張保新，黃閩華

（廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州，510663）

0 引言

隨著電子信息化與各行各業(yè)的不斷融合，特別是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷深入，對(duì)掌握嵌入式、通信、信息處理等廣泛綜合知識(shí)和技能人才的需求快速增加。但相關(guān)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)所需要的教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐條件卻無法跟上快速發(fā)展的步伐，現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)及環(huán)境，過于程式化、缺少靈活性和適應(yīng)性，民辦院校中問題尤為突顯。如何利用現(xiàn)有的主流設(shè)備、器件、開發(fā)手段，綜合設(shè)計(jì)開發(fā)出針對(duì)性強(qiáng)、靈活性好、便于獲得的物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成為迫切需要?；诖?，通過大量實(shí)踐活動(dòng)及綜合分析，設(shè)計(jì)開發(fā)了本平臺(tái)。該平臺(tái)（也可以看成是一種理念平臺(tái)）可以由最基本的部分搭建，隨著學(xué)生的知識(shí)不斷豐富，該平臺(tái)也可以進(jìn)行擴(kuò)展。通過購(gòu)買各種元件、組件來構(gòu)建本平臺(tái)，從最底層開始，鍛煉學(xué)生的自主解決問題的能力。與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)相關(guān)的三層體系中，該平臺(tái)可用于嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)開發(fā)、傳感器的使用、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制、通信的建立、應(yīng)用軟件開發(fā)設(shè)計(jì)等多個(gè)方面的教學(xué)與創(chuàng)新活動(dòng)。本平臺(tái)與常見的多功能試驗(yàn)箱相比，更側(cè)重于實(shí)踐性、創(chuàng)新性及易獲得性。

1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

本平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)基于四驅(qū)小車套件構(gòu)建，通過控制兩組（左、右各一組）減速直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的移動(dòng)性，包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、駐車等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，速度可調(diào)。這些工作，受控于通過藍(lán)牙通道無線連接的，位于移動(dòng)智能終端（遙控器）上的APP。移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和溫度（或其它類型）數(shù)據(jù)，顯示在信息顯示模塊的同時(shí)，也可以通過藍(lán)牙無線通道，傳遞給APP顯示。由于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和主要邏輯電路所需的電壓、電流均不同，本平臺(tái)使用由三只鋰電池構(gòu)成的電池組，經(jīng)電源適配模塊處理后分別供電。其總體邏輯框圖如圖1所示。

圖1 移動(dòng)平臺(tái)總體邏輯框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

下述的硬件設(shè)計(jì)過程中，不包括信息顯示、傳感器、電池適配模塊。這些基礎(chǔ)性和通用性強(qiáng)的模塊設(shè)計(jì)，可參考通用資料。

2.1 控制中心模塊設(shè)計(jì)與資源分配

基于STC89C52（替代AT89C52）型號(hào)單片機(jī)設(shè)計(jì)。該單片機(jī)具有片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，用于程序及數(shù)據(jù)表格的存儲(chǔ)，可通過在線編程（ISP）實(shí)現(xiàn)了程序下載及運(yùn)行，方便單片機(jī)硬件的開發(fā)調(diào)試，使環(huán)境擁有門檻降低。使用包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路的STC89C51的最小系統(tǒng)+CH340芯片構(gòu)成的USB-TTL接口，可以滿足本系統(tǒng)要求。為方便裝配，盡可能將P0～P3端口通過接插件輸出。可增加通過P0口+P2口構(gòu)建的LCD并行驅(qū)動(dòng)接口。如圖2所示。

圖2 控制中心電路

USB-TTL（UART/CH340）接口電路，除了具備程序下載、調(diào)試功能外，還可以用作為供電接口，電源參數(shù)為：電壓+5V，電流： 不小于500mA。 單片機(jī)資源的分配參見各分模塊設(shè)計(jì)說明。

2.2 可移動(dòng)載體的選用及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

由四驅(qū)小車機(jī)械套件構(gòu)建移動(dòng)平臺(tái)。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、同側(cè)同步運(yùn)行的設(shè)計(jì)方案。通過L298專用驅(qū)動(dòng)芯片將單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)命令轉(zhuǎn)換成高壓、大電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制直流電機(jī)按需運(yùn)轉(zhuǎn)，具體電路連接如圖3所示。通過IN1～I(xiàn)N2，IN3～I(xiàn)N4的控制信號(hào)的不同組合，經(jīng)L298通過差分驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的停止、前進(jìn)、倒退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等行為狀態(tài)；電機(jī)速度調(diào)控電路參見圖3中的enx信號(hào)，該信號(hào)使用PWM脈寬調(diào)制格式，信號(hào)的周期采用500Hz。通過改變PWM的占空比，經(jīng)過L298的使能端ENA、ENB對(duì)電機(jī)提供不同的電能，達(dá)到調(diào)速的目的。L298正常工作需要+5V和+12V電源，分別給邏輯電路及驅(qū)動(dòng)電路供電，驅(qū)動(dòng)電路的瞬時(shí)電流可達(dá)3A，確保了電機(jī)具備良好工作性能。

2.3 串口通信及藍(lán)牙模塊的設(shè)計(jì)

受AppInventor2（簡(jiǎn)稱AI2）軟件開發(fā)工具限制，選用2.0版的藍(lán)牙模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些模塊出廠時(shí)缺省設(shè)置為直連模式，只需將單片機(jī)的UART接口按需設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信。設(shè)計(jì)過程中，要注意接口電平之間的匹配（TTL 5V<-->LVTTL3.3V），具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)及藍(lán)牙模塊連接電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入軟件

