基于C8051F040的模型車無線控制系統的設計

0 引 言
??? 汽車耐久性試驗是汽車試驗的重要組成部分，而在試驗過程中試驗人員駕駛行為的變化，往往導致實驗結果不一致，從而降低了實驗數據的有效性。因此各大汽車公司相繼采用駕駛機器人代替試驗人員進行汽車試驗。利用駕駛機器人進行試驗對于減輕人類勞動強度，降低試驗環境對試驗人員的傷害，提高試驗效率、試驗結果的客觀性和準確度，節省試驗費用，進而加速汽車研發進度都有重要的意義。
??? 為了測試駕駛機器人以及駕駛算法的可靠性，必須有一個仿真駕駛系統能滿足駕駛機器人的要求。本文所設計模型車無線控制系統則是實現機器人仿真駕駛的主要環節，為駕駛機器人及其駕駛算法提供了實驗平臺。
??? 系統采用了1：10電動模型車，速度的調節由電子調速器和一個無刷直流電機來完成，通過舵機對前輪的控制來完成模型車的轉向。上位機的控制信號經由ZigBee無線收發模塊傳輸給控制核心C8051F040，單片機根據上層的運動命令發送對應的PWM信號給電子調速器和轉向舵機，實現對模型車運動的控制。

1 系統框架
??? 系統采用模塊化設計，主要由單片機、無線收發模塊、測速反饋、電子調速器、無刷電機、轉向舵機和上位機組成。如圖1所示。

2 硬件設計、
2．1 無線模塊硬件設計
??? 無線收發模塊通過ZigBee技術實現了微處理器與上位機的通訊，是上位機與模型車運動控制模塊的中間節點。通過該模塊，上層控制命令可以發送到微處理器上，同時微處理器反饋此時的速度信號與轉角信號給上層控制臺。
??? 該模塊選用了TI公司推出的CC2431芯片。CC2431采用增強型8051 MCU，32／64／128 KB閃存，8 KB SRAM等高性能模塊，并內置了ZigBee協議棧且支持2．4 GHz IEEE 802．15．4／ZigBee協議。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。整個天線系統的等效電阻為50Ω，滿足RF輸入／輸出匹配電阻的要求。

2．2 控制模塊硬件設計
??? 控制模塊使用的是Silabs公司的C8051F040單片機作為系統的微處理器進行電機的控制及系統的其他處理工作。
??? 控制模塊硬件圖如圖3所示(僅畫出使用的引腳)。主電機選擇了7．2 V的無刷直流電機。由于有刷電機換向是通過碳刷及整流子，但是碳刷及整流子在電機轉動時會產生火花，碳粉因此會造成組件損壞，而無刷直流電機是用電路來進行換向的且體積小、易控制，因此不存在這些問題。無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。
??? 無刷直流電機構造復雜，因此對它的直接控制通過電子變速器來實現。根據單片機PWM信號的占空比來控制電子調速器中MOSFET的導通關斷時間從而控制電流，達到控制電機轉速的目的。這種方法具有電流大，輸出電流線性度高等優點，使電機的效率得到提高。
??? 模型車的轉角控制是用一個舵機實現的。舵機的控制簡單、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角控制。舵機內部有一套精密的減速齒輪組，直流電機的輸出經這套減速齒輪減速后輸出。單片機輸出PwM信號來控制舵機的轉角，該信號進入舵機內部的信號調制芯片獲得直流偏置電壓，將此直流偏置電壓與內部一個標準電路產生的周期為20 ms寬度為1．5 ms的基準電壓比較，獲得電壓差輸出。電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。

??? 系統的電源采用了7．2 V的電池，而C8051F040的高電平是3．3 V，因此需要進行電平轉換。本系統使用的是貼片式的LM1117進行電平轉換。如圖4所示，由于該芯片的輸入、輸出的允許壓降很小，所以用了兩片規格不同的LM1117實現兩級電平轉換，中間再串聯二極管，利用二極管的固有壓降來滿足芯片的壓降要求。

3 軟件設計
3．1 無線模塊軟件設計
??? 無線模塊應用程序是將上位機的運動控制信號發送給電機控制模塊，另外還要把微處理器的電機控制量上傳給上位機。復位時進行系統初始化并開中斷，置標志位ST，完成后系統進入休眠模式(ST=00)。當上位機有數據采集要求時，通過串口與之通信，此時將會觸發系統的串口中斷激活系統。隨后，中斷服務程序將系統置為發送命令狀態(即ST=01)，先解析命令信號，接著將命令信號打包發送出去，發送成功后將進入等待接收數據模式(即ST=10)。此后，如果有數據發送過來，底層將數據上交到應用層后，就直接將數據通過串口上傳給上位機，完成一次數據傳輸。其程序流程如圖5所示。

3．2 電機控制模塊軟件設計
??? 該模塊的軟件設計流程如圖6所示。

??? 上電復位后，首先完成單片機的初始化，包括看門狗初始化，輸出口定義，交叉開關配置，配置時鐘寄存器，T0時鐘控制器。C8051F040單片機資源豐富，但基于51內核(特殊功能寄存器只有128個)，其很多特殊功能寄存器便不能安排下，于是采用了分頁機制。所以在配置不同的寄存器時，要先使用選擇分頁。單片機內使用中斷方式產生PWM信號，定時單位設為0．01 ms，初始信號為周期16 ms，高電平時間1．5 ms，high0，high1分別控制速度控制波形和轉角控制波形的高電平時間。當接收到啟動信號后，P1．0，P1．1接收速度信號，P1．3，P1．4接收轉角信號。

4 結 語
??? 本文設計了以C8051F040為控制核心的仿真平臺，通過與上位機的通信，可以很好地滿足機器人仿真駕駛的要求。系統采用上位機無線控制物理模型的方式，使得仿真駕駛更加安全可靠。該系統具有很好的拓展性，通過無線通信，可以增加更多的數據采集系統用以反饋信息給上位機，拓展了該平臺的應用范圍。如增加定位反饋系統，則上位機可以屏蔽物理模型的運動進行算法模擬及試驗。在參數方面，可以增加高精度的測定反饋系統，通過與上位機保持實時的通信來滿足更高的仿真要求。