（生物医学工程专业论文）基于avr的肌电假手控制系统研究.pdf

at h e s i sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ri nb i o - m e d i c a le n g i n e e r i n g p r o s t h e t i ch a n dc o n t r o ls y s t e m b a s e do na v r b yw a n gy a n m e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gh o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y 2 0 0 8 一 j j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 - t , , - - 思0 学位论文作者签名：毛柜锄 签字日期： 知d 吕，弓。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字日期： i 膏 东北大学硕士学位论文摘要 基于a v r 的肌电假手控制系统研究 摘要 假手是机器人学和生物医学工程领域备受关注的研究课题，开展该项目的研究对于 改善残疾人的生活条件和促进其医疗福利事业的发展具有重要的现实意义。本文在分析 了假手的特点和步进电机的驱动理论的基础上，设计了假手控制系统。 首先，对a t m e l 公司的高性能、低功耗的8 位a v r 微处理器a t m e g a l 6 及相关知识做 了介绍。描述了其基本结构，外设配置，以及它与其它单片机相比较它所具有的优势。 其次，以a t m e g a l 6 为核心，设计了一块低功耗、小体积、具有丰富外设功能的控 制电路板，对主电路，驱动电路的工作原理，以及与上位机通信接口的设计过程作了详 细的描述。本文所设计的串行通信控制电路主要采用了r s 2 3 2 通信协议，电路的主控芯 片采用a t m e l 公司生产的a t m e g a l 6 单片机。机械假手动作的实现主要是通过机械假手上 的五个微型的步进电机来实现的。步进电机的驱动芯片采用步进电机的专用驱动芯片 u p - 4 h b 0 1 。它采用恒流控制，具有极低的电源损耗和极高的开关效率。两个输出端能 直接驱动电机的正反运动。在机械手的复位方面来主要采用了五个压力开关，来检测手 指是否运动到终端位置，以便即时给相应的电机停电，防止电机因线圈电流过大，造成 电机线圈的烧坏。 最后，介绍了软件的编程、调试与下载。软件编程使用的是可移植性和可读性强， 维护方便的c 语言，c 编译器使用的是i c c a v r ，同时使用一款与a t m e l 公司的j t a g i c e 相兼容的低价位的a v r 单片机仿真器a v rj t a gi c e 进行实时在线仿真。集成开发调试 环境i d e 使用的是a v rs t u d i o 。 关键词：假手控制；a t m e g a l 6 ；步进电机 i i i j 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o s t h e t i ch a n dc o n t r o ls y s t e m b a s e d0 na v r a bs t r a c t p r o s t h e t i ch a n di sa l la t t e n t i v er e s e a r c hp r o j e c ti nt h ef i e l d so fr o b o t i c sa n db i o m e d i c a l e n g i n e e r i n g ，r e s e a r c ho nt h i sp r o j e c ti so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oi m p r o v e t h el i v i n gs i t u a t i o n a n dw e l f a r eb e n e f i t so fa m p u t e e s o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r so fp r o s t h e t i ch a n d a n dt h et h e o r yo fd r i v i n gs t e p p e rm o t o r , t h i sp r e s e n t st h ec o n t r o ls y s t e mo fp r o s t h e t i ch a n d a b o v ea l l ，t h ef u n d a m e n t a lk n o w l e d g eo ft h ea t m e g a l6 ，ah i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n8 b i ta v rm