)生的周期為20 ms寬度為1．5 ms的基準(zhǔn)電壓比較，獲得電壓差輸出。電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

    系統(tǒng)的電源采用了7．2 V的電池，而C8051F040的高電平是3．3 V，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)使用的是貼片式的LM1117進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。如圖4所示，由于該芯片的輸入、輸出的允許壓降很小，所以用了兩片規(guī)格不同的LM1117實(shí)現(xiàn)兩級(jí)電平轉(zhuǎn)換，中間再串聯(lián)二極管，利用二極管的固有壓降來滿足芯片的壓降要求。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 無線模塊軟件設(shè)計(jì)
    無線模塊應(yīng)用程序是將上位機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)發(fā)送給電機(jī)控制模塊，另外還要把微處理器的電機(jī)控制量上傳給上位機(jī)。復(fù)位時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)初始化并開中斷，置標(biāo)志位ST，完成后系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式(ST=00)。當(dāng)上位機(jī)有數(shù)據(jù)采集要求時(shí)，通過串口與之通信，此時(shí)將會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)的串口中斷激活系統(tǒng)。隨后，中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)置為發(fā)送命令狀態(tài)(即ST=01)，先解析命令信號(hào)，接著將命令信號(hào)打包發(fā)送出去，發(fā)送成功后將進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)模式(即ST=10)。此后，如果有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，底層將數(shù)據(jù)上交到應(yīng)用層后，就直接將數(shù)據(jù)通過串口上傳給上位機(jī)，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。其程序流程如圖5所示。

3．2 電機(jī)控制模塊軟件設(shè)計(jì)
    該模塊的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

    上電復(fù)位后，首先完成單片機(jī)的初始化，包括看門狗初始化，輸出口定義，交叉開關(guān)配置，配置時(shí)鐘寄存器，T0時(shí)鐘控制器。C8051F040單片機(jī)資源豐富，但基于51內(nèi)核(特殊功能寄存器只有128個(gè))，其很多特殊功能寄存器便不能安排下，于是采用了分頁機(jī)制。所以在配置不同的寄存器時(shí)，要先使用選擇分頁。單片機(jī)內(nèi)使用中斷方式產(chǎn)生PWM信號(hào)，定時(shí)單位設(shè)為0．01 ms，初始信號(hào)為周期16 ms，高電平時(shí)間1．5 ms，high0，high1分別控制速度控制波形和轉(zhuǎn)角控制波形的高電平時(shí)間。當(dāng)接收到啟動(dòng)信號(hào)后，P1．0，P1．1接收速度信號(hào)，P1．3，P1．4接收轉(zhuǎn)角信號(hào)。

4 結(jié) 語
    本文設(shè)計(jì)了以C8051F040為控制核心的仿真平臺(tái)，通過與上位機(jī)的通信，可以很好地滿足機(jī)器人仿真駕駛的要求。系統(tǒng)采用上位機(jī)無線控制物理模型的方式，使得仿真駕駛更加安全可靠。該系統(tǒng)具有很好的拓展性，通過無線通信，可以增加更多的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用以反饋信息給上位機(jī)，拓展了該平臺(tái)的應(yīng)用范圍。如增加定位反饋系統(tǒng)，則上位機(jī)可以屏蔽物理模型的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行算法模擬及試驗(yàn)。在參數(shù)方面，可以增加高精度的測定反饋系統(tǒng)，通過與上位機(jī)保持實(shí)時(shí)的通信來滿足更高的仿真要求。