卓越之星——机器人创意搭接套件

1.Debugger 多功能调试器

UP-Debugger 多功能调试器集成了USB-232、半双工异步串行总线、AVRISP 三种功能，体积小巧、功能集成度高，是一种可靠且方便的调试设备。通过功能选择按钮可以让调试器的工作模式在RS232、AVRISP、数字舵机调试器之间相互切换；可以对AVR 控制器进行串口通信调试和程序下载；可以对proMOTION CDS5500 数字舵机进行调试和控制。具体功能及接口定义如图16-19 所示。

电路板背面用有机玻璃垫起作为保护，元器件面由于有接插件，没有做遮挡，故在使用时注意不要短路。

（1）RS232 模式

按“Function Select”（功能选择）按钮，让RS232 的指示灯亮起，表明调试器工作在RS232 模式，其使用方式和其他的USB-232 没有差异。在RS232 通信时，如图16-19 所示的通信指示灯会闪烁。

（2）AVRISP 模式

按“Function Select”（功能选择）按钮，让AVRISP 的指示灯亮起，表明调试器工作在AVRISP 模式。在下载时，指示灯为红色，下载完成或者等待时指示灯为绿色。

（3）Robot Servo（机器人舵机）模式

按“Function Select”（功能选择）按钮，让Servo 的指示灯亮起，表明调试器工作在Robot Servo 模式。将机器人舵机接到调试器的“机器人舵机接口”，如果舵机还没有供电，可以通过舵机电源接口对其进行供电。需要注意的是，舵机的工作电压是6.5～9 V，不要超过这个电压范围。

图16-19　多功能调试器接口定义

2.proMOTION CDS 系列机器人舵机

proMOTION CDS 系列机器人舵机属于一种集电动机、伺服驱动、总线式通信接口为一体的集成伺服单元，主要用于微型机器人的关节、轮子、履带驱动，也可用于其他简单位置控制场合。卓越之星套件使用的舵机属于该系列，它具有大扭矩（扭矩可达16 kgf·cm）、高转速（最高0.16 s/60°输出转速）、宽电压（供电范围：DC 6.8～14 V）、高分辨率、双端安装方式（适合安装在机器人关节）、高精度全金属齿轮组、连接处O 形环密封（防尘防溅水）等特点。它有两种工作模式：位置伺服控制模式下转动范围为0°～300°；电动机控制模式下可实现整周旋转，开环调速。此外，该舵机还具备位置、温度、速度、电压反馈的功能。

（1）引脚定义

proMOTION CDS 系列机器人舵机电气接口如图16-20 所示，两组引脚定义一致的接线端子可将舵机逐个串联起来。

图16-20　机器人舵机电气接口

（2）舵机通信方式

CDS55××采用异步串行总线通信方式，理论上多至254 个，机器人舵机可以通过总线组成链型，通过UART 异步串行接口统一控制。每个舵机可以设定不同的节点地址，多个舵机可以统一运动也可以单个独立控制。

CDS55××的通信指令集开放，通过异步串行接口的上位机（控制器或PC 机）通信，可对其进行参数设置和功能控制。通过异步串行接口发送指令，CDS55××可以设置为电动机控制模式与位置控制模式。在电动机控制模式下，CDS55××可以作为直流减速电动机使用，速度可调；在位置控制模式下，CDS55××拥有0°～300°的转动范围，在此范围内具备精确位置控制性能，速度可调。

只要符合协议的半双工UART 异步串行接口都可以和CDS55××进行通信，对CDS55××进行各种控制。其主要有以下两种形式：

方式1：通过调试器控制CDS55××。

PC 机会将调试器识别为串口设备，上位机软件通过串口发出符合协议格式的数据包，经调试器转发给CDS55××。CDS55××会执行数据包的指令，并返回应答数据包。

方式2：通过专用控制器控制CDS55××。

方式1 可以快捷地调试CDS 系列机器人舵机，修改各种性能的功能参数。但是，这种方式离不开PC 机，不能搭建独立的机器人构型。当然也可以设计专用的控制器，通过控制器的UART 端口控制舵机。

CDS 系列机器人舵机用程序代码对UART 异步串行接口进行时序控制，实现半双工异步串行总线通信，通信速度可高达1 Mb/s，且接口简单、协议精简。

3.ROBOT SERVO TERMINAL 数字舵机调试终端

ROBOT SERVO TERMINAL 是调试机器人舵机CDS55××的调试软件。控制器和舵机之间采用问答方式通信，控制器发出指令包，舵机返回应答包。一个网络中允许有多个舵机，所以每个舵机都分配有一个ID 号。控制器发出的控制指令中包含ID 信息，只有匹配上ID号的舵机才能完整接收这条指令，并返回应答信息。

