單片機(jī)設(shè)計經(jīng)驗技巧精華集錦（四）

　　1 簡介

　　DSP數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP），它是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。

　　在高速小車巡線、語音識別等領(lǐng)域DSP被廣泛應(yīng)用。但如果僅用DSP檢測幾個碰撞開關(guān)、控制幾個電機(jī)顯得大材小用。

　　七 新興控制器 FPGA

　　1簡介

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，系統(tǒng)設(shè)計師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。簡單說，如果使用者想開發(fā)一個用簡單數(shù)字邏輯電路就能控制的小車，又嫌搭電路麻煩，他就可用軟件給一個FPGA編程讓它實現(xiàn)數(shù)字電路功能去控制小車。即FPGA可被用來模擬各種電路。有的FPGA甚至能模擬51單片機(jī)的運行。因FPGA通過編程即可修改它模擬的電路結(jié)構(gòu)，因此在系統(tǒng)實驗、調(diào)試中很方便，很多愛好者嘗試用FPGA做機(jī)器人控制器。

　　八 更多可供選擇的單片機(jī)

　　我們選擇學(xué)一款單片機(jī)前首先要考慮自己面對的實際任務(wù)需要什么性能的單片機(jī)，然后在眾多性能滿足要求的單片機(jī)中作出選擇。此時我們還要考慮不同單片機(jī)的“應(yīng)用廣泛程度”，比方說：當(dāng)我們要做一個電子大賽智能小車，有AVR單片機(jī)和PIC單片機(jī)可滿足任務(wù)需要，如何在兩者中作出選擇需要考慮哪種單片機(jī)學(xué)起來比較容易、學(xué)習(xí)資料容易獲取、可供參考的程序和案例更加豐富、哪種單片機(jī)更容易獲得編程軟件和下載器等。筆者感覺要想做智能小車，AVR單片機(jī)的資料比較豐富。

　　世界上有種類繁多的單片機(jī)，它們當(dāng)中絕大多數(shù)都可用來控制機(jī)器人，但存在一個是否合適的問題。比如PLC是可編程控制器，當(dāng)然可以用來控制愛好者手中的機(jī)器人，但PLC多用于工業(yè)控制領(lǐng)域，設(shè)備龐大價格昂貴，同時不易獲得用PLC控制小型機(jī)器人的資料。愛好者選擇學(xué)一種單片機(jī)前，首先得明確自己要用單片機(jī)干什么，然后再選最合適的單片機(jī)學(xué)習(xí)。學(xué)單片機(jī)重在學(xué)精一兩種單片機(jī)，如果有人泛泛地學(xué)ARM、PLC、PIC、凌陽、DSP、FPGA等所有有名的單片機(jī)，那么他將無法擁有真正的深度開發(fā)能力。所謂深度開發(fā)，以AVR單片機(jī)為例，初學(xué)者可以用它實現(xiàn)小燈交替閃爍，中級技術(shù)人員可以用它控制參加比賽的機(jī)器人，而真正的高級開發(fā)人員可以用AVR實現(xiàn)機(jī)器視覺、無人機(jī)自動駕駛、坦克火控系統(tǒng)……

　　AVR單片機(jī)過時了嗎？

　　有初學(xué)者甚至中級開發(fā)人員認(rèn)為因ARM性能一般比AVR性能高，因此ARM將代替AVR，AVR將退出歷史舞臺，或者M(jìn)SP430將代替51系列單片機(jī)，或者FPGA將取代所有單片機(jī)等。這種看法不對，因為不同單片機(jī)都有各自的特點和優(yōu)點，沒有哪種單片機(jī)是完美的，在不同場合用最合適的單片機(jī)，發(fā)揮它們各自的特長，而不存在ARM一統(tǒng)天下，取代所有其他型號單片機(jī)的可能性。試想，原本十幾元的電子表因為采用ARM控制買到幾百元，誰能受得了？因此不要覺得AVR已經(jīng)過時，學(xué)完51就直接學(xué)ARM，或者覺得學(xué)51沒用，直接學(xué)ARM，否則你將碰壁。

　　MSP430系列單片機(jī)：比較適于機(jī)器人開發(fā)，是美國德州儀器推向市場的一種16位、具有精簡指令集的、超低功耗的混合信號處理器。具有Flash存儲器，中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在200~400uA左右，時鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1uA。MSP430系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗、模擬比較器、定時器、串口0、1、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10位/12位ADC、16位Sigma-Delta AD、直接尋址模塊（DMA）、IO端口、基本定時器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。MSP430 系列單片機(jī)引進(jìn)了JTAG技術(shù)，不僅使開發(fā)工具變得簡便，而且價格也相對低廉，并且還可以實現(xiàn)在線編程。

　　PIC單片機(jī)：可用于機(jī)器人開發(fā)，是8位單片機(jī)，產(chǎn)品種類豐富，采用精簡指令集，有不錯的開發(fā)環(huán)境，引腳驅(qū)動能力強(qiáng)，可直接連接繼電器控制強(qiáng)電。自帶看門狗，有睡眠和低功耗模式。很多性能不如AVR和MSP430系列單片機(jī)，但因其有特殊優(yōu)點，也被廣泛應(yīng)用。

