（信号与信息处理专业论文）基于arm+cortexm3的迷宫电脑鼠设计与实现.pdf

论文题目： 基于 arm cortex-m3 的迷宫电脑鼠设计与实现 专 业： 信号与信息处理 研 究 生： 姜海旭 (签 名)_ 指导教师： 吴延海 (签 名)_ 摘 要 电脑鼠是一种融合了机械技术、电子技术和电机技术的小型机器人，配合先进的走 迷宫算法，电脑鼠可以在竞赛迷宫中自动选择路径，并对行走路线进行最优化计算，从 而实现以最短时间抵达迷宫终点。相对于日本、新加坡等国家，电脑鼠进入我国的时间 并不长，目前我国对电脑鼠的研究还处于起步阶段。 本文提出了一种以直流电机为动力的电脑鼠设计方案， 并对方案中各部分硬件模块 和软件驱动进行了研究与设计。首先，本文对电脑鼠的车体和车轮进行机械设计，以 ti 公司生产的 arm cortex-m3 内核芯片 lm3s1968 为核心，完成对电脑鼠控制器的设 计与制作， 利用集成 h 桥芯片完成对电机驱动电路的设计与制作， 利用红外线传感器完 成对电脑鼠避障系统的设计与制作。其次，根据硬件电路完成了基于 lm3s1968 的底层 硬件驱动的开发。文中对 pid 控制算法进行了概述，对直流电机的模型进行了分析与建 立，在 matlab/simulink 仿真环境下对 pid 算法进行仿真分析，结果表明在电机控制 过程中引入 pid 控制方法后，提高了电机控制系统的响应速度，提高了系统的稳定性。 实验测试结果表明，该电脑鼠的各项基本功能达到了设计要求，能够实现直行、转 弯、后退和停止等基本动作，并可以在行进过程中避障。 关键字: 电脑鼠；lm3s1968；直流电机；pid 控制 研究类型：应用研究 subject : design and realization of the maze micromouse based on arm cortex-m3 specialty ： signal and information processing name ： jiang haixu (signature) instructor： wu yanhai (signature) abstract micromouse is a kind of pint-sized robot which combines mechanical technology, electronic technology and electrical machinery technology, with advanced maze algorithm mictomouse can choose route in competition maze automatically and it can optimize its moving path so that it could arrive at maze destination within the shortest time. compared with japan, singapore and other countries, it was not a long time since micromouse came into our country, at present the study on micromouse of our country are still at early stage. this paper brings a design which use dc motor as micromouses motive power, also this paper studies and designs the hardware module and software driver of each part. first of all, this paper makes the mechanical design for car body and wheel of micromouse, using arm cortex-m3 chip