1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 以ARM為的嵌入式體感遙控器的設(shè)計(jì)方案 引言 服務(wù)機(jī)器人作為多種高新技術(shù)發(fā)展成果的集成，為實(shí)現(xiàn)服務(wù)的目的，需要通過人性化、簡便、自然的方式開展人機(jī)交互，傳統(tǒng)的按鍵式遙控器顯然不能滿足這種設(shè)計(jì)要求。目前，體感設(shè)備發(fā)展迅速，各類基于體感控制的裝置層出不窮。體感控制就是通過肢體動(dòng)作變化來實(shí)現(xiàn)。 控制，基于體感裝置的人機(jī)交互已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱門課題。 常見的無線遙控技術(shù)不外乎紅外遙控技術(shù)和無線電遙控技術(shù)。其中紅外遙控技術(shù)優(yōu)點(diǎn)就是帶寬大，但是需要較強(qiáng)的指向性，傳輸距離短，穿透能力差，功耗高；與之相比，無線電遙控技術(shù)無方向性，抗干擾能力和穿透能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，功耗低。因

2、此，無線電遙控技術(shù)更加適合于智能家居、消費(fèi)類電子和機(jī)器人控制等領(lǐng)域。 本文以STM32F103C8T6作為主控制器，采用iNEMO慣性導(dǎo)航模塊、nRF24L01無線模塊和12864液晶顯示模塊。設(shè)計(jì)的嵌入式體感遙控器具有體積小、操作簡單、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地滿足對服務(wù)機(jī)器人可靠遙控的要求，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。 1 系統(tǒng)功能要求及整體架構(gòu) 1.1 基本功能要求 具備實(shí)時(shí)準(zhǔn)確發(fā)送相應(yīng)控制指令的能力。根據(jù)手部姿態(tài)確定指令的內(nèi)容。 具備接收機(jī)器人本體回傳數(shù)據(jù)包的能力。根據(jù)接收的數(shù)據(jù)包開展解析，進(jìn)而判斷本體接收的控制指令是否正確。 具備當(dāng)前指令和機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)信息的顯示能力。一方面

3、將發(fā)送的控制指令在LCD液晶屏上予以顯示；另一方面根據(jù)機(jī)器人本體回傳的數(shù)據(jù)包，解析得出機(jī)器人的狀態(tài)，在LCD液晶屏上開展顯示。 具備電池電量檢測和低壓報(bào)警功能。將剩余電量實(shí)時(shí)地顯示在LCD液晶屏上，當(dāng)電量缺陷時(shí)，通過蜂鳴器開展報(bào)警提示。 1.2 系統(tǒng)整體方案及架構(gòu) iNEMO慣性導(dǎo)航模塊的基本原理如圖1所示，利用MEMS傳感器和主控芯片STM32F103RET7提供動(dòng)靜態(tài)方向和慣性測量功能。集成雙軸滾轉(zhuǎn)-俯仰陀螺儀（LPR430AL）、單軸偏航陀螺儀（LY330ALH）、6軸地磁測量模塊（LSM303DLH）、壓力傳感器（LPS001DL）和溫度傳感器（STLM75）5個(gè)意法半導(dǎo)體公司的傳感器

4、，運(yùn)行一個(gè)AHRS姿態(tài)角運(yùn)算系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對姿態(tài)角的實(shí)時(shí)測量。 本遙控器采用ST公司具有Cortex-M3內(nèi)核的ARM控制器STM32F103C8T6作為主控制器，采用ST公司的iNEMO慣性導(dǎo)航模塊開展手部姿態(tài)檢測，采用nRF24L01無線模塊實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收，采用12864液晶顯示模塊對當(dāng)前控制指令、機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)和剩余電量予以顯示，采用LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)提示和報(bào)警功能。遙控器軟件上使用C/OS-II實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)性內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、通信與同步、內(nèi)存管理等功能。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。 2 硬件電路設(shè)計(jì) 2.1 主控制模塊電路 主控制器STM32F10