c uo fa t m e l ，w a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n dt h ep a p e rd e s c r i b e s t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp e r i p h e r a lc o n f i g u r a t i o no fa t m e g al6 ，a n di t sa d v a n t a g ec o m p a r e d w i t ho t h e r sm c u s e c o n d l y ，b a s e do na t m e g a l6 ，t h i sp a p e rd e s i g n e dal o w - p o w e r , s m a l la n da b u n d a n t p e r i p h e r a lc o n t r o ls y s t e m a n dt h ep a p e rd e s c r i b e st h et h e o r yo fm a i nc i r c u i ta n dd r i v i n g c i r c u i ti nd e t a i l s t h ei n t e r f a c eb e t w e e na v ra n dh o s ti sa l s oi n t r o d u c e di nt h ep a p e r r s 一2 3 2 c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw a su s e di ns e r i a lc o m m u n i c a t i o nc o n t r o ls y s t e mi nt h i sp a p e r a t m e g a l 6m c u o fa t m e lc o m p a n yw a su s e di nt h eh o s tc h i p t h ep r o s t h e t i ch a n de x e c u t e d b yt h ef i v em i n i a t u r es t e p p e rm o t o rw h i c hw a s i n s t a l l e do nt h ep r o s t h e t i ch a n d t h ed r i v eo f s t e p p e rm o t o rw a su s e ds p e c i a ld r i v ec h i po fs t e p p e rm o t o ru p 一4 h b 0 1 i t sc o n s t a n tc u r r e n t c o n t r o l ，v e r yl o wp o w e rc o n s u m e ra n dv e r yh i g hs w i t c he f f i c i e n c y t w oo u t p u tp o r tc o n t r o l t h ed i r e c t i o no ft h es t e p p e rm o t o rt h er e s e to ft h ep r o s t h e t i ch a n da d o p t sf i v ep r e s s u r e s w i t c h e st oc h e c kt h a tt h ef i n g e r sw h e t h e ra r r i v ea tt h et e r m i n a ll o c a t i o n s oc a l lc u to f ft h e c u r r e n to ft h ec o r r e s p o n d i n gs t e p p e rm o t o ri m m e d i a t e l y , o re l s e ，t h es t e p p e rm o t o rw i l lb e d e s t r o y e d t h er e a s o ni st h a tt h ec u r r e n to f t h es t e p p e rm o t o rw a st o ob i g f i n a l l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c es o m ei n f o r m a t i o na b o u tp r o g r a m ，d e b u g ，a n dd o w n l o a do f s o f t w a r e cl a n g u a g ew a su s e di nt h ep r o g r a m ，i tw a se a s yt ot r a n s p l a n ta n dr e a d a b i l i t y c v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p