摘 要： 以鴿子為實驗動物，研制了基于CC1110無線單片機的動物機器人遙控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無線信號發(fā)射站和背負在動物身上的多通道微刺激器組成，能夠產(chǎn)生雙向電壓脈沖信號對動物機器人進行刺激，實現(xiàn)了無線刺激器對微型化、輕量化以及低能耗的要求。通過實驗證明了該系統(tǒng)的有效性、可靠性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞： 動物機器人； 無線單片機； 微刺激器； 雙向電壓脈沖信號

　動物機器人是指利用動物體的運動機能、動力供應(yīng)體制，從動物運動的感受傳入或神經(jīng)支配入手，實現(xiàn)對動物的運動和某些行為的人為控制[1]。與機電式機器人相比，在設(shè)計理念和控制方式上兩者有天壤之別：動物機器人的設(shè)計不需考慮復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu),控制上只需發(fā)送控制命令，具體動作由受控動物自己完成。不像機電式機器人的設(shè)計那樣，為使它完成某個簡單動作，設(shè)計者不得不進行大量的軟、硬件設(shè)計。此外，現(xiàn)代非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的機器人的運動平穩(wěn)性、靈活性、健壯性、環(huán)境適應(yīng)性及能源利用效率等方面遠遠落后于動物機器人[2]。
　近年來,動物機器人的研究受到越來越多的關(guān)注，科學(xué)家們已開展了對蟑螂機器人、老鼠機器人、甲蟲機器人、壁虎機器人的研制工作[3-6]，并且取得了許多令人振奮的成績。
　動物機器人的研究,關(guān)鍵是如何通過植入式電極，對動物腦內(nèi)的特殊核團施加有效的電刺激來控制動物的行為。電刺激用于腦研究已經(jīng)有很長的歷史，常用的方法是通過連接線將刺激裝置與動物頭部的刺激電極直接相連。雖然該方法常用于動物行為實驗，但連接線嚴重限制了動物的活動自由,而且連接線容易纏繞和斷裂，分散動物注意力或使其產(chǎn)生痛苦情緒，達不到完全自由控制的目的。因此，研究可靠且體積小、重量輕、能耗低、效率高、傳輸遠的動物機器人遙控系統(tǒng)就變得非常重要[7]。本文以鴿子為實驗動物，研制了一款微小型動物機器人無線遙控刺激系統(tǒng)。
1 無線遙控系統(tǒng)的組成
　無線遙控系統(tǒng)由無線遙控發(fā)射站和背負在動物身上的多通道無線遙控刺激器兩部分組成,如圖1所示。無線遙控系統(tǒng)的發(fā)射站由Labview 8.5的控制界面PC機和無線信號發(fā)射臺組成，通過USB進行通信。發(fā)射模塊上的無線單片機CC1110首先接收來自PC機上的刺激參數(shù)信號，數(shù)據(jù)接收完成后，根據(jù)已制定的數(shù)據(jù)格式來判斷數(shù)據(jù)是否正確，如果正確，則無線單片機將數(shù)據(jù)發(fā)射出去；如果數(shù)據(jù)錯誤，則無線單片機將數(shù)據(jù)丟棄，等待接收下一次數(shù)據(jù)。位于發(fā)射臺上的兩個不同的LED燈通過閃爍來提示操作者數(shù)據(jù)是否發(fā)送正確。無線遙控刺激器接收來自發(fā)射端的數(shù)據(jù)，首先判斷數(shù)據(jù)是否正確，然后根據(jù)接收的命令在特定的通道產(chǎn)生相應(yīng)的刺激信號，對動物進行控制。

