| 基于單片機(jī)的超聲波電機(jī)無線控制研究
安瑜彬，曾勝華，金龍
(1東南大學(xué)，江蘇南京201196；2．國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇南京2l0003)
摘要：介紹了用MsP430單片機(jī)作為核心的超聲波電機(jī)無線控制系統(tǒng)的研究。以cc2500作為無線模塊，運(yùn)用zigBee協(xié)議在遙控器和超聲波電機(jī)控制器之間建立無線連接，由遙控器上的單片機(jī)向終端DsP發(fā)出命令，再由DsP對(duì)超聲波電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；無線控制；單片機(jī)；zigBee
O引言
超聲波電機(jī)是上世紀(jì)80年代興起的一種全新概念的微電機(jī)，它完全不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，有著獨(dú)特的基本運(yùn)行原理：在振動(dòng)體的壓電陶瓷振子上施加高頻交流電壓，利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生幾十千赫的超聲波振動(dòng)，將這種振動(dòng)通過振動(dòng)體與移動(dòng)體問的摩擦耦合，變換成移動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)或贏線運(yùn)動(dòng)。超聲波電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理決定了它的突出優(yōu)點(diǎn)：低速大轉(zhuǎn)矩、無電磁干擾、動(dòng)作響應(yīng)快、無輸入自鎖等，因此，在精密控制等領(lǐng)域比傳統(tǒng)電機(jī)有更強(qiáng)的適應(yīng)性。
目前的超聲波電機(jī)控制系統(tǒng)都是在有線數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這類系統(tǒng)在距離較短，控制對(duì)象較少的情況下還是比較實(shí)用的。當(dāng)控制對(duì)象相隔上百米、而數(shù)量又比較多的時(shí)候，無線控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)實(shí)地的發(fā)出控制信號(hào)，相比有線系統(tǒng)有著更大的優(yōu)越性。參考韓國Piezoelectric Technology公司的窗簾遙控器產(chǎn)品，本文介紹了一種以單片機(jī)為核心單元的超聲波電機(jī)無線控制系統(tǒng)的研制。該系統(tǒng)由遙控器和終端控制器兩部分組成，遙控器以MsP430單片機(jī)為核心，加載液晶、鍵盤、無線模塊和電源模塊；終端控制器以DsP為核心，同時(shí)包括無線模塊、驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、目標(biāo)電機(jī)和光電編碼器等。
1設(shè)計(jì)方案
作為無線控制系統(tǒng)，遙控器將被設(shè)計(jì)成手持便攜式，主要出于以下原因：1)便于在操作的同時(shí)到現(xiàn)場檢查調(diào)試；2)便于以后添加節(jié)點(diǎn)，增大控制距離；3)固定式的遙控器完全可以用有線控制實(shí)現(xiàn)，采用便攜式的遙控器更能體現(xiàn)無線控制優(yōu)勢。
遙控器采用兩節(jié)干電池供電，在擁有鍵盤的同時(shí)，為方便操作加入液晶模塊，無線模塊采用利爾達(dá)公司的LsDRF2400A12。為延長電池的使用壽命，遙控器端的核心元件采用TI公司的超低功耗單片機(jī)MsP430F2232，同時(shí)對(duì)液晶和電源模塊均采用低功耗的設(shè)計(jì)思想。終端控制器的核心元件是同樣來自TI的TMs320F2810，單片機(jī)和DsP都通過SPI與無線模塊進(jìn)行通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圈l所示。
遙控器絕大部分時(shí)間都處于低功耗狀態(tài)，當(dāng)有鍵值輸入時(shí)，單片機(jī)會(huì)被喚醒，同時(shí)點(diǎn)亮液晶。根據(jù)液晶的顯示內(nèi)容操作鍵盤來輸入命令，單片機(jī)分析鍵值，將操作結(jié)果反映到液晶上的同時(shí)，控制無線模塊向終端控制器發(fā)出指令。指令的主要包括地址指令和數(shù)據(jù)指令，地址指令是指終端的物理地址，數(shù)據(jù)指令是指對(duì)應(yīng)目標(biāo)終端將實(shí)施的控制指令。目標(biāo)終端收到命令后，無線模塊通過s Pl將命令送至DsP，DsP進(jìn)行處理后對(duì)超聲波電機(jī)做出相應(yīng)控制。
1 1遙控器設(shè)計(jì)
顯示部分使用0802液晶模塊，與單片機(jī)之間采用4線式連接，為鍵盤操作提供必要的指示。0802液晶的供電電壓是5v，而電池只提供單片機(jī)需要的1. 8～3. 3V。因此，為液晶建立單獨(dú)的電源電路，同時(shí)，單獨(dú)的供電也是低功耗設(shè)計(jì)做必須的。液晶供電電路如圖2所示。
電路中，sP664lBEK-5. 0這個(gè)元件用來實(shí)現(xiàn)將3V的電壓轉(zhuǎn)化為液晶要求的5V；以場效應(yīng)管Q1和三極管Q2為主的電路實(shí)現(xiàn)液晶的低功耗設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)液晶低功耗的原理：當(dāng)遙控器處于低功
耗狀態(tài)時(shí)液晶熄滅，按下任意鍵以中斷方式喚醒單片機(jī)，同時(shí)有一個(gè)GPIO口向Vi/o輸出Vcc(約3v)，從而令02導(dǎo)通，進(jìn)一步使01導(dǎo)通，此時(shí)sP6641BEK-5 0得到約為3v的輸入電壓(****可到1. 2v)，最終向0802液晶輸出5v的工作電壓。利用MSP430的定時(shí)器功能，當(dāng)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒有鍵值輸入時(shí)，液晶將被關(guān)閉。