lm3s1968 produced by ti company as core to finish the design and production of the micromouses controller, using integrated h bridge chip to finish the design and production of motor drive circuit, using infrared sensor to finish the design and production of the micromouses obstacle avoidance system. secondly, according to the hardware circuit, this paper finished programming of low lever driver which based on lm3s1968. at last, this paper summarized the pid control algorithm, analyse and construct dc motor model，then simulate the pid algorithm based on matlab/simulink simulation environment, the result shows that the response speed and stability of motor control system both are improved after using pid control algorithm. after the final test, the micromouses performance has reached the design requirements, could finish going straight, turning, going back and stopping and other basic actions, it could also avoid obstacles on the march. key words : micromouse lm3s1968 direct current motor pid control thesis : application research 目录 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 课题研究的背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 论文研究的主要内容 . 3 1.4 论文章节安排 . 3 2 迷宫电脑鼠硬件设计与制作 . 4 2.1 电脑鼠的机械装置 . 4 2.2 电脑鼠的电子装置 . 7 2.2.1 控制系统 . 7 2.2.2 避障系统 . 10 2.2.3 车速检测系统 . 15 2.2.4 通信系统 . 16 2.2.5 电源系统 . 17 2.3 电脑鼠的动力装置 . 20 2.3.1 电机选型 . 20 2.3.2 电机驱动 . 22 3 迷宫电脑鼠动力系统的分析 . 28 3.1 直流电机分析建模 . 28 3.2 直流电机的控制方法 . 30 3.2.1 模拟 pid 控制器 . 31 3.2.2 数字 pid 控制器 . 33 3.2.3 pid 调节参数的选择. 35 3.3 基于 matlab/simulink 的 pid 控制器设计与仿真 . 38 3.3.1 直流电机模型的建立 . 38 3.3.2 pid 控制系统仿真 . 39 3.3.3 数字 pid 控制系统仿真 . 41 4 迷宫电脑鼠软件设计与系统测试 . 43 4.1 迷宫电脑鼠软件综述 . 43 目录 4.2 底层驱动程序 . 43 4.2.1 lm3s1968 初始化程序 . 44 4.2.2 电机驱动程序 . 46 4.2.3 电机状态检测程序 . 