1.1 基于LabView的控制面板的研制
位于PC機上的控制面板程序采用LabView 8.5軟件編寫，控制界面共分為：刺激通道選擇、刺激參數(shù)設(shè)置、串口通信設(shè)置、數(shù)據(jù)接收區(qū)和刺激命令發(fā)射。
動物機器人刺激系統(tǒng)共設(shè)計有8個獨立通道可選擇。刺激參數(shù)設(shè)置包括設(shè)置每個通道的刺激強度、刺激頻率、刺激脈沖寬度和刺激時間。每個通道的刺激強度從0~5 V可選，調(diào)節(jié)精度為0.1 V。刺激頻率和脈沖寬度可以根據(jù)實驗要求在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，刺激頻率的調(diào)節(jié)精度為1 Hz，脈沖寬度的調(diào)節(jié)精度為0.1 ms，刺激時間在0~255 s內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度為1 s。串口通信設(shè)置用來設(shè)置串口資源和串口波特率。數(shù)據(jù)接收區(qū)用來接收發(fā)射端反饋的信息。刺激命令用來發(fā)射刺激信號。
　在LabView中利用VISA節(jié)點進行串行通信編程。LabView將這些VISA節(jié)點單獨組成一個子模塊，共包含8個節(jié)點，分別實現(xiàn)初始化串口、串口寫/讀、中斷以及關(guān)閉串口等功能。在本文中用到如下節(jié)點：
(1)調(diào)用“VISA配置串口”節(jié)點完成參數(shù)的設(shè)置，包括串口資源分配、波特率等。在本系統(tǒng)中波爾率設(shè)為57 600 b/s，串口資源由計算機自動辨認。
(2)使用“VISA寫入”節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，使用“VISA讀取”節(jié)點接收數(shù)據(jù)。
(3)串口使用結(jié)束后，使用“VISA關(guān)閉”節(jié)點結(jié)束與指定串口之間的會話，關(guān)閉占用的串口資源。
　在進行實驗時，串口通信的任務(wù)是將上述參數(shù)打包并發(fā)送到發(fā)射基站。由于LabView串口只能讀寫字符串，因此，必須將雙精度的數(shù)據(jù)格式參數(shù)進行必要的變換才能進行傳輸。本文采用了“數(shù)組至字符串”的轉(zhuǎn)變命令將雙精度數(shù)據(jù)數(shù)組轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的字符串。為了防止計算機向無線信號發(fā)射臺傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，本系統(tǒng)規(guī)定了串口通信的數(shù)據(jù)包格式為：數(shù)據(jù)包的長度為24，數(shù)據(jù)的前兩位和后兩位都是字符“Y”。數(shù)據(jù)的正確與否由發(fā)射基站的MCU進行判斷，如果數(shù)據(jù)正確可將數(shù)據(jù)發(fā)射出去；如果數(shù)據(jù)錯誤則被自動舍棄，等待接收新的數(shù)據(jù)。
1.2 無線遙控發(fā)射臺和刺激器的研制
　遙控系統(tǒng)的控制器采用了美國TI公司的CC1110芯片。CC1110是一塊包含了CC1100 RF收發(fā)機,并內(nèi)嵌有加強型51內(nèi)核單片機的芯片。芯片內(nèi)嵌32 KB的Flash存儲器、4 KB的RAM存儲器、8通道8~14 bit A/D轉(zhuǎn)換器、1個16 bit定時器和3個8 bit定時器、2個UART/SPI、RTC和21個通用I/O?；贑C1100芯片的高性能無線收發(fā)器工作在433 MHz，頻率穩(wěn)定性好、靈敏度高、無線數(shù)據(jù)傳輸最大速度可達500 Kb/s，采用低供電電壓(2.3 V～3.6 V),在數(shù)據(jù)采集發(fā)送期間的電流消耗為18 mA，休眠期間，電流消耗非常低只有0.5 μA;工作溫度范圍為-40℃～85℃，適應(yīng)惡劣環(huán)境。CC1110采用6 mm×6 mm的QLP36封裝,對外部元件的需求量很低，無需外置濾波器或Tx/Rx開關(guān)，其外圍硬件電路如圖2所示。因此可最大程度減少電路設(shè)計的復(fù)雜性。

無線遙控發(fā)射臺的作用是接收來自計算機串口傳來設(shè)置的參數(shù)并發(fā)送到接收端刺激器，由AMS1117-3.3構(gòu)成的降壓穩(wěn)壓電路、CP2102構(gòu)成的串口通信電路和無線發(fā)射模塊組成。無線信號發(fā)射臺各部分電路的連接關(guān)系如圖3所示。在本系統(tǒng)中，通過USB供電，但是由于無線芯片的電壓在2.3 V~3.6 V之間，所以選用3.3 V降壓穩(wěn)壓芯片為無線發(fā)射模塊供電。