i l e ri si c ca v r a v rj t a gi c ew a sal o wp r i c em c ue m u l a t o r , c o m p a t i b l ew i t h j t a gi c e o f a t m e l i n t e g r a t e dd e v e l o pe n v i r o n m e n tw a sa v r s t u d i o k e yw o r d s ：p r o s t h e t i ch a n dc o n t r o l ；a t m e g a l6 ；s t e p p e rm o t o r v i j j 东北大学硕士学位论文 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 肌电控制假手的基本原理和特点2 1 2 肌电控制假肢的发展过程及现状3 1 3 本课题理论和实际意义5 1 4 本论文所要完成的主要工作6 第二章a t m e g a l6 的结构及特点7 2 1a v r 单片机概述一7 2 2a t m e g a l 6 的特点一1 0 2 3 小结j 1 7 第三章系统结构方案研究与设计：一1 9 3 1 肌电假手控制系统分析1 9 3 1 1 系统构成1 9 3 1 2 假手控制系统的设计原则厶1 9 3 2 电动机的选择与驱动一2 0 3 2 1 电动机的选取2 0 3 2 2 步进电机的特性一2 l 3 2 3 步进电机驱动器的选择一2 5 3 3a t m e g a l 6 与上位机接1 2 1 单元设计2 7 3 3 1 串行通信的基本概念一2 7 3 3 2r s 2 3 2 接口引脚定义2 7 3 3 3r s 2 3 2 的电气特性2 9 3 4 双通道r s 2 3 2 线性驱动接收器一3 0 3 5 系统的总体结构及其特点。3 0 v n l 、厶 东北大学硕士学位论文 目录 3 5 1 肌点信号的采集3 0 3 5 2 与计算机的串行通信：3 2 3 5 3 控制器与步进电机驱动器的连接一3 2 3 5 4 晶振和复位电路3 3 3 6 d 、结一3 4 第四章假手控制系统的软件实现3 5 4 1 主程序的设计与实现3 5 4 1 1 系统初始化3 5 4 1 2 假手控制器的软件设计3 7 4 2c 编译器的选择3 9 4 3 仿真器。4 l 4 3 1 概述4 l 4 3 2a v rj t a gi c e 的使用4 1 4 4 集成开发调试环境i d e ( a v rs t u d i o ) 4 3 4 5 小结一：。j 一4 9 第五章总结与展望5 l 5 1 工作总结。5 1 5 2 前景展望：一5 3 参考文献一5 5 致谢：5 7 附录i ：假手控制器原理图5 9 附录i i ：假手控制器印刷电路板图一6 l v i l l 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀了匕 假肢是人缺损肢体的替代物。古时候的残疾人就懂得使用简单的假腿和装饰性假 手，以帮助行走和掩盖其残缺。随着科学的进步，电子技术的发展，使假肢的品种和类 型不断增多，设计水平也不断提高。使已有原来的机械牵引假肢发展成为现今的肌电假 肢。 自1 9 4 8 年威纳( w i e n n e r ) 提出著名的控制论以来，人们就开始致力于研究将生物信号 用于控制的人机系统。用于控制的信号源有：肌肉运动、肌电电位、神经电位、脑电等。 ( 1 ) 以身体的机械运动作为信息源 它主要是利用患者残存的运动功能，通过传动装置触发相应的开关进行控制。这类 假肢控制结构简单，造价低廉，在将来一段时间内仍将拥有一定的市场。但这种控制能 实现的控制任务非常简单，且灵活性差。 ( 2 ) 以声音作为信号源 利用患者的声音信息，通过数字处理技术( d s p ) 将其转化为相应的控制指令，线路 简单，为发展多自由度假肢开辟了新的途径。不仅控制效果好，而且当指令单词的数量 增多时，还可以对系统进行编程以完成更多的功能。声控假肢的不足之处在于平时患者 与他人的交流也可能导致假肢产生误动作。 ( 3 ) 以肌键作为控制信号源 在假手的控制中，通过与运动相关的肌健作为控制信息可能是一种更为直接的方 法。采用肌键作为信息源，设计简单、响应速度快，被认为是一种比较优越的控制方式。 但这种方法需要肌键完整未受损坏，否则对假肢的控制就有可能失效。另外，关节位置 的改变( 如手腕旋转所引起的角度变化) 很容易影响肌键力的分布，从而产生误动作。 ( 4 ) 以脑电作为控制信号源 重的残疾患者也能够使用。然而脑电信号非常复杂，目前对它的研究还处在实验室 阶段。 ( 5 ) 以“再造指 作为控制信号源 在残肢者的残臂端上通过手术再造一个“指”，用以作为能够准确传递人脑运动信 息的信息源，实现了对三自由度电子假手的准确控制，开辟了医学与工程学紧密结合的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 新途径。