47 4.2.4 pid 算法程序 . 48 4.2.5 避障程序 . 48 4.2.6 串口通信程序 . 49 4.3 系统测试 . 51 5 总结与展望 . 54 5.1 总结 . 54 5.2 展望 . 54 致 谢 . 56 参考文献 . 57 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 课题研究的背景和意义 电脑鼠，英文名为 micromouse，是一种利用电子元器件组成的机电一体化智能机 器人。电脑鼠本质上是一种由微处理器、传感器和机电运动部分构成的集行走、感知、 判断功能为一体的综合系统，该系统主要由电子装置、动力装置和机械装置组成。电脑 鼠的制作结合了机械、电子、控制、电机、程序设计、光学和人工智能等多方面知识， 它很好地诠释了其中各部分的综合工作和配合能力， 为研究和发明更复杂的智能系统奠 定基础1。 电脑鼠外观上类似一辆小车，通过人工设计并加入相关算法，电脑鼠可以在指定的 竞赛迷宫中进行搜索和避障行走，最终到达所设定的目的地，并可对其行走过的路线进 行记忆和比较，最终策划出一条到达迷宫中心用时最短的路径。1972 年，美国机械制 造杂志发起了一次机械鼠竞赛，竞赛的机械鼠以弹簧为驱动，以机械鼠的行走距离为 评判胜负的标准，以此形成了电脑鼠竞赛的雏形。1977 年美国 ieee spectrum 杂志首先 提出了迷宫电脑鼠的概念：电脑鼠是一个小型的微处理器控制的机器人车辆，在复杂的 迷宫中具有译码和导航的功能和能力，并于当年 5 月宣布将于 1979 年 6 月在纽约举行 首场电脑鼠迷宫大赛1。如今国际电工和电子工程学会(ieee)每年都会定期举办一届国 际性的电脑鼠迷宫竞赛，自该竞赛举办以来参加国都非常踊跃，甚至很多大学还专门为 此开设了相关课程。 对电脑鼠的设计与实现，需要结合多学科知识，这就为相关技术的创新和应用提供 了很好的机会，并且可以促进相关领域的产业化发展。电脑鼠所采用的一些技术已经被 应用到了实际生活中。同时电脑鼠竞赛的举办促进了国际间的技术交流，为该领域更好 的发展提供了机会。 1.2 国内外研究现状 1979 年首届电脑鼠迷宫竞赛在美国举办，1980 年在英国伦敦举办了欧洲首次电脑 鼠迷宫竞赛，1980 年 11 月日本电脑鼠协会举办第一届全日本电脑鼠竞赛，1986 年 10 月台湾引入电脑鼠竞赛， 1987 年新加坡举办了第一届电脑鼠比赛。 如今电脑鼠迷宫竞赛 西安科技大学硕士学位论文 2 已经进入我国，2007 年 5 月至 8 月在我国上海及长三角地区举办了首届电脑鼠邀请赛。 近几年电脑鼠竞赛在我国的发展十分迅速， 已经形成了每年定期举办的规模性全国比赛。 美国是电脑鼠迷宫竞赛的发源地，从 1979 年开始每年都举行电脑鼠比赛。由 ieee 与国际应用电力电子研讨博览会(applied power electronics conference and exposition, apec)共同主办的 apec 电脑鼠竞赛是当前国际上最有影响力的电脑鼠竞赛， apec 电脑鼠竞赛以设计复杂、 难度大的迷宫出名。 apec 竞赛的筹办者 david otten 是电脑鼠 界的明星人物，多次在国际大赛中夺得冠军，在 1994 年举办的第十五届全日本电脑鼠 竞赛中就以 1181 的成绩夺冠。 1980年，五位来自日本新科学基金会的代表观看了第一届euromicro80比赛，他们 将比赛规则带回了日本，并在同年举办了第一届全日本电脑鼠竞赛(all japan micromouse contest)。从此日本每年都会举办一届比赛，此外每年还有许多各种 规模的电脑鼠竞赛在日本国内开展。1985年在日本tsukuba举行了首场世界电脑鼠大赛， 参赛电脑鼠来自美国和整个欧洲，但所有最高奖项都由日本的电脑鼠noriko-1获得，一 举成为世界冠军，奠定了日本在电脑鼠迷宫方面的世界地位。 1986 年一位新加坡工程协会(ies)的议员发现的电脑鼠， 并将电脑鼠大赛成功引入新 加坡。 