微控制器模塊

AT89S52是一個低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)有8KB ISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。

AT89S52有40個引腳，片內(nèi)有8KB Flash程序存儲器，256B的RAM，32個外部雙向輸入/輸出口，5個中斷優(yōu)先級，2層中斷嵌套，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器等。

在開發(fā)過程中使用開發(fā)板，以方便程序的調(diào)試和整機的測試，待系統(tǒng)調(diào)試完成后，將單片機從開發(fā)板上取下，安裝在機器人系統(tǒng)板的單片機座中，由于設(shè)計中的機器人需要完成的任務(wù)比較簡單，因此只在機器人系統(tǒng)板的單片機系統(tǒng)中保留了晶振和復(fù)位電路，取消了JTAG編程口等冗余電路。

3.2 傳感器模塊

光電傳感器的工作原理是傳感器紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外光，接收管根據(jù)反射回來的紅外光強度大小來計數(shù)的，故被檢測的部件或物體表面必須有黑白相間的部位用于吸收和反射紅外光，這樣接收管才能處于有效的截止和飽和區(qū)以達到計數(shù)的目的。傳感器的檢測與調(diào)節(jié)電路如圖2所示。圖中的R3用于調(diào)節(jié)比較器的門限電壓，經(jīng)示波器觀察，輸出波形相當規(guī)則，可以直接供單片機查詢使用，而且經(jīng)驗證給此電路供電的電池壓降較小。紅外光電傳感器通過主板P8、P9、P10接口連接到AT89S52的P0.5、P0.6和P0.7端口。其中P0.5 = 0，表示前方有障礙;P0.6 = 0 ，表示左方有障礙; P0.7=0，表示右方有障礙。

直流電機驅(qū)動電路與電源模塊

直流電機通過主板的P5接口連接到主板的驅(qū)動模塊上。本文采用L298作為電機的驅(qū)動芯片，L298的5、7、10、12四個引腳連接到單片機上，通過對單片機的編程就可以實現(xiàn)兩組直流電機的正反轉(zhuǎn)等功能。由于單片機的電壓在4.8V左右，故采用VFM升壓型電源芯片，為單片機及外圍電路提供5V左右的電壓。

軟件開發(fā)環(huán)境與搜索算法

本文采用Keil U Version2 作為系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，在程序設(shè)計中采用C語言和匯編語言混合編程。在軟件算法上，考慮到深度優(yōu)先搜索算法的時空效率和迷宮地形的復(fù)雜程度成正比，即迷宮越復(fù)雜，搜索出口的時間就越長。本文采用了一種稱為左手(或右手)法則的迷宮路徑搜索策略，即在迷宮中一直沿著左側(cè)(或右側(cè))的墻尋找，就可以找到出口。

相對于深度優(yōu)先搜索法，左手(或右手)法則的空間占用與迷宮復(fù)雜程度無關(guān)，機器人搜索路徑的選擇只與當前結(jié)點有關(guān)，不需要回溯。同時，硬件的制造精度要求不高，不需要精確的控制機器人的移動距離和移動方向，方便了驅(qū)動設(shè)計。為便于算法的實現(xiàn)，本文設(shè)定了如下約束條件：

1.在算法中不管迷宮地形有多么復(fù)雜，均由直線、死路、丁字形、十字形、轉(zhuǎn)角形和終點七個基本地形構(gòu)成。

2.按分岔的多少將分岔口分為二岔口和三岔口(一般沒有四岔口)，而將分岔口前面的岔路按從右到左的順序分別稱為第一岔路、第二岔路、第三岔路(十字型才有)。二岔路有三種不同的形式，第一種是前進的路線右邊出現(xiàn)一條岔路(右邊的岔路稱為第一岔路、前方稱為第二岔路);第二種是在前進的路線左邊出現(xiàn)一條岔路(前方稱為第一岔路、左邊的岔路稱為第二岔路);第三種是丁字路口(右邊的岔路稱為第一岔路、左邊的岔路稱為第二岔路)。對于這三種情況，算法對應(yīng)的程序由主程序、走直線子程序、左轉(zhuǎn)子程序、右轉(zhuǎn)子程序和校正子程序組成。主程序起到導(dǎo)向和決策的功能，決定機器人什么時候該做什么。機器人的其他功能通過調(diào)用具體的子程序來實現(xiàn)。

本文所采用的迷宮搜索算法流程如圖3所示。接通電機和傳感器電源后，單片機在程序的控制下，根據(jù)傳感器檢測到的值，決定電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。當P0.7=1時，表示左方?jīng)]有障礙物，依據(jù)“右手”遍歷算法，機器人將調(diào)用右轉(zhuǎn)子程序;當P0.7=0并且P0.5=0時，機器人將調(diào)用左轉(zhuǎn)子程序;否則機器人直線前進，如此反復(fù)檢測并調(diào)整機器人的動作，直至機器人走出迷宮為止。

從架構(gòu)上看，CLB與FPGA的可編程邏輯結(jié)構(gòu)很相似。構(gòu)成CLB的每個BLE由?個4輸?LUT(Lookup-Table, 查找表)和?個D觸發(fā)器組成。CLB的輸入接口提供了16個輸入的選擇鎖存器，每個選擇鎖存器可以選擇最多40種不同的信號之一的信號來作為輸入，這些信號可以是通過外部引腳輸入的信號，內(nèi)部外設(shè)的輸出信號以及軟件操作的寄存器的信號。CLB輸入端都嵌入了可編程的邊沿檢測器，這些邊沿檢測器默認由上升沿觸發(fā)，但可以編程為由下降沿觸發(fā)或完全旁路。