但是，患者安装这种假肢时不得不承受着手术痛苦的风险，所必须的显微外科 技术也限制了它的推广应用，术后所需的康复期较长。另外单个再造指所能表达的信息 量非常有限，难以迅速及时地传递大脑复杂的指令。 ( 6 ) 以肌电信号( e m g ) 作为控制信号源 目前最成功的是肌电信号用于控制假腔。肌肉是人体运动系统重要的组成部分。出 于肌肉本身具有非常微小的串、并联结构，使肌肉能够完成精细的运动，并具有快速、 有力、平稳和高效能等特点，同时也使骨骼肌系统能够借骨杠杆系统这一生物运动机构 完成各种巧妙的运动，包括移动自己身体、控制姿态，以及熟练地进行各种操作等等。 表面肌电信号( s e m g ) 是一种复杂的表皮下肌肉电活动在皮肤表面处的时间和空间上的 综合结果，它可以通过表面电极收集到，并可避免因针电极刺入肌肉而带来的创伤性缺 陷，如给病人带来的痛苦和交叉感染的危险。由于肌电控制假肢具有直接、自然的特点， 利用表面肌电控制的假肢己成为外部动力假肢中数量占绝对优势的一类。成千上万的截 肢者借助肌电控制假肢满足日常生活和工作的各种动作需要。 但是肌电假肢也存在一些问题，如肌电控制假肢患者肌肉易疲劳，信息模式的重复 再现性差，模式亦不稳定，外电场对其干扰严重，表面电极检出的肌电信息是肌群的募 集信息，并不能完全反映脑运动区对该肌肉的运动指令等。 本章首先介绍了肌电假手的原理及其发展过程，以及本课题的来源和实际意义，最 后给出了论文的主要工作和研究过程。 1 1 肌电控制假手的基本原理和特点 肌电控制假手是一种利用生物控制的人机系统，其控制原理实质是人与假手间的 信息交换。肌电控制假手的信息源是残肢残存的肌肉群，通过残肢肌肉表面的电极检测 出肌电信息，进行收集放大、识别处理来控制假肢。肌肉由肌细胞组成，当自主收缩时 伴有一定的生物电效应。手要完成某些动作时，相应的指令从大脑以电冲动的形式经脊 髓、运动神经传给肌肉。这时神经肌肉接头处( 突触) 发生电化学反应，发出一组生物电 脉冲，促使某块肌肉收缩，产生相应的动作。动作力越大，肌肉发出的相应电信号越大， 这种受意志控制的肌肉所产生的电信号，对于假手的控制是最理想的信号。就肌电控制 系统而言，肌肉收缩产生的电信号经皮肤表面的电极检测、放大、传送给电子假肢以控 制其活动。电极通常放在肌腹表面并与肌肉的长轴平行。肌电控制假手的原理图如图 1 1 【1 1 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 大 脑 产 生 ， 还 动 指 令 电极执 运 肌 引入行 运 动 肉 电路机 脊 动 控 寓 经过构 髓 神 制 生 放大 产 经 电 电 生滤波 路 信 整流 还 号 动 图1 1 假手控制系统原理框图 f i g1 1t h ei l l u s t r a t i o no f c o n t r o ls y s t e mo f p r o s t h e t i ch a n d 肌电控制的最大特点之一是自主控制，只有当残肢者利用自己的肌肉自主收缩想让 肌电控制系统工作时，它才能工作。这样假肢就会免受外界因素如假肢位置或身体位置 移动的影响。这就可能使残肢者学会以生理方式控制假肢。因此，肌电假肢的最大优点 是利用残存肌肉系统以生理方式控制假肢的运动功能。另外，安装假肢最多的是肘下截 肢者，可以利用前臂的屈肌控制假手的闭合，通过伸肌控制假手的开放，这与真手的控 制相似。当然这并不是说，肌电假手的功能可以等同于真手，而是这种控制方式具有直 观、自然、易学的特点。对于肘上截肢者，则可利用胧二头肌控制假肢的闭合，胧三头 肌控制假肢的开放，因为这种控制方式与前臂屈肌和伸肌控制假手抓放的方式类似。 1 2 肌电控制假肢的发展过程及现状 早在1 7 9 1 年加伐尼( g a l v a n i ) 就通过一系列蛙类的肌肉收缩研究，证明肌肉的收缩与 电有密切关系，他的研究可以认为是人类对肌电的最早认识。到1 8 5 1 年法国的杜波依斯 一雷蒙德( d u b o i s r e y m o n d ) 最先检测到人体肌肉自愿收缩时能产生电信号。1 9 0 7 年派帕 ( p i p e r ) 利用弦线检流计记录到人臂肌肉的电势差。到1 9 2 2 年加塞( g a s s e r ) 和厄兰格 ( e r l a n g r e ) 才用阴极射线示波器观察到了肌电医 ( e l e c t r o m y o g r a p h ) ，并由此获得1 9 4 4 年的 诺贝尔刿2 1 。二次世界大战后人们对生理信号用作控制信号，进行了大量的研究。1 9 4 5 年德国的r e i h o l d r e i t e r 对肌电控制理论进行了基础研究，并发表了肌电控制假肢的实验 研究结果，并于1 9 4 8 年研制成功世界上第一只肌电控制假手，这只假手用一块肌肉控制 东北大学硕士学位论文第一章绪论 它的张开和闭合，是第一个单点控f l i 0 ( s i n g l es i t ec o n t r 0 1 ) 的范例。r e i t e r 的假手在1 9 5 9 年的 布鲁塞尔世界博览会上引起轰动，从此引发了世界范围的电子假肢研究热潮。 肌电假手的发展大体经历了以下几个阶段： ( 1 ) 单自由度肌电假手的研究 单自由度肌电假手的特点是控制简单，当使用者肌肉拉紧到一定的程度时，使得开 关电路改变状态，因而控制电机不同转向。