1989 年 iee uk 国际电脑鼠大赛上新加坡队获得了最高 8 个奖项中的 6 个。 第 27 届和第 29 届全日本电脑鼠迷宫竞赛的冠军 min5， 出自新加坡南洋理工学院的 ng bang kiat 之手。在第二十九届竞赛中前四名都被新加坡的电脑鼠包揽，新加坡的电脑鼠竞赛 发展较晚，但这两年在各世界赛事上捷报频频，大有异军突起之势。 1980年，欧洲微处理器和编程技术协会(the european for microprocessor and microprogramming,euromicro)将电脑鼠迷宫竞赛引入欧洲，并在同年举办第一届电脑鼠 迷宫竞赛。第一届电脑鼠竞赛借鉴ieee规则，并略有修改。英国电脑鼠的发展在上世 纪八十年代达到巅峰，之后就慢慢开始衰弱。2004年后开始复苏，涌现了一批优秀的电 脑鼠，并在国际比赛中崭露头角，如micromouse x等。 台湾发展电脑鼠比较早，而且也取得了不错的成绩。1998 年开始停止举办比赛，从 此台湾电脑鼠水平开始下滑。 2006 年开始台湾教育部重新开始举办比赛， 欲通过开展电 脑鼠比赛重新夺回台湾在国际电脑鼠领域的地位。在美国 apec2009 电脑鼠竞赛中，来 自台湾龙华科技大学的电脑鼠获得第三名的好成绩。 自1991年以来，世界级的比赛数目显著增加。原来一年举行56场比赛，现在增加 到100场以上。电脑鼠比赛在中国大陆还很少见，直到2007年，由上海市计算机学会主 办的ieee标准电脑鼠迷宫邀请赛(长三角地区)在上海师范大学举行，有三十多所院校参 加，反响非常强烈。2009年，陕西科技大学电脑鼠以15.7秒的成绩获得了当年竞赛全国 冠军， 2010年来自台湾的南台科技大学代表队以2.9秒的成绩获得冠军。 随着电脑鼠在大 陆受到了越来越高的关注，很多高等院校都已参加到电脑鼠的比赛当中。但是由于起步 1 绪论 3 较晚，目前我国的电脑鼠设计还处于初步阶段，电脑鼠比赛的成绩与日本和新加坡等国 比还有很大差距。 1.3 论文研究的主要内容 本文研究的主要内容包括以下几个方面： (1)迷宫电脑鼠机械部分的设计与实现，包括电脑鼠车身、轮毂、轮胎、减速齿轮以 及动力传动系统。 (2)迷宫电脑鼠电子部分的设计与实现，包括电源部分、控制部分、电机驱动部分和 传感器部分。 (3)对迷宫电脑鼠电机的 pid 控制算法进行研究。 (4)迷宫电脑鼠硬件驱动程序的设计与实现，以选定的微控制器为核心，完成对底层 硬件驱动程序的设计，使电脑鼠的具有基本的运动功能。 1.4 论文章节安排 本论文具体章节安排如下： 第 1 章：介绍本文研究课题的背景、意义以及目前课题的研究现状，提出本文所要 研究的问题。 第 2 章：介绍电脑鼠的硬件电路部分与机械部分的设计与实现，详细地分析组成硬 件电路的每个功能模块，并给出了电路原理图。对电脑鼠的机械结构进行分析，并给出 设计参数。 第 3 章：介绍 pid 控制原理，对直流电机进行建模分析，并使用 simulink 对直流电 机模型进行 pid 控制仿真。 第 4 章：介绍电脑鼠底层驱动程序的编写，根据核心处理器特点，对电脑鼠的各部 分硬件进行驱动程序编写，给出了各模块的驱动程序和软件流程图。 第 5 章： 总结和展望。 对论文进行总结， 指出论文研究的各项工作并提出改进意见。 本章小结 本章对电脑鼠迷宫竞赛进行了简要介绍，并对其发展历史和现状进行了论述，最后 介绍了本文研究的主要内容，指出电脑鼠在设计中的重点问题，对论文的结构进行了安 排。 西安科技大学硕士学位论文 4 2 迷宫电脑鼠硬件设计与制作 迷宫电脑鼠本质上是一种集机械装置、电子装置和动力装置为一体的小型机器人。 对电脑鼠硬件设计与制作主要包括机身和硬件电路设计与制作两部分。 机身设计制作主 要包括电脑鼠车体和传动部分等机械装置的设计制作； 硬件电路的设计与制作指电脑鼠 的动力装置和电子装置，包括电机、电机驱动电路、控制电路、传感器电路、上位机接 口电路及电源电路的设计与制作。成功的电脑鼠，不仅需要完成各部分装置的设计和制 作，还需要让各部分装置紧密配合，使电脑鼠能够以最佳的状态运行。 