5、3C8T6芯片，工作頻率高達(dá)72 MHz,內(nèi)置64 KB的Flash和20 KB的SRAM,具有豐富外設(shè)和超低功耗，完全滿足本設(shè)計(jì)要求。主控制模塊電路圖如圖3所示，參照ST公司發(fā)布的STMF10 xxx硬件開發(fā)入門文檔，該部分包括外部時(shí)鐘電路、模擬電源輸入、電源濾波、仿真口的設(shè)計(jì)。 2.2 電源模塊電路 本遙控器采用8.4 V鋰電池供電，采用TL750M05C穩(wěn)壓芯片提供5 V電壓，選用REG1117-3.3穩(wěn)壓芯片為系統(tǒng)提供3.3 V電壓。STM32F1 03C8T6電源分為模擬電源與數(shù)字電源，為了保證其正常工作，將兩路電源開展隔離設(shè)計(jì)，在模擬地與數(shù)字地之間通過0電阻實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)共地。為監(jiān)測鋰電

6、池電源電壓，將電池電壓經(jīng)電阻分壓及阻容濾波電路濾波后作為STM32F103C8T6采樣輸入。 2.3 無線通信模塊及顯示模塊電路 無線通信模塊采用2.4 GHz頻段射頻芯片nRF24L01作為無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片，工作于2.42.5GHz ISM頻段，輸出功率和通信頻道可通過程序開展配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9 mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA,多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。nRF24L01采用SPI總線方式與控制芯片開展通信。 12864液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（161 6點(diǎn)陣）、12

7、8個(gè)字符（816點(diǎn)陣）及64256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM），具有并行數(shù)據(jù)傳送方式和串行數(shù)據(jù)傳送方式，其中串行數(shù)據(jù)傳輸方式只用到CS、SID、SCK 3個(gè)通信引腳，較并行數(shù)據(jù)傳送方式節(jié)省單片機(jī)的I/O引腳，本文采用串行傳輸方式開展設(shè)計(jì)。 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 體感遙控器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-II,借助于&mu ;C/OS-II內(nèi)核的多任務(wù)管理和的實(shí)時(shí)性能，大大簡化了軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且可以保證系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。 3.1 任務(wù)分配與實(shí)現(xiàn) 在任務(wù)規(guī)劃的過程中，采用分層次和模塊化的思想將整個(gè)系統(tǒng)任務(wù)開展劃分。首先，我們必須對系統(tǒng)整體的控制任務(wù)有清楚地了解，具體任務(wù)劃分如下表1所列

8、。 表1中除OSTaskStat和OSTaskIdle任務(wù)為系統(tǒng)自帶，其他8個(gè)任務(wù)均為用戶創(chuàng)立。其中：App_TaskStart為起始任務(wù)，系統(tǒng)運(yùn)行后個(gè)建立的任務(wù)，其作用是為初始化系統(tǒng)時(shí)鐘和底層設(shè)備創(chuàng)立所有事件和其他任務(wù)；App_TaskAD任務(wù)監(jiān)視電池電壓的變化，當(dāng)電壓低于設(shè)定值Low Battery時(shí)，將啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警；App_TaskAHRS任務(wù)通過DMA不斷接收iNEMO慣性導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)，然后交由USART1接收緩沖區(qū)，實(shí)時(shí)獲得手部姿態(tài)信息；App_TaskCmd根據(jù)手部姿態(tài)信息轉(zhuǎn)化為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令，然后按照制定的通信協(xié)議通過nRF24L01無線模塊將指令數(shù)據(jù)包發(fā)送出去；App_Tas

9、kData任務(wù)在每發(fā)送指令數(shù)據(jù)包后，通過nRF24L01無線模塊接收機(jī)器人本體回傳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息包；App_TaskLCD任務(wù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)指令、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、電池電量、實(shí)時(shí)時(shí)鐘在12864液晶顯示模塊上的顯示；App_TaskLED_B任務(wù)通過LED指示遙控器上的主控芯片與iNEMO慣性導(dǎo)航模塊、遙控器與機(jī)器人是否通信正常，當(dāng)電池電量過低時(shí)，通過蜂鳴器開展報(bào)警；App_TaskClock任務(wù)得到DS1302的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，通過消息郵箱App_LCDClockMbox發(fā)送給App_TaskLCD任務(wù)予以實(shí)時(shí)顯示。 3.2 任務(wù)間通信設(shè)計(jì) 任務(wù)和中斷服務(wù)子程序可以通過事件控制塊與其他任務(wù)開展通信，常用的