目前国内商品化的假肢大多是此类产品，但 它的功能单一即仅能完成一种类似钳子的抓取动作而且假手的输出握力不可调节，另外 握物过程无反馈这就要求使用者不断通过视觉去观察。此类假手，肌电控制的方式有两 种：常用的是用一组拮抗肌控制两种不同的功能，称为双点控制。最常见的例子是肘下 假肢分别用前臂残存屈肌、伸肌来控制假手的闭合和开放。这种控制方式是一种最符合 生理的控制方式，当然用一块肌肉控制两种功能也是可能的，称为单点控制。也就是用 肌肉的一种收缩方式控制假手的闭合，肌肉的另一种收缩方式控制假手的张开。 ( 2 ) 多自由度肌电假手的研究 人体上肢机构模型有2 7 个自由度，其中手指部分有2 0 个自由度，但目前科学水平还 不能做到具有2 7 个自由度的电子假手。美国、日本实验研究的假手有7 1 1 个自由度。但 目前临床使用的假手最多为3 个自由度，以完成人手功能最常用的指伸、指屈、旋前、 旋后、腕伸、腕屈6 个动作对于多自由度电子假肢，要实现对其控制，完成不同的功能， 需要多个信息源。对于肌电假肢来说，需要提取不同肌肉的多个电信号并加以识别来实 现对假肢的控制。一般根据肌肉的功能不同，采集相应的肌电信号，实现对假肢不同功 能的控制。肌电的识别是根据不同的肢体动作具有不同的肌肉收缩模式，这些模式的差 别反映在肌电信号特征的差异上，通过提取这些特征，进行模式分类，区分不同的肌肉 动作，以驱动假肢。因此，如何识别肌电信号是十分重要的。肌电信号的识别方法包括 时域统计法、频域分析法、参数模型法、时频分析法、人工神经网络法和混沌分析法。 目前使用最多的方法如参数模型法、人工神经网络法和混沌分析法为现代分析方法，是 目前肌电识别研究的热点，这几种方法的使用将有效的提高对肌电假肢控制的准确性。 1 9 7 8 年h e r b e r t s 等报道了多功能假手的研究成果，利用e m g 幅度识别和截肢者幻觉， 用表面电极检测出肌电信号，控制三自由度假手完成伸指、屈指、旋前、旋后、伸腕、 屈腕等6 个动作，准确率为5 7 。8 0 年代d e n n i n g 等用新的方法识别肌电信息，控制三自 由度假肢准确率提高到7 2 ，能使残肢者恢复端水杯、拿刀叉、握笔等动作。w i l l i a m p u t n a m 等人于1 9 9 3 年分别利用单层感知器和多层感知器对屈臂和伸臂两动作进行识别， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 识别率均可达9 5 。随着新的信号滤波、频谱分析和模式识别技术的出现，可以从e m g 信号中提取出更多的特征信息，肌电假肢的控制技术也得到了改进和深化，出现了多通 道、多自由度、数字化的肌电假肢。1 9 9 2 年，由德国o t t ob o c k 公司和奥地禾u v i e n n d a t o n e 助听器公司合作生产第一代多自由度经挠肌电假肢可以在市场上买到。 ( 3 ) 有感觉反馈的肌电假手的研究 7 0 年代起人们就开始研制肌电控制系统兼容感觉反馈的假肢。如有人采用前臂上两 个振动子传送肘关节位置的感觉：有的以电位器检测假肢的肘角度和假手握力，借电刺 激以反馈信息；有的还用模拟人的感觉的压力传感器检测手指握力并以电刺激传递信 息，这种假手通过电刺激的反馈能够感觉到如同拿一支香烟那么小的力。最近装有触觉、 力觉和滑觉的多指手在国外已经研制成功。英国牛津大学的p e t e rk y b e r d 和p a u l c h a p p e l l 等人把力觉和滑觉传感器应用到假手上，使假手能根据反馈信号有效地控制对物体的抓 取动作。o t t ob o c k 公司的肌电假肢已经形成了较成熟的产品，其最新研制的s u v a 感应 手，通过肌电信号的强弱来控制手的张、合速度，控制器根据传感器采集到的信息自动 改变假手输出的握力，使抓取动作简单、自然p j 。如图1 2 所示。 图1 2o t t ob o c k 公司的s u v a 感应手 f i g1 2t h ei n d u c t i o n h a n do fo t t ob o c k 1 3 本课题理论和实际意义 肌电假肢的研究具有较大的应用价值。首先，它在一定程度上帮助残疾人解决一定 的生理问题，使他们能在日常的生活中适当自理。同时还能缓解由于手部残疾而造成的 心理伤害。其次，它能替代国外昂贵的同类产品，具有一定的经济价值。第三，促进国 内在这一方面的科研水平进一步的提高。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本论文所要完成的主要工作 本课题是在充分了解了国内外肌电控制假肢的技术现状和发展趋势的基础上，详细 分析了当前国内有关生产厂家的产品特点和使用范围，认真研究了其优点和不足之处， 设计了一个体积小、低功耗、具有丰富外设的假手控制器【4 】。 研究传统假手的控制系统的特点，设计出控制假手的控制系统硬件电路。 对电路c p u 和电机驱动芯片进行选型和设计。 设计控制器的软件系统，完成与上位机通信，电机控制等软件系统的编程调试等工 作。 