通过对近几年参赛电脑鼠资料的参考分析，本文在设计电脑鼠时，提出了表 2.1 所 示的基本设计指标： 表表 2.1：设计指标：设计指标 体积(长度 宽度) 120mm 76mm 重量 250g 轮胎直径 30mm 最快速度 250cm/s 2.1 电脑鼠的机械装置 电脑鼠机械部分的设计主要包括车体设计、传动装置设计和车轮设计。根据 ieee 电脑鼠迷宫竞赛规则，竞赛迷宫是由面积为 18cm 18cm 的单元方块组成，迷宫隔墙厚 度为 1.2cm，所以迷宫内部通道的实际宽度为 16.8cm。同时，在竞赛规则中明确限定电 脑鼠的几何尺寸在 25cm25cm 以内。又因为电脑鼠在迷宫中行进时需要转弯、倒车等 动作，所以在设计电脑鼠车体时，需要对车体的长宽进行限定。此处我们采用宽度为 7.6cm，长度为 12cm 的车体。 迷宫电脑鼠是一种竞速型机器人，对灵活性的要求较高，因此制作材料的选择以塑 料为主，受力强度大的部件可选用铝制材料，如轮毂、车轮架以及变速部分。本设计采 用两个驱动轮加一个辅助轮的车体架构， 这种车体可以最大化的减轻车体重量并降低机 械部分的复杂程度，提高电脑鼠的可靠性。 车体的重量主要来自于电机、轮胎和铝制轮毂，在安排各装置位置时，应注意保持 电脑鼠重心稳定。车体机械图如图 2.1 所示。 2 迷宫电脑鼠硬件设计与制作 5 图 2.1 车体机械图 本文设计时，将两部直流电机置于车体的中心位置，这样可以确保电机在静态时， 车体重心稳定。当电脑鼠运行时，电机的转动会产生转动惯量。转动惯量是指一个刚性 物体对其旋转运动的惯性，对于一个质量为 m，距转动轴垂直距离为 r 的质点，其转动 惯量i=mr ， 对于n个质点组成的物体， 其转动惯量为多个质点转动惯量之和 2 1 n i i i imr 。 为确保两步电机在运行时车体稳定，在安装电机时，应使电机转动轴位于同一直线上， 令其产生的转动惯量相互抵消，保持车体平衡。 在不对电机输出转矩减速时，电机所产生的转矩十分有限。本文采用冯哈伯公司生 产的 1524009sr 电机作为动力电机，该电机在空载状态下最高转速可达到 10100rpm， 为提高电机输出转矩并降低其转动惯量(转动惯量=电机输出转矩/角加速度)，本文采用 减速比为 3:1 的减速齿轮对电机进行减速。1524009sr 电机的主齿轮齿数为 15，模数为 0.3，模数是指相邻两轮齿同侧齿廓间的齿距 t 与圆周率 的比值(m=t/)，可根据齿轮的 齿数和模数可计算出齿轮的分度圆直径=模数 齿数。通过计算得到 1524009sr 电机主 齿轮直径为 0.3 15=4.5cm，减速齿轮数量为 15 3=45，模数为 0.3，由此可计算出减速 齿轮的分度圆直径为 0.3 45=13.5mm，于是可以得到电机主齿轮和减速齿轮的中心距离 为(4.5+13.5)/2=9mm。根据得出的齿轮中心距离可以得出电脑鼠传动装置的最小长度。 本文设计的电脑鼠采用三轮结构，车轮类型分为万向轮和驱动轮两种。万向轮置于 车体前侧，主要起两方面作用：一是为车体提供第三点支撑作用，使小车更加稳定；二 是作为电脑鼠的减速装置， 在制动情况下， 电脑鼠制动电机还不足以提供足够的摩擦力， 为提高电脑鼠的刹车能力， 使用摩擦力相对较大的万向轮可实现提高电脑鼠刹车系统的 可靠性，本文采用海绵作为电脑鼠的万向轮的材料。驱动轮是整个机械设计中最复杂的 部分，车轮的加工精度决定了电脑鼠运行的平稳性，为提高机械部分的可靠性，本文在 西安科技大学硕士学位论文 6 制作车轮时将减速齿轮与车轮进行了整合，并模仿真实车胎结构将轴承置于车毂中心。 图 2.2 为车轮轮毂机械设计图。 图 2.2 轮毂机械图 车轮轮毂表面光滑， 直接接触地面时为小车提供的摩擦力有限， 会出现打滑的现象， 使小车无法前进。参考实际车轮结构，本文在轮毂上安装车胎以增大车轮的摩擦力。摩 擦力指两个表面接触的物体相互运动时互相施加的一种物理力。 摩擦力主要分为静摩擦 力和动摩擦力。静摩擦力是指两相互接触且相互挤压，而又相对静止的物体在外力作用 下只具有相对滑动趋势，未发生相对滑动时，在它们接触面之间出现的阻碍相对滑动的 力。