下位机舵机控制板设计与应用

下位机的控制由一块多路舵机控制电路板来实现，如图3-3所示。其主要模块有PIC16F877A单片机、串口通信模块、无线接收模块、无线发射模块、电源模块、舵机驱动电路模块和大容量串行E² PROM模块。下面分别对各模块的结构及功能进行详细介绍。

图3-3 PIC控制电路板

1.PIC16F877A单片机

该多路舵机控制板采用的单片机为PIC16F877A。

单片机是指将中央处理单元CPU、程序存储器ROM、数据存储器RAM以及输入输出端口（I／O口）等部件集成在一片大规模或超大规模集成电路上的超微型计算机。

PIC系列单片机的硬件设计简洁，指令系统设计精炼。选择用这一系列的单片机主要因为其具有以下的优点：

1）哈佛总线结构：所谓哈佛总线结构，也就是程序存储器和数据存储器位于不同的逻辑空间，而数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度。

2）指令单字节化：因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序存储器ROM和数据存储器RAM的寻址空间（即地址编码空间）是相互独立的，而且两种存储器宽度也不同。这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速度和实现全部指令的单字节化。

3）精简指令集（RISC）技术：PIC系列单片机不仅全部指令均为单字节指令，而且绝大多数指令为单周期指令，有利于提高执行速度。

4）寻址方式简单：PIC系列单片机只有4种寻址方式（即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址），容易掌握。

5）代码压缩率高：1KB的存储空间，对于像MCS-51这样的单片机，大约只能存放600条指令，而对于PIC系列单片机则能够存放的指令条数多达1024条。

6）运行速度快：由于采用哈佛总线结构，并且指令读取和执行采用流水作业方式，使得运行速度大大提高。

7）功耗低：PIC系列单片机的功率消耗极低，有些型号甚至在4MHz时钟下工作时电流不超过2mA，在睡眠模式下电流可以达到1μA以下。

8）驱动能力强：I／O端口驱动负载的能力较强，每个I／O引脚输入和输出电流的最大值可以分别达到25mA和20mA，能够直接驱动发光二极管LED、光耦合器或者微型继电器。

9）I2C和SPI串行总线端口：用这两种串行总线技术可以实现芯片间同步串行数据传输。

10）寻址空间设计简洁：PIC系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址（或抵制编码），而且前两者的地址安排不需要用户操心。

11）外接电路简洁：PIC单片机内集成了上电复位电路、I／O引脚上拉电路、看门狗定时器等，可以最大限度地减少或免用外接元器件。

12）开发方便。

13）C语言编程。

14）品种丰富。

15）程序存储器版本齐全。(www.xing528.com)

16）程序保密性强。

PIC16F877的工作频率范围为DC-20MHz，具有上电复位（Power-on Reset）和掉电锁定复位（Brown-out Reset）两种重置功能，以及上电定时器和晶振起振定时器。除一个看门狗定时器外，另外还有三个定时器和两个CCP模块，串行通信模式方面共支持USART、SPI和I2C。

可以用几个不同的中断源激活处理器从休眠状态中苏醒，并具有固定的中断开销时间，同步中断是3个周期。用户可以根据需要存储／恢复寄存器。

2.通信模块

串口通信模块是整个系统与PC发送及接收数据和命令的通道，PC将外界信息进行处理和计算，得出结果，然后将动作指令号发送到下位机。下位机接收到动作指令后输出PWM波控制舵机运动。数据的发送和接收有两种方式：即有线模式和无线模式。本设计采用有线的串口通信。

SP3232C专用模块负责接收上位机发来的动作指令号，其电路原理图如图3-4所示。

图3-4 串口通信模块电路图

3.电源模块

情感机器人所需电压共分两种，一种是给舵机供电的6V电压，一种是给各个芯片供电的3.3V电压，为了解决不同电压的问题，本文采用LM1117电源芯片，将电池的6V电压转换成3.3V电压，这样就可以用一个电源产生两种电压值（代号分别为VIN和VCC3.3）分别给舵机和各个芯片供电。电源模块原理图如图3-5所示。

图3-5 电源模块原理图

4.舵机驱动电路模块

舵机驱动电路主要由一个三针插座以及与之相配套的电阻构成，具体实现功能是为舵机提供工作电源，发送控制脉冲，其原理图如图3-6所示，PHX与PIC单片机控制脉冲与发送I／O口相连，6V为舵机的工作电压，电压VCC为上拉电压，保证由PHX发送过来的控制脉冲可以可靠的被舵机接收。

图3-6 舵机原理图

5.大容量串口存储器

多路舵机控制板能够接收上位机PC发来的各种指令，并能按照用户事先编制好的动作来控制各电机有条不紊的运动，必然要求电路板上接有足够容量的存储器。本电路板先用的存储器是AT24C512大容量串口存储器。其原理和外围电路如图3-7所示。

图3-7 AT24C512大容量串口存储器外围电路原理图