对本系统进行评价，并提出改进方案。 东北大学硕士学位论文第二章h t m e g a l 6 的结构及特点 第二章a t m e g a l 6f l 勺结构及特点 2 1a v r 单片机概述 电子技术的迅猛发展，使单片机广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、 便携式智能仪表等领域，同时也使产品功能、精度和质量大幅度提高，电路简单、故障 率低、可靠性高且成本低廉。由于单片机具有集成度高、功能强、结构合理、抗干扰性 强和指令丰富的特点，它的应用打破了传统的设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数 字电路、逻辑部件来实现的功能，现在都可通过软件来完成。从1 9 7 4 年美国仙童公司生 产出第一块单片机开始，在短短几十年中，单片机发展迅速，由4 位、8 位一直到1 6 位单 片机，目前3 2 位的超大规模集成电路单片机也己面世，同时性能也不断提高。目前单片 机己经成为工控领域、军事领域及日常生活中最广泛使用的控制系统之一。高可靠性、 功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占 领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗 干扰性能差等原因，采用较高分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。 a t m e l 公司推出的a v r 单片机，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃 复杂指令计算机( c i s c ) 追求指令完备的做法，采用了精简指令集( p d s c ) 。 a t m e l 公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性可擦除存储器和数字集成电 路的一流半导体制造公司。a t m e l 公司最引人注目的是它的电可擦除( e e p r o m ) 技术、闪 速存储器( f l a s h ) 技术和高质量、高可靠性的生产技术。在c m o s 器件生产领域中，a t m e l 的先进设计水平、优秀的生产工艺及封装技术，一直处于世界领先地位。这些技术用于 单片机生产，使单片机也具有优秀的品质，在结构、性能等方面都有明显的优势。1 9 9 7 年，a t m e l 公司挪威设计中心出于市场需要考虑，充分发挥其f l a s h 技术优势，推出增强 型内置f l a s h 的精简指令集( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc p u ) 的高速8 位单片机，并命名为 a v r 。其中a 与v 分别是两位充满工作激情与灵感的挪威年轻研发者姓名的第一个字母， r 代表该芯片为r s i c 架构。 高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标， 也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。a t m e l 公司在设计a v r 系列单片机时，吸 东北大学硕士学位论文 第二章a t m e g a l 6 的结构及特点 取8 0 5 1 及p i c 单片机的优点，并作了重大改进，使其具有独特技术，如下所列： a v r 单片机采用精简指令集( r s i c ) ，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数 与操作码安排在一字之中( 指令集中占大多数的单周期指令都是如此) ，取指周期短，又 可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠 性为其后盾的。 a v r 单片机硬件结构采取8 位机与1 6 位机的折中策略，即采用局部寄存器存储( 3 2 个 寄存器文件) 和单体高速输入输出的方案( 即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相 应控制逻辑) 。提高了指令执行速度( 1 m i p s m h z ) ，克服了瓶颈现象，增强了功能，同时 又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故a v r 单片机在软 硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是一种高性价比的单片机。 a v r 单片机内嵌高质量的、可擦写1 0 0 0 0 次的f l a s h 程序存储器，擦写方便，支持在 系统编程( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ，简称i s p ) 和在应用编程( i na p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g ， 简称i a p ) ，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的e e p r o m 可长期保存关 键数据，避免断电丢失。