静摩擦力的方向跟接触面平行或相切，并且跟物体相对运动趋势方向相反。当切向 外力逐渐增大但两物体仍保持相对静止时，静摩擦力随着切向外力的增大而增大，但静 摩擦力的增大只能到达某一最大值。当切向外力大于这个最大值时，两物体将由相对静 止进入相对滑动，这时的静摩擦力成为最大静摩擦力。动摩擦力是指对物体所施之力大 于最大静摩擦力时，物体开始运动。运动开始后，若将所施加之力减小，物体便又停止 运动。这一情况表明，物体运动之后，还有阻止物体运动的力，即还有摩擦阻力。这种 物体运动时所产生的摩擦力即称动摩擦力。动摩擦力 f 大小由动摩擦系数 和物体垂直 摩擦力方向的压力 f 有关。 在电脑鼠运行过程中，受到垂直方向的压力来自于自身重力，而摩擦系数与接触面 材料的粗糙程度有关。 参考铸铁与橡胶之间的滑动摩擦系数为 0.753。 电脑鼠加速度a的 最大值为： 22 0.75 9.8/7.35/agm sm s。若加速度超过此值则电脑鼠可能会发 生打滑现象。 2 迷宫电脑鼠硬件设计与制作 7 2.2 电脑鼠的电子装置 2.2.1 控制系统 控制系统是电脑鼠的“大脑”，它不但需要负责驱动硬件系统，还负责走迷宫算法的 实现。控制系统的核心器件是处理器，目前市场上处理器芯片种类繁多，根据数据总线 宽度可将处理器分为8位、16位和32位，而根据存储器结构又可分为冯诺依曼结构和哈 佛结构。根据电脑鼠比赛规则的要求以及近几年比赛结果的参考，目前主流的实现方法 有：cpu、单片机、arm和dsp。cpu具有较高的运算速度，但由于只有一个中央处理 器单元，组成完整的控制系统需要配套相应的存储器以及外设接口芯片等，增加了小车 的电路体积和制造成本；单片机是一种将中央处理器cpu、随机存储器ram、只读存储 器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计时器等模块集成于一个小型芯片上的计算机 系统，目前市场上主流单片机的位宽为8位和16位，但是由于体系结构以及其指令集特 点，尤其是内部存储空间和各种资源的局限性，使其在嵌入式系统的应用上已经不能满 足要求；dsp全称为数字信号处理器，采用了程序指令存储和数据存储分开的存储器结 构即哈佛结构， 具有很强的数据处理能力， 但是作为控制器， dsp的控制能力略显不足， 而且使用成本较高；arm处理器具有体积小，低功耗，低成本，高性能的特点，支持 thumb(16位)/arm(32位元)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件，大量使用暂存器， 指令执行速度快，大多数资料操作在暂存器中完成，并且定址方式灵活简单，执行效率 高，指令长度固定2。 arm处理器包括arm7、arm9、arm11等多个系列，根据电脑鼠的特点，本文采 用ti公司生产的arm cortex-m3内核lm3s1000系列arm处理器作为核心芯片。arm cortex-m3是一种基于armv7-m体系结构的处理器内核，它是专门为在控制器、工业控 制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域实现高性能而设计的， 它使可 编程的复杂性得到了很大简化，使arm架构成为各种应用方案的最佳选择。cortex-m3 处理器采用极小的arm内核，其内核的核心部分门数仅为33000，它将紧密相连的系统 部件有效的结合在一起4。 arm cortex-m3内部结构框图如图2.3所示， 它采用速度更快的哈佛结构， 内核流水 线分3个阶段：取指、译码和执行。当遇到分支指令时，译码阶段也包含预测的指令取 指，提高了执行的速度。处理器在译码阶段自行对分支目的地指令进行取指，在随后的 执行过程中，处理完分支指令后便知道下一条要执行指令。如果分支不跳转，那么顺序 执行。 如果分支跳转， 那么在跳转的同时分支指令可供使用， 空闲时间限制为一个周期。 