1 機(jī)器魚控制系統(tǒng)設(shè)計方案
機(jī)器魚控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要分為指令發(fā)送端和指令執(zhí)行端,兩部分均以CC1110無線單片機(jī)作為核心控制器,負(fù)責(zé)指令的發(fā)送、接收、數(shù)據(jù)處理,進(jìn)而控制機(jī)器魚的相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。指令發(fā)送端的指令來自上位機(jī),USB串口轉(zhuǎn)換電路將USB接口模擬成串口,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與CC1110的串口通信。電源模塊完成電壓的變換,為相關(guān)電路提供各種合適的工作電壓。存儲器模塊存儲機(jī)器魚的相關(guān)信息。舵機(jī)驅(qū)動模塊為執(zhí)行機(jī)構(gòu)舵機(jī)提供合適的控制信號。

2.1 USB串口轉(zhuǎn)換電路
CH341T是一款USB總線轉(zhuǎn)接芯片,通過簡單的接線即可實(shí)現(xiàn)USB接口和串口之間的轉(zhuǎn)換,此時無需改動上位機(jī)與下位機(jī)的程序,通過USB接口即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的串行通信。USB串口轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖2所示。

2.2 DC-DC電壓變換電路
指令發(fā)送端由USB提供5V電壓,指令執(zhí)行端由電池提供5V直流電壓。電池提供的5V直流電壓可以直接為舵機(jī)驅(qū)動芯片以及舵機(jī)供電。而系統(tǒng)內(nèi)部CC1110無線單片機(jī)正常工作電壓范圍是2.0~3.6V,存儲器芯片24AA01正常工作電壓范圍是1.7~5.5V,這里可以將二者的工作電壓選擇為3.3V.為此,專門設(shè)計了一個DC-DC電壓變換電路,將5V直流電壓變換為3.3V直流電壓后再提供給CC1110無線單片機(jī)和24AA01芯片,以保證系統(tǒng)的正常工作。這里采用AMS公司生產(chǎn)的AMS1117芯片設(shè)計了電壓變換電路,具體的DC-DC電壓變換電路如圖3所示。

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2.3 CC1110無線收發(fā)電路
在機(jī)器魚控制系統(tǒng)中,機(jī)器魚指令的發(fā)送、接收以及指令解析執(zhí)行是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。而現(xiàn)有的無線收發(fā)系統(tǒng)很多都是采用單片機(jī)和RF收發(fā)模塊組成,這樣整個控制電路的體積較大,將會使機(jī)器魚的體積變大。為了將機(jī)器魚體積做小以及將功耗降低,這里采用TI公司生產(chǎn)的一種低成本、低功耗的CC1110無線單片機(jī)作為指令收發(fā)執(zhí)行的核心器件。CC1110無線收發(fā)電路如圖4所示。

2.4 舵機(jī)驅(qū)動電路
在機(jī)器魚控制系統(tǒng)中,我們利用舵機(jī)的擺動來模擬機(jī)器魚的游動。而無線單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號不足以驅(qū)動舵機(jī),為保證舵機(jī)正常工作,要專門設(shè)計一個舵機(jī)驅(qū)動電路。舵機(jī)驅(qū)動電路采用了74AHCT1G04芯片,舵機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖5所示。

在機(jī)器魚初始化階段以及在機(jī)器魚控制過程中需要存儲一些參數(shù),因此要有專門的存儲模塊。由于參數(shù)的數(shù)據(jù)量比較小,這里采用I2C接口的24AA01存儲芯片,存儲器電路原理圖如圖6所示。

在機(jī)器魚控制系統(tǒng)中軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計,主要包括串口通信程序、無線通信程序、存儲器讀寫程序以及舵機(jī)驅(qū)動程序。
3.1 串口通信程序設(shè)計
串口通信程序完成CC1110無線單片機(jī)與上位機(jī)PC的串行通信。串口接收數(shù)據(jù)采用中斷的方式,串口發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢的方式。串口收發(fā)程序流程圖如圖7所示。

在硬件設(shè)計中采用了CH341T串口轉(zhuǎn)換電路模擬串口,為了配合硬件的使用,需要在上位機(jī)中安裝驅(qū)動程序,驅(qū)動程序可以從南京沁恒電子有限公司網(wǎng)站上下載。
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3.2 無線通信程序設(shè)計
在設(shè)計無線通信程序前,需要配置CC1110的高頻部分,以確定無線收發(fā)器的收發(fā)頻率、發(fā)送功率、傳輸速率以及調(diào)制方式等。由于CC11 10高頻配置較為復(fù)雜,這里可以采用TI公司的SmartRF Studio軟件來進(jìn)行配置。通過設(shè)置寄存器FREQ2、FREQ1和FREQ0將CC1110的收發(fā)頻率選擇在433MHz頻段;通過設(shè)置PA TABLE0將CC1110的發(fā)送功率設(shè)置為10dBm,這樣可以提高發(fā)射距離;由于該控制系統(tǒng)的指令數(shù)據(jù)量較小,可以選擇較低的傳輸速率,不僅可以提高傳輸距離,而且可以降低能耗;調(diào)制方式選擇2-FSK方式。
無線通信程序包括無線發(fā)送程序和無線接收程序兩部分。無線發(fā)送程序?qū)⒋l(fā)送的數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送出去,無線接收程序可以接收同頻率的發(fā)射機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。無線通信程序流程圖如圖8所示。

在機(jī)器魚控制系統(tǒng)的指令發(fā)送端,實(shí)現(xiàn)的功能包括串口收發(fā)數(shù)據(jù)和無線收發(fā)數(shù)據(jù)。指令發(fā)送端主程序流程圖如圖9所示。

3.4 指令執(zhí)行端主程序設(shè)計
在機(jī)器魚控制系統(tǒng)指令執(zhí)行端,主要包含指令數(shù)據(jù)的接收、指令數(shù)據(jù)的反饋發(fā)送、存儲器的讀寫以及舵機(jī)的控制等。其中,舵機(jī)的控制是最為關(guān)鍵的部分。在控制舵機(jī)前要先對指令數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,計算出舵機(jī)的控制量。由于舵機(jī)采用級聯(lián)的方式來模仿魚體的擺動,因此舵機(jī)間關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律可以采用以下數(shù)學(xué)模型:

式中,Ka為振幅系數(shù),Ki為偏斜系數(shù),f為擺動頻率,φi為關(guān)節(jié)滯后角,Aimax為關(guān)節(jié)擺動幅度,t為時間。以上參數(shù)即為舵機(jī)的主要控制參數(shù)。在程序設(shè)計過程中,一般取Ka≤0.5,Ki、f、φi以及Aimax四個參數(shù)根據(jù)具體的速度指令和方向指令來計算出相應(yīng)的控制量。指令執(zhí)行端主程序流程圖如圖10所示。

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