片内大容量的r a m 不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效 的支持使用高级语言开发系统程序，并可像m c s 5 1 单片机那样扩展外部r a m 。 a v r 单片机的i o 口全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入输出、可设定( 初 始) 高阻输入、驱动能力强( 可省去功率驱动器件) 等特性，使得i o 口资源灵活、功能强 大、可充分利用。 a v r 单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供u s a r t 、1 2 c 、s p i 使用。其 中与8 1 6 位定时器配合的具有多达1 0 位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种 档次的定时时间。a v r 单片机独有的“以定时器计数器( 单) 双向计数形成三角波，再与 输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法( 即 脉宽调制输出，p w m ) ”更是令人耳目一新。 增强性的高速同异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验纠错、两级接收 缓冲、波特率自动调整定位( 接收时) 、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便 程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过 m c s 5 1 9 6 单片机的串口，加之a v r 单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率 通讯。 面向字节的高速硬件串行接口，t w i 、s p i 。t w i 与1 2 c 接口兼容，具备a c k 信号硬 件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主从机的收发全部4 种组合的多机 东北大学硕士学位论文第二章a t m e g a l 6 的结构及特点 通信。s p l 支持主从机等4 种组合的多机通信。 a v r 单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路b o d ，多个 复位源( 自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、b o d 复位) ，可设置启动后延时运行 程序，增强了嵌入式系统的可靠性。 a v r 单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行( 2 7 5 v ) ，抗干扰能力强，可 降低一般8 位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。 总之，a v r 单片机技术体现了单片机集多种器件( 包括f l a s h 程序存储器、看门狗、 e e p r o m 、同异步串行口、t w i 、s p i 、a d 模数转换器、定时器计数器等) 和多种功能 ( 增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具 输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器计数器、具替换功能的i o 端口) 于 一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统s o c ”过渡的发展方向。 a v r 单片机系列齐全，包含许多种类：a u t o m o t i v ea v r 、c a na v r 、l c da v r 、 m e g aa v r 、t i n ya v r 、u s ba v r 等，可以应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪 器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域，适用用户对各种不同场合的要求。 在m e g aa v r 系列中，a t m e g a l 6 是目前主流的、性价比最高的a v r 系列单片机芯片 之一，a t m e g a l 6 具有3 种封装，4 0 引脚p d i p 封装，4 4 引脚t q f p 封装和4 4 z j f 脚m l f 封装， 如图2 1 所示。 