西安科技大学硕士学位论文 8 arm核心 存储保护单元 可配置 嵌套vic 调度访 问接口 嵌入式跟 踪宏单元 信号线 阅读器 数据看 门狗 flash片 总线矩阵 flash接 口 sram外 围i/f cortex-m3 图2.3 arm cortex-m3内部结构框图 cortex-m3内核包含一个支持硬件乘法和硬件除法的先进alu、控制逻辑和用于连 接处理器其他部件的接口、一个适用于传统thumb和新型thumb2指令的译码器， thumb-2在thumb指令集架构(isa)上进行了大量的改进，它是16位和32位指令的结合， 实现了32位arm指令性能， 匹配原始的16位thumb指令集并向后兼容5。 同时cortex-m3 无需交互使用指令，16位指令和32位指令共存于同一模式，复杂度大大降低，代码密度 和性能均显著提高，而且thumb-2指令集用于多种不同应用，使得紧凑代码的编写更加 简单快捷。它与thumb相比，具有更高的代码密度并提供16/32位指令的更高性能。 cortex-m3处理器是32位的处理器，它带有32位宽的数据路径、寄存器库和存储器 接口，其中包括一个程序计数器、一个链接寄存器、13个通用寄存器、两个堆栈指针和 一系列包含编程状态寄存器的特殊寄存器。 cortex-m3处理器支持2种工作模式： 线程模式和处理模式。 在复位时处理器进入“线 程模式”，异常返回时也会进入该模式，特权和用户(非特权)模式代码能够在“线程模式” 下运行。出现异常模式时处理器进入“处理模式”，在处理模式下，所有代码都是特权访 问的。 ti公司生产的lm3s1000系列芯片是基于arm cortex-m3架构的32位处理器芯片， 具有新组合的扩展通用 i/o、更大容量的片上存储器和电池备份应用的低功耗优化等特 点。在lm3s1000系列芯片内部集成了丰富的时钟资源和终端资源，同时lm3s1000系列 芯片支持最大主频为50mhz，支持64256 kbyte flash、1664 kbyte sram。集成睡 眠模块、正交编码器、adc、温度传感器、模拟比较器、uart、ssi、通用定时器等外 设，最主要的是不同型号芯片的内部还集成有pwm信号产生模块和正交编码器输入模 块，这些模块简化了电脑鼠的硬件电路，十分适合用于对电脑鼠的控制。 根据实际要求，本文采用lm3s1968芯片作为核心控制芯片，该芯片最高工作频率 为50mhz，可输出6路pwm信号，图2.4所示为lm3s1968内部功能模块图。 2 迷宫电脑鼠硬件设计与制作 9 图2.4 lm3s1968 功能模块图 lm3s1968包含100个引脚，芯片封装模式有lqpf型和bga型，受焊接设备限制， 本文采用lqpf型封装。时钟电路采用6mhz晶振。复位电路采用低电平复位方式，程序 采用jtag口仿真调试，jtag端口由5个标准的管脚组成：trst、tck、tms、tdi和 tdo。数据通过tdi串行发送至控制器，然后通过tdo从控制器串行输出，在电路设计 时为了提高可靠性，需加上拉电阻。最小系统如图2.5所示。 lm3s1968的主要功能如下8： 32位risc(reduced instruction set computer，精简指令集计算机)性能 256 kb单周期flash 64 kb单周期sram 4个通用定时器模块 3个完全可编程的16c550-type uart 用作单终端输入的8个10位通道(输入) 3个独立集成的模拟比较器 2个i2c模块 3个 pwm发生器模块 1个16位的计数器 2个比较器 1个pwm信号发生器 西安科技大学硕士学位论文 10 1个死区(dead-band)发生器 2个qei模块 多达5-52个gpio，具体数目取决于配置 内部低压差(ldo)稳压器输出变为不稳定 图2.5 lm3s1968最小系统原理图 2.2.2 避障系统 电脑鼠在迷宫中行进时，需要类似“眼睛”一样的感知器官对行进的方向和障碍物进 行探索和躲避。在机器人设计过程中，通常使用各种形式的传感器实现对外界环境的感 知。 传感器是一种能够感受到被测量信息的检测装置， 它将检测信息变换成为电信号或 其他所需形式的信号输出，是实现自动检测和自动控制的首要环节9。