机器人舵机CDS5516 的通信方式为串行异步方式，一帧数据分为1 位起始位、8 位数据位和1 位停止位，无奇偶校验位，共10 位。CDS5516 上电后首先进入固件更新等待时间，等待0.6 s，在这期间不响应任何指令，0.6 s 后才运行程序，开始正常工作。

调试CDS55××数字舵机时，首先按照图16-21 所示建立正确的电气连接，然后在PC上运行ROBOT SERVO TERMINAL。注意将UP-Debugger 多功能调试器切换到Servo 模式。

图16-21　电气连接示意图

（1）修改CDS55××的ID

CDS55××出厂时，默认ID 是1。实际使用之前，需要根据实际使用情况来修改ID，以保证串行总线上两台CDS55××的ID 不会相同。

下面通过实例来介绍修改舵机ID 的方法，本例中将ID 为1 的CDS55××的舵机ID 设置为10。

在电气连接正确的前提下，运行ROBOT SERVO TERMINAL.exe，会出现如图16-22所示的界面。

图16-22　ROBOT SERVO TERMINAL 界面

CDS55××默认波特率是1 000 000，可以根据需要进行更改。下面对图16-22 所示的设置说明如下：

Single Node：单节点模式，如果选择了该选项，查找舵机时采用广播指令查找，查找速度较快；如果连接了多个（大于一个）舵机，选择该模式可能会查找不到舵机。

Single Baud：单波特率查找模式，以Baud 下拉框中当前选中的波特率进行查找。

All Baud：全波特率模式，逐一使用Baud 下拉框中的波特率进行查找；正确选择串口号后，单击“Search”，程序会自动打开串口并开始查找舵机。如果连接正确，列表框中就会出现当前连接的舵机ID 和波特率。如果需要查找的ID 已经出现，即可单击“Stop”停止查询，如图16-23 所示。

查找到舵机后，单击“Stop”进入CDS55××的Operate 属性页面，如图16-24 所示。

首先在下拉框中选中要修改ID 的舵机，这里只有一个ID 为1 的舵机。在右侧Primary Set 窗口“ID”输入框中输入“10”，单击旁边的“Set”按钮，即变为如图16-25 的界面。

如图16-26 所示，可以看到设备ID 号由1 变为10，说明修改成功。CDS55××断电后ID 会自动保存。波特率、返回值、返回延时的设置方法和ID 设置一样。

图16-23　查找电机

图16-24　停止查找

图16-25　修改ID

图16-26　修改ID 成功

（2）CDS55××的基本操作

单击“Operate”按钮，进入如图16-27 所示的“Operate”属性页。

图16-27　“Operate”属性页

“Primary Set”选项是舵机的基本设置，修改舵机ID 时已经做过介绍。“Baud”“Return”“Return Delay”的设置和ID 设置相同，这里不再介绍。

“Servo Operation”选项中，“ID”输入框用于输入当前组中操作对应的舵机ID，“Torque”复选框用于设置CDS55××的卸载模式，勾选后舵机力矩输出，否则舵机将保持卸载状态。可以给CDS55××转轴装上舵盘，用手拧转舵盘，观察“力矩输出”和“卸载”的状态差别，卸载模式下轻轻用力就可以扭动舵盘，力矩输出模式下舵机能够锁紧当前位置。“Led On”用于打开CDS55××内部的LED 指示灯。Servo 模式和Motor 模式用于设置舵机工作模式，CDS55××可以作为总线式的角度伺服舵机工作，也可以作为直流调速电动机工作。

“Error Instruction”选项用于显示当前舵机的错误状态，在使用过程中，任何一种错误状态被触发，相应的状态指示灯会变成红色。默认情况下，发生过载或过热时CDS55××将强制卸载以保护舵机。错误标志的含义如表16-3 所示。

表16-3　错误标志的含义

续表

“Status Monitor”选项中，显示当前舵机的速度、位置、PWM 输出、电压和温度值。

（3）配置CDS55××的限制参数

如图16-28 所示，单击“Limit”按钮进入属性页，进入CDS55××各种限制参数配置页面。

图16-28　Limit 属性页

ID 组用于输入要设置的舵机ID 值。

“Position Limitation”选项用于设置CDS55××的角度限制。CDS55××在舵机模式下，有效的角度控制范围是0°～300°，对应的控制量为0～1 023。在某些运用场合，可能需要限制舵机的转角，比如舵机转过200°之后可能出现卡死的情况，此时可以将角度限制设置为0～682（682 对应200°），当给定舵机位置大于682 时，舵机会保持在682。窗口中上面的滑动条用于设置角度上限，下面的滑动条用于设置下限。单击“Read Pos”可以将舵机当前位置读取到对应的滑动条上，右侧的文本会显示当前值。