使用KeiluVision+C51軟件工具編寫由多文件（模塊）構(gòu)成的嵌入式程序。

3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

在初始化部分，定義了結(jié)構(gòu)類型Car、對(duì)應(yīng)的變量（smartCar）及指針（pCar），用于表示平臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分?jǐn)?shù)字模型，參考程序如下：

嵌入程序?qū)@該變量展開設(shè)計(jì)。主流程圖如圖4所示。

圖4 嵌入式主程序流程圖

3.1.2 200μs定時(shí)中斷及驅(qū)動(dòng)函數(shù)程序設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)定時(shí)器1實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)裝載為200μs的周期性定時(shí)，在計(jì)數(shù)溢出時(shí)發(fā)出中斷申請(qǐng)；對(duì)應(yīng)的中斷處理程序完成時(shí)基的累積（為系統(tǒng)提供節(jié)拍器）及調(diào)用平臺(tái)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，根據(jù)smartCar參數(shù)（如收到的操作指令）來改變平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Timer1中斷處理流程圖參看圖5，關(guān)鍵程序參考如下：

圖5 Timer1中斷處理流程圖

3.1.3 串口通信程序設(shè)計(jì)

使用藍(lán)牙模塊出廠默認(rèn)設(shè)置（直連模式）；在通信連接之前，需要事先完成藍(lán)牙設(shè)備之間的配對(duì)工作。所有對(duì)通信口的編程工作，均僅對(duì)單片機(jī)UATR接口展開，共包括三部分：其一：初始化，將串口按9600-8-N-1的格式設(shè)置；其二：數(shù)據(jù)發(fā)送部分，由于其實(shí)時(shí)性要求不高，使用查詢方式進(jìn)行；數(shù)據(jù)接收部分：移動(dòng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)性，在本平臺(tái)中具有最高級(jí)別，因此采用中斷方式進(jìn)行處理，并對(duì)smartCar變量進(jìn)行賦值。其三：數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)，由于來自APP的指令比均由單byte數(shù)據(jù)組成（單ASCII字符），加之藍(lán)牙通信的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)接收部分，未做特殊處理；發(fā)送信息由字符型數(shù)組構(gòu)成，長(zhǎng)度為18，具體信息如圖6所示。

圖6 發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3.1.4 傳感器相關(guān)程序設(shè)計(jì)

BS18B20傳感器采用1wire的接口方式，其初始化過程和數(shù)據(jù)采集讀取去方式采用常規(guī)方式即可。這里需要注意兩點(diǎn)：其一是時(shí)隙配置問題。使用軟件來模擬來1wire接口，通過軟定時(shí)加上適當(dāng)?shù)膮?shù)配置可較好滿足要求。其二是數(shù)據(jù)處理的問題，下面程序可作為參考：先將兩個(gè)8bits數(shù)據(jù)合成為有符號(hào)的int型數(shù)據(jù)，再乘以加權(quán)值“0.0625”。

這種算法適用于12bits溫度數(shù)據(jù)格式，此時(shí)的采樣間隔最好大于1秒。

3.2 APP設(shè)計(jì)

移動(dòng)平臺(tái)的遙控及數(shù)據(jù)顯示APP，使用圖形化的AI2編程工具設(shè)計(jì)開發(fā)完成。非常適合非軟件專業(yè)的人員快速開發(fā)特有移動(dòng)應(yīng)用APP。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 電路方真

使用ProteusEDA工具繪制主要功能電路圖（51系列），如圖7所示。

圖7 平臺(tái)主要功能仿真電路

示波器（T2）用于電路工作波形觀察；虛擬終端（T1）可用于仿真串口通信，RS232仿真器件（P1）可實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)物理串口連接，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，再配合“串口助手”等工具，可以完成與通信相關(guān)的功能測(cè)試及故障定位。

4.2 APP調(diào)試調(diào)試

通過獨(dú)立的藍(lán)牙模塊+串口助手，直接觀察各種收發(fā)數(shù)據(jù)傳遞的過及其正確性。

4.3 實(shí)物裝配及聯(lián)調(diào)

模塊裝配布局優(yōu)先考慮平臺(tái)移動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性、方便安裝維護(hù)及美感。如電池組盡量放置在移動(dòng)平臺(tái)的幾何重心上、兩塊帶有散熱片的L298組件放置在平臺(tái)頭部，LCD顯示器放置在尾部等布局，藍(lán)牙模塊的天線部分不要被遮擋。使用杜邦線按設(shè)計(jì)圖連接各模塊，通過熱熔膠對(duì)各模塊進(jìn)行固定。實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 移動(dòng)平臺(tái)實(shí)物圖（右側(cè) APP界面）

實(shí)際電路與仿真電路存在著一定差別，實(shí)物參數(shù)的離散性，可能導(dǎo)致各模塊之間的配合失當(dāng)，這主要是程序運(yùn)行時(shí)間分配不合理造成的。通過適當(dāng)調(diào)整定時(shí)器、中斷選則及處理、時(shí)延函數(shù)的偏差等方式，來滿足各模塊實(shí)時(shí)性要求，直至全部模塊能夠正常穩(wěn)定工作。

5 結(jié)束語

由于51單片機(jī)的資源限制，增加過多功能，可導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)失敗。如需要可更換性能更強(qiáng)的單片機(jī)做控制中心（如增強(qiáng)型51系列、arduino系列、Cortex-Mx系列、RISC-V系列等）；也可以增加通信和應(yīng)用處理能力（如WIFI+中移物網(wǎng)OneNet/阿里云Iot等），以適應(yīng)更廣的需求。

本平臺(tái)還何以用于產(chǎn)品安裝工藝的訓(xùn)練。一個(gè)良好的產(chǎn)品，沒有必要的生產(chǎn)安裝工藝作保障，是達(dá)不到預(yù)期目的的。貼近產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的實(shí)戰(zhàn)過程，也是初衷之一。