电脑鼠避障传感 器是通过对迷宫中墙体的不断探测，使电脑鼠在迷宫中无碰撞地稳定行进。其基本原理 是以小车为原点对周围的迷宫墙体进行判断和测距， 并将判断结果及时送入控制器中进 行处理，所以避障传感器的探测精度和反应速度直接影响电脑鼠运行的稳定性。 常用的避障传感器有超声波传感器和红外传感器。 超声波传感器由超声波收/发传感 器组成。发射传感器是利用压电晶体片将电压激励信号转换为机械震荡信号，从而产生 超声波信号。接收传感器由陶瓷振子和放大电路组成，它将接收到的声波机械能量转换 成电信号。超声波传感器可靠性较高，即使在传感器表面有尘土阻碍，但在未堵死的情 2 迷宫电脑鼠硬件设计与制作 11 况下依然可以进行测量。其缺点是精度较低、体积较大，在探测时存在几厘米甚至几十 厘米的盲区，受入射角度影响也会带来的误差，如图2.6所示。 入射角 过大 反射路 径错误 图 2.6 超声波传感器的误差产生 红外传感器是一种以红外线作为传导介质的传感器。它体积小、价格便宜且分辨率 较高，十分适合作为电脑鼠避障传感器。红外避障传感器由红外发射器和接收器两部分 组成。红外发射器由红外辐射材料制成的二级管矩阵组成，其光谱功率主要分布在波长 830nm 至 950nm 的信号之间。红外线接收器按工作方式可分为调制型和非调制型，非 调制接收器的工作原理是通过检测接收到信号的强弱程度来判断小车与迷宫墙壁的距 离，这种工作方式容易受到环境中热源和光源的干扰，抗干扰能力较差。调制式接收器 内部含有带通滤波器，抗干扰能力强，当接收器检测到红外调制信号后会将信号解调并 输出低电平信号，输出的低电平信号可以直接送入处理器端口。 本文采用型号为 tsal6200 的红外发射管，tsal6200 发射红外线的峰值波长为 940nm，工作电流为 100ma，工作电压为 1.35v，红外线强度为 60mw/sr，发射功率为 210mw，反向漏电值为 5v。当工作电流为 100ma 时，tsal6200 的标准发射强度为 60 mw/sr，参数中红外线强度单位为 mw/sr，其中的 sr 为球面度，球面度的定义为：以 r 为半径的球心为顶点，展开立体角所对应的球面表面积为 2 r，该立体角的大小就是球面 度。1 球面度所对应的立体角所对应的球面表面积为 2 r，即 22 11srr cm。表 2.2(a)为其 绝对最大额定参数，表 2.2(b)为基本参数10。 表表 2.2(a) tsal6200 绝对最大额定参数参数绝对最大额定参数参数 西安科技大学硕士学位论文 12 表表 2.2(b) tsal6200 基本参数基本参数 将三维情况转换为平面情况时，可以得到发射的红外线在 r 处强度为： 3 22 60 10 w r cm 此计算结果是在理想条件下，现实中红外线强度还与发射管的角度(图 2.7a)以及发射红 外线的波长(图 2.7b)有关。 (a) 角位移与相对辐射强度关系 (b) 波长与相对辐射功率关系 图 2.7 tsal6200红外线发射强度 本文采用一体式红外线解调接收管 tsop1838 作为红外线接收器，其内部结构图如 图 2.8 所示。 图 2.8 tsop1838 内部结构框图 2 迷宫电脑鼠硬件设计与制作 13 tsop1838 内部集成了红外线接收二极管、放大器、滤波器以及解调器，其外壳采 用环氧树封脂封装， 可以对红外线起到滤波作用。 该接收管具有很强的抗干扰光线能力。 其相关特性参数如表 2.3 所示11。 表表 2.3(a) tsop1838 绝对最大额定参数绝对最大额定参数 表表 2.3(b) tsop1838 基本参数基本参数 tsop1838 的中心解调频率为 38khz， 工作电压为 4.5v 到 5.5v， 工作电流为 0.9ma 到 1.5ma，接收距离 1 到 35m，输出电压兼容 ttl 电平和 cmos 电平。红外发射电路 原理如图 2.9 所示，r3 为电位器，通过调节电位器可以改变红外线输出的功率，从而控 制红外线的发射距离。工作时，控制系统送出调制 38kh