另外，CLB支持8路輸出可以路由到外部引腳、內(nèi)部寄存器或內(nèi)部外圍設(shè)備的輸?。CLB還包含?個3位硬件計數(shù)器，以幫助使?CLB構(gòu)建狀態(tài)機。當MCU需要執(zhí)?簡單的多任務(wù)并?處理，或者需要實現(xiàn)少量硬件級實時處理時，CLB的作?就會更?程度地顯現(xiàn)出來。開發(fā)者可以使?CLB來實現(xiàn)狀態(tài)機或“?速”外設(shè)，例如軟件驅(qū)動的信號多路復(fù)?器、計數(shù)器、正交解碼器、步進電機控制器或?速PWM(脈寬調(diào)制器)等。

全新的開發(fā)體驗

實際上，對于Microchip來說，在MCU中集成可編程邏輯功能并不是?個全新的課題。早在?多年前，Microchip就曾在其MCU中引?了?種被稱為可配置邏輯單元(CLC)的可編程邏輯外設(shè)，這?設(shè)計思路的價值已經(jīng)被市場所驗證。隨著實際應(yīng)?中對更復(fù)雜的可編程邏輯需求的增加，終在PIC16F13145系列中演化出了CLB這個規(guī)模更?、更復(fù)雜的可編程邏輯塊，完成了?次重要的迭代升級，也使得該系列MCU能夠?于以往屬于獨?可編程邏輯器件的應(yīng)?領(lǐng)域。

PIC16F13145系列MCU這一獨特的定位，可以為開發(fā)者帶來諸多好處。

首先，集成到MCU的CLB，是通過硬件的方式實現(xiàn)邏輯功能，在性能上明顯優(yōu)于“通用MCU+軟件”的模式，有利于優(yōu)化嵌入式控制系統(tǒng)的速度和響應(yīng)時間，提升整體的系統(tǒng)性能。而且由于在系統(tǒng)設(shè)計時，無需增加額外的外部邏輯器件，還可以降低BOM成本，可謂是一舉兩得。

其次，作為獨立于CPU內(nèi)核的外設(shè)，PIC16F13145中的CLB可以在CPU處于睡眠模式時運行，以響應(yīng)和處理來自外部和內(nèi)部的任務(wù)，更大限度地降低MCU的功耗。CLB還可以與其他外設(shè)(如定時器、ADC、PWM模塊等)結(jié)合使用，進一步優(yōu)化系統(tǒng)功耗性能。

此外，CLB還有助于PIC16F13145系列MCU實現(xiàn)更強的可擴展性。在實際工作中，隨著需求的變化，設(shè)計的調(diào)整在所難免，而PIC16F13145系列MCU所具備的可編程邏輯功能，使得開發(fā)者無需“從頭再來”徹底修改整個設(shè)計，就能夠通過靈活的硬件編程快速完成設(shè)計迭代，簡化整個設(shè)計流程。

由此可見，憑借CLB模塊而帶來的更高的性能、更低的功耗以及更強的可擴展性，加之其他豐富的片上資源(包括具有內(nèi)置計算功能的快速10位ADC、8位DAC、快速比較器、8位和16位定時器，以及I2C和SPl等通信模塊)，PIC16F13145系列MCU無疑為嵌入式開發(fā)者提供了一個強大而靈活的開發(fā)利器。

完善的開發(fā)生態(tài)

當然，?個嵌?式硬件平臺，加上配套的軟件開發(fā)?具以及相關(guān)技術(shù)資源，才能夠提供完整的開發(fā)體驗。具體到PIC16F13145系列MCU這個創(chuàng)新的硬件架構(gòu)，更是需要完善開發(fā)?態(tài)的?持，盡可能降低開發(fā)者上?“嘗鮮”的?檻。

好消息是，這?點Microchip已經(jīng)準備好了。PIC16F13145 系列MCU 的開發(fā)， 可以得到MPLAB 代碼配置器(MCC)的?持，MCC是Microchip的MPLAB X IDE中?個免費軟件插件，為開發(fā)者提供了?個基于GUI的簡便開發(fā)界?，?于配置器件和片上外設(shè)(包括CLB)。CLB所需的?定義邏輯配置可通過MCC創(chuàng)建原理圖，因此??減少了開發(fā)時間，?且?戶可以使?硬件描述語?(Verilog)作為開發(fā)語言，增加了開發(fā)的靈活性。自定義邏輯配置的原理圖也可以通過在線方式創(chuàng)建(logic.microchip.com)。

同時，PIC16F13145 Curiosity Nano評估套件可為使?PIC16F13145系列MCU進?設(shè)計提供全??持，?需外部?具、編程和調(diào)試，簡單易?，有助于開發(fā)者實現(xiàn)?縫嵌?式開發(fā)體驗，縮短產(chǎn)品上市時間。

今天，競爭激烈的MCU市場，迫切需要差異化的創(chuàng)新產(chǎn)品。Microchip的PIC16F13145系列MCU，創(chuàng)造性地將可編程邏輯外設(shè)功能與8位MCU架構(gòu)相結(jié)合，在繼承MCU固有優(yōu)勢特性的同時，?帶來了更佳的性能、低功耗特性和可擴展性，在實時控制、數(shù)字傳感器節(jié)點，以及?業(yè)和汽?等細分市場，為嵌?式開發(fā)者提供了全新的想象空間和開發(fā)體驗。