遙控器共包括7個(gè)按鍵，采用獨(dú)立式硬件連接方式，單片機(jī)以中斷方式判斷鍵值，主要用軟件方法實(shí)現(xiàn)去抖動(dòng)功能。這種軟件去抖動(dòng)方法的邏輯表達(dá)式如下：
其中：K是最終確定的鍵值，K1是程序讀到鍵值，k2是上一次Kl的值，可見，最終確定的鍵值不僅與當(dāng)前讀到的值有關(guān)，還與過去確定的鍵值有關(guān)。這種方法與傳統(tǒng)的加固定延時(shí)的去抖動(dòng)思想一致，解決了傳統(tǒng)方法中浪費(fèi)Mcu資源的問題，是低功耗的理想選擇。經(jīng)過變化，此方法還能應(yīng)用于需要長按鍵和重復(fù)按鍵的鍵盤模塊。
無線模塊和單片機(jī)通過sPI進(jìn)行通信，硬件連接除了常規(guī)的SIM0、s0MI、cLK和csn之外，無線模塊上還有GDOO和GD02這兩個(gè)引腳，它們主要用于測試信號(hào)輸出，F(xiàn)IFO狀態(tài)輸出，復(fù)位信道指針和時(shí)鐘信號(hào)輸出，這兩個(gè)引腳的連接有助于后期對(duì)zigBee：的完善。
1 2控制器終端設(shè)計(jì)
系統(tǒng)終端主要是在超聲波電機(jī)控制器uMc60—M81的基礎(chǔ)上，添加無線模塊，并在硬件連接上做適當(dāng)?shù)母囊苑媳鞠到y(tǒng)的要求。DsP與cc2500同樣采用4線sPI進(jìn)行通信，但并沒有采用DsP默認(rèn)的使能引腳sPIsTEA，而是采用軟件方式經(jīng)過一個(gè)GPIO口來提供片選信號(hào)。這樣做的目的是盡量少的修改原控制器的硬件連接，避免出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤；并且在編寫通信程序時(shí)不需對(duì)原程序作太多的修改。
2無線通信的設(shè)計(jì)
該無線控制系統(tǒng)的重點(diǎn)是協(xié)調(diào)器和子節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)，即建立遙控器和終端控制器的無線連接。在ZigBee協(xié)議中，為避免網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或兩個(gè)以上的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出現(xiàn)沖突，引入了cSMA/cA協(xié)議。其基本工作流程如下：1、發(fā)送數(shù)據(jù)前先監(jiān)聽信道狀態(tài)，在沒有其他設(shè)備使用信道的情況下維持一段時(shí)間，再等待一段隨機(jī)的時(shí)間(因設(shè)備不同而異)后如果信道依然空閑，就發(fā)送數(shù)據(jù)。2、在確認(rèn)信道空閑后，發(fā)送端先向接收端發(fā)送一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，請(qǐng)求被同意后才將數(shù)據(jù)發(fā)出。接收端在收到數(shù)據(jù)后會(huì)回復(fù)一個(gè)AcK數(shù)據(jù)包，若這個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容出現(xiàn)錯(cuò)誤或沒有內(nèi)接收到，都將認(rèn)為這次發(fā)送失敗，需要熏新發(fā)送。
圖3中的左圖和右圖分別顯示了子節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器建立連接的標(biāo)準(zhǔn)工作流程。在建立連接前，子節(jié)點(diǎn)將自己切換到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)所在的信道和PANID并打開Tx，同時(shí)協(xié)調(diào)器打開Rx，等待子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求。協(xié)調(diào)器收到請(qǐng)求后給子節(jié)點(diǎn)一個(gè)回復(fù)，表示收到請(qǐng)求。子節(jié)點(diǎn)收到回復(fù)后等待一段時(shí)間，在這段時(shí)間里協(xié)調(diào)器判斷是否同意該節(jié)點(diǎn)的加入，等待結(jié)束后子節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)出數(shù)據(jù)
請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器根據(jù)判斷結(jié)果，若同意入網(wǎng)，則給節(jié)點(diǎn)發(fā)送包括物理地址，信道和PANID在內(nèi)的組網(wǎng)信息；若不同意，則回復(fù)一個(gè)拒絕請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包。
遙控器和終端之間的數(shù)據(jù)以幀的形式進(jìn)行傳輸，幀由幀頭、有效載荷和校驗(yàn)碼三部分組成。幀頭包括了幀控制信息，目標(biāo)設(shè)備和源設(shè)備的地址和PANID；有效載荷即我們要傳輸?shù)膬?nèi)容；校驗(yàn)碼用來驗(yàn)證數(shù)據(jù)包的是否正確發(fā)送。
3結(jié)語
根據(jù)以上方案完成了遙控器的研制，如圖4所示。用它配合加載了無線模塊的超聲波電機(jī)控制器(uMc60一M81)和超聲波電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它既確保了無線通信的可靠性和穩(wěn)定性，也讓超聲波電機(jī)的優(yōu)越性能得到了更充分的體現(xiàn)。該無線控制系統(tǒng)的研制為超聲波電機(jī)開辟未來發(fā)展道路打下了基礎(chǔ)。
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