10、通信方式有信號量、郵箱和消息隊(duì)列，同時(shí)，通過事件標(biāo)志實(shí)現(xiàn)任務(wù)與事件之間的同步。本操作系統(tǒng)共創(chuàng)立了8個(gè)消息郵箱和1個(gè)事件標(biāo)志： OS_EVENT *App_AHRSMbox OS_EVENT *App_CommandMbox OS_EVENT *App_DataMbox OS_EVENT *App_ADMbox OS_EVENT *App_LCDCmdMbox OS_EVENT *App_LCDDataMbox OS_EVENT *App_LCDADMbox OS_EVENT *App_LCDClockMbox OS_FLAG_GRP *App_GreenLEDFlag 其中，App_Green

11、LEDFlag包括3個(gè)標(biāo)志位： #define Flg_GreenLED 0 x0001 #define Flg-BlueLED 0 x0002 #define Flg_Buzzer 0 x0004 3.3 軟件系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)流程圖如圖4所示。體感遙控器經(jīng)上電初始化后，首先采集電池電壓，然后通過郵箱*App_ADMbox將采集得到的電量值發(fā)送給12864液晶顯示模塊開展顯示，若電量過低，則使標(biāo)志位Flg_Buzzer置位，即通過蜂鳴器開展報(bào)警。并且，通過DMA把iNEMO慣性導(dǎo)航模塊的數(shù)據(jù)接收到USART1,判斷校驗(yàn)位是否正確，若不正確則重新配置DMA,重新接收數(shù)據(jù)；若正確則將接收到

12、的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為控制指令，通過nRF24L01無線模塊發(fā)送給機(jī)器人。同時(shí)通過郵箱*App-LCDCmdMbox將指令發(fā)送給App_TaskLCD任務(wù)，在12864液晶顯示模塊顯示當(dāng)前發(fā)送的指令，并通過置位Flg_GreenLED點(diǎn)亮相應(yīng)LED,以表示STM32F103C8T6與iNEMO模塊通信正常；機(jī)器人本體接收到指令后，會(huì)給遙控器返回?cái)?shù)據(jù)包，如果遙控器接收的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤標(biāo)志位沒有置位，則說明遙控器與機(jī)器人本體通信正常，通過郵箱*App_LCDDataMbox將機(jī)器人的狀態(tài)信息發(fā)送給App_Tas kLCD任務(wù)，在12864液晶顯示模塊上顯示機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)通過置位Flg_BlueLED點(diǎn)亮

13、相應(yīng)LED,以表示遙控器與機(jī)器人本體通信正常。App_TaskClock任務(wù)通過郵箱*App_LCDClockMbox向App_TaskLCD任務(wù)發(fā)送當(dāng)前時(shí)間信息，并予以顯示。 體感遙控器 軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為IAR EWARM5.4,&mu ;C/OS-II版本為V2.86,STM32F103C8T6的調(diào)試工具為J-Link仿真器，STM32F103C8T6的固件庫版本為V2.0.3. 3.4 遙控器與機(jī)器人本體通信方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用嚴(yán)格的“一問一答”形式，即每發(fā)送一條指令都需要機(jī)器人本體返回一幀數(shù)據(jù)包。遙控器發(fā)送一條指令后，等待機(jī)器人本體返回的數(shù)據(jù)包，只有獲得機(jī)器人本體返回的數(shù)據(jù)包后才可以繼續(xù)發(fā)送指令包。如果機(jī)器人本體接收到錯(cuò)誤指令（經(jīng)校驗(yàn)錯(cuò)誤的指令），置位通信錯(cuò)誤標(biāo)志位，上傳數(shù)據(jù)包；同時(shí)，機(jī)器人本體報(bào)警，將機(jī)器人速度置0,接下來1 s內(nèi)下位機(jī)去除串口DMA,重新接收指令。如果遙控器收到的數(shù)據(jù)包中通信錯(cuò)誤標(biāo)志位置位，則重新配置nRF24L01無線模塊，重新發(fā)送指令。 4 性能測試 對本文所描述的嵌入式機(jī)器人體感遙控器開展了相應(yīng)的測試，測試環(huán)境分別為室內(nèi)走廊環(huán)境和室外環(huán)境，測試結(jié)果如下表2所列。測試結(jié)果說明，在室內(nèi)走廊環(huán)境中，收發(fā)指令的正確率在95%以上；在