f 诲o 沪d o 口) p a l 痹d c l p a 2 泸o c 2 f = a 3l a d c 3 p a 4 潍d c 4 ) p a 5 潍d c 5 ， p a 8 漉d c 8 ， p a 7 潍d c 7 ) 矗r e f g n 0 a v c c p c 7f t o s c 2 ) p c 8 ( t o s c l ， p c 5f t d i ) p c 4 ( i d o ) p c 3 ( t m s ) p c 2f t c k ) p c if s d a ) p c 0 ( s c l ) p d 7t o c 2 ) 缔 e s l ：p b 5 m q s o ：p e 晷 ( 喜c k ：p b 7 葡霏 v e c g o x t a l 2 x 1 l 噼xo jp 0 a ( t x d ：p d o n t o ： p d 2 霪墼嚣 萎星娶至星考；星主至星 图2 。1a t m e g a l 6 弓l 脚图 f i g2 1p i n o u ta t m e g a l6 銎至至荃囊釜零莹至室娶 薹薹主主耋 主薹量耋 f 一a d c j f 权5 沮d c 5 ) 8 a d 0 8 f a 7 c 7 ， a 其e 产 gnd 爿”0 c p c 7 ( o s c 2 p c 8 ( 7 c s c l ， p c 5 ( o ” p c ( t d o 0 1 2 35喜7 7 c 0 2 1 e 一2 0 4 5 6誉曩黧黧爱鬻篙裟嚣慧 一m一一圆一一一怒 x朋一一一一一一一 东北大学硕士学位论文第二章a t m e g a l 6 的结构及特点 2 2a t m e g a l6 的特点 本次设计使用的处理器就是a t m e l 公司的这款高性能、低功耗的8 位a v r 微处理器 a t m e g a l 6 ，性能如下【5 】 ( 1 ) 先进的r i s c 结构 一1 3 1 条指令一大多数指令执行时间为单个时钟周期 一3 2 个8 位通用工作寄存器 一全静态工作 一工作于1 6m h z 时性能高达1 6m i p s 一只需两个时钟周期的硬件乘法器 ( 2 ) 非易失性程序和数据存储器 一1 6 k 字节的系统内可编程f l a s h ，擦写寿命可达1 0 ，0 0 0 次 具有独立锁定位的可选b o o t 代码区，通过片上b o o t 程序实现系统内编程，真正的同时 读写操作 一5 1 2 字节的e e p r o m ，擦写寿命可达1 0 0 ，0 0 0 次 一i k 字节的片内s r a m 一可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 ( 3 ) j t a g 接口( 与i e e e11 4 9 1 标准兼容) 如图2 2 所示。 一符合j t a g 标准的边界扫描功能 一支持扩展的片内调试功能 一通过j t a g 接口实现对f l a s h 、e e p r o m 、熔丝位和锁定位的编程，实现在线 调试o c d 1 ；2 3 4 s 6 7 8 95 o 图2 2j t a g 引脚图 f i g2 2p m o u tj t a g 伙j譬帅烈谳儆|薹恤础 东北大学硕士学位论文 第二章h t m e g a l 6 的结构及特点 j t a g 信号 1 、t c ko u t p u t 、狈t j 试时钟，从j t a gi c e 到目标j t a g 端口的时钟信号 2 、g n d 地 3 、t d oi n p u t 钡l j 试数据输出，从目标j t a g 端口至i j j t a gi c e 的数据信号 4 、v t r e f i n p u t 目标参考电压。v d d ：目标板电源电压 5 、t m so u t p u t 测试模式选择，由j t a gi c e 到目标j t a g 端口的模式选择信号。 6 、n s r s to u t i n p u t 由适配器到目标系统复位的开放集电极输出。这个引脚也是 适配器的输入，将目标初始化信息上送给j t a gi c e 7 、v s u p p l yi n p u tj t a g i c e 的电源电压。 8 、n t r s tn c ( o u t p u t ) 不被连接，兼容其他设备( j t a g 端口复位) 9 、t d i o u t p u t 从j t a gi c e 至o 目标j t a g 端口的测试数据输入、数据信号。 1 0 、g n d 地 ( 4 ) 外设特点 一两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器计数器 一一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的1 6 位定时器计数器 一具有独立振荡器的实时计数器r t c 一四通道p w m 一8 路1 0 位a d c ，8 个单端通道t q f p 封装的7 个差分通道，2 个具有可编程增益( i x ， 1 0 x ，或2 0 0 x ) 的差分通道 一两个可编程的串行u s a i 汀 一可工作于主机从机模式的s p i 串行接口 一具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 一片内模