　　凌陽單片機(jī)：比較適于機(jī)器人開發(fā)，以16位計算機(jī)為核心，集成不同規(guī)模的RAM、ROM和其他豐富的功能電路，使用者可以根據(jù)自己需要選擇集成了特定功能電路的凌陽單片機(jī)。凌陽單片機(jī)指令系統(tǒng)提供出具有較高運算速度的16位，16位的乘法運算指令和內(nèi)積運算指令，為其應(yīng)用添加了DSP功能，因此凌陽適合進(jìn)行語音識別。在我國凌陽單片機(jī)在學(xué)校比較常見，應(yīng)用實例較多，可作為機(jī)器人愛好者選用的單片機(jī)。

　　九 實例：用AVR單片機(jī)創(chuàng)造機(jī)器生命

　　1 什么是機(jī)器生命

　　機(jī)器生命就是一個能自主生存的機(jī)器，一個自動為生存下去而奮斗的機(jī)器。對于機(jī)器生命來說，生存的含義就是不斷電，繼續(xù)運行。機(jī)器生命具有完全自主決策、自主行動、活動于未知世界、不需人類參與就能持續(xù)運行并且自我維護(hù)等特征。影片《終結(jié)者》中的天網(wǎng)就是超級機(jī)器生命。《霹靂5號》描述了一個機(jī)器人從無生命到有生命的過程。

　　N.維納（Norbert Wiener，1894～1964）寫《控制論》時創(chuàng)造出第一個機(jī)器生命Wiener龜，這個機(jī)器龜僅有2個電子管組成的模擬計算機(jī)，但它卻能實現(xiàn)真正的烏龜覓食、睡覺、探索、逃避等行為，其表現(xiàn)如同一個有生命的生物一樣。機(jī)器龜上面有太陽能電池，當(dāng)自身電池快用完前，機(jī)器龜樂于尋找一個光線充足的地方充電，充滿電后可能找個地方睡懶覺，或者探索未知世界，它有避免碰撞和避免到傾斜地方的趨向，我們無法預(yù)知它的行蹤，因為它不是按照程序運行的，就如同我們自己一樣。后來維納在他的機(jī)器龜上又加了一個電子管，三個電子管連接成簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過對機(jī)器龜訓(xùn)練，維納通過搖鈴可控制機(jī)器龜?shù)男袨椤Ｕ缬猩飳W(xué)家訓(xùn)練狗使得狗聽到搖鈴聲后就流口水。

　　2 我們可以自己動手做一個機(jī)器寵物

　　我們今天有先進(jìn)的單片機(jī)，制作一個更好的機(jī)器生命其實不難。機(jī)器生命遠(yuǎn)比按固定程序運行的機(jī)器人好玩，就如同寵物狗比玩具狗好玩一樣。我們設(shè)想的機(jī)器生命可以是一個小型履帶式機(jī)器人，帶有太陽能板，能感受光線強(qiáng)弱，障礙物距離和碰撞，為了實現(xiàn)人機(jī)互動，該機(jī)器生命具有語音識別功能。試想你學(xué)習(xí)一天，回到寢室，叫一聲TONY，你的機(jī)器寵物轉(zhuǎn)身飛快跑向你，那種感覺只有寵物的創(chuàng)造者才能體會……

　　3 如何實現(xiàn)？如何設(shè)計電路？如何設(shè)計結(jié)構(gòu)？

　　這個機(jī)器生命方案采用ATmega16單片機(jī)做控制器，單片機(jī)的8路AD通道和其余24個IO接口都被使用。AVR單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換頻率高于音頻，可以用來進(jìn)行簡單的語音采集。機(jī)器生命的程序較復(fù)雜，而AVR單片機(jī)適合進(jìn)行快速復(fù)雜運算。本設(shè)計的電路板上除了ATmega16單片機(jī)外，還有2個LG9110電機(jī)驅(qū)動芯片、2個LM386音頻功放芯片，和LM393電壓比較器芯片，再加上少量電阻電容和三極管，電路簡潔，適合初學(xué)者和中級愛好者動手制作。

　　LCD采用通用1602模塊，支持3位控制線4位數(shù)據(jù)線，如果你采用IO口復(fù)用技術(shù)，可用6條線控制LCD模塊。

　　此方案涉及光電檢測、自動充電、語音識別、超聲波測距、鍵盤（4個碰撞開關(guān)）、LCD液晶顯示、電機(jī)驅(qū)動等技術(shù)，這些都是動手做簡單機(jī)器人的基本技術(shù)，如果愛好者能把這個機(jī)器生命做好，那么你的電路設(shè)計、調(diào)試經(jīng)驗和編程能力都會有很大的提高。

　　這個機(jī)器生命的技術(shù)含量相當(dāng)于20世紀(jì)70年代國際機(jī)器人領(lǐng)域的先進(jìn)水平。當(dāng)時已經(jīng)有很多非常精密和復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人被應(yīng)用，但這種簡單的機(jī)器人怎么能稱作先進(jìn)呢？因為技術(shù)的復(fù)雜和技術(shù)的先進(jìn)不是一個概念，復(fù)雜+精密不一定等于先進(jìn)。先進(jìn)的東西不一定復(fù)雜和精密。