“Voltage Limitation”选项用于设置CDS55××的电压限制。CDS55××的工作电压是6.5～10.5 V，低于6.5 V CDS55××将不能正常工作，高于10.5 V 会烧毁CDS55××。窗口中右侧的滑动条用于设置电压上限，左侧的滑动条用于设置下限。

“Torque Limitation”选项用于设置CDS55××的转矩。该设置通过限制CDS55××的最大工作电流，起到限制CDS55××的最大输出扭矩的作用。在需要长时间堵转的场合常常用到这个功能。

“Led Error Flag”用于自定义7 种工作异常的触发效果。例如选择了“Command Error”选项时，如果对CDS55××发送错误的指令，CDS55××内部电路板的指示灯将会亮起。

“Unload Flag”用于设置CDS55××的卸载条件，如果选择了某个选项，则当对应的选项触发时，CDS55××卸载。

4.LUBY 控制器

LUBY 是基于STM32 单片机的控制器，配置有16 路AD 接口用于传感器的数据输入，6路输出接口用于驱动LED、蜂鸣器、模拟舵机等外部设备。系统内置了蓝牙模块和基于CC2530 的ZigBee 无线通信平台，能方便地进行组网。LUBY 控制器示意图如图16-29 所示，具体参数如下：

图16-29　LUBY 控制器示意图

1) STM32103VCT6@72MHz;

2）外置RS232 串行接口2 个；

3）程序U 盘拷贝模式和直接下载两种下载模式；

4）机器人数字舵机接口（支持级联），且完全兼容Robotis Dynamixel AX12 +；

5）6 路通用TTL 电平IO 输出端口，GND/ +6V/SIG 三线制（有三角标志的是GND）；

6）R/C 通用模拟舵机接口；

7）16 路12 位精度（0～4 095）ADC 复用的TTL 电平输入端口（0～5V），GND/ +5 V/SIG 三线制；

8）4 个可配置的按键输入；

9）12 路复用的、可配置的外部中断输入，其中包括4 路按键输入；

10）具备蓝牙收发功能，波特率为115 200 b/s，支持自定义数据接收中断；

11）具备ZigBee 通信功能，波特率为19 200 b/s，支持使用串口命令对其操作；

12）4 个32 位可支配的计时器，最小计时单位为1 μs，支持自定义计时器中断。

LUBY 控制器电气接口如下：

1）两个舵机接口如图16-30 所示，主要用于供电和连接舵机总线。

图16-30　舵机接口

2）A0～A15：模拟量输入接口如图16-31 所示，供电电压为5 V，用于连接传感器（仅用作输入）。

图16-31　模拟量输入接口

3）Q0～Q5：数字量输出接口如图16-32 所示，供电电压为6 V，用于连接执行器（可以驱动模拟舵机）。

4）五针杜邦线接口如图16-33 所示，有RS232 和UPLOAD 接口。

图16-32　数字量输出接口

图16-33　五针杜邦线接口

5）U 盘模式下载接口USB-MINI 如图16-34 所示。

6）Zigbee 通信指示灯如图16-35 所示。

LUBY 控制器支持程序的U 盘拷贝模式，方便进行程序的管理。在U 盘拷贝模式中，控制器通过USB 线缆连接到PC 机后，会在PC 机上显示一个1MB 大小的U 盘，里面存放的即为下载的程序，通过普通的复制粘贴操作即可进行程序的下载，同时也可以方便地删除程序。

图16-34　U 盘模式下载接口

图16-35　Zigbee 通信指示灯

进入U 盘拷贝模式的方法是：按住“BACK”（右键）键，然后打开控制器开关，控制器进入程序下载模式，然后再按一次“BACK”键，即进入U 盘拷贝模式，此时控制器的LCD 上显示“USB Connected”字样，插入USB 线缆，则在PC 上会显示一个1 MB 大小的U 盘。

该U 盘可跟普通U 盘一样进行操作，将bin 文件拷贝到U 盘的根目录下即完成了下载的过程。操作完成后按控制器上的“OK”键（左键），则控制器退出U 盘模式进入程序选择，可以选择下载过的程序并按“OK”键执行。注意：所有bin 文件必须放在U 盘的根目录下，并且为了减少控制器的扫描时间，不要在U 盘里放置其他的文件。

LUBY 控制器内置了Bootloader 程序，可以方便地使用图形交互界面配置控制器，Bootloader 菜单结构如图16-36 所示。

图16-36　LUBY 控制器的Bootloader 菜单结构

LUBY 控制器的Bootloader 菜单具体操作如下：

（1）进入Bootloader

打开控制器电源，在进度条消失前按下“OK”键（左键），即可进入Bootloader。

（2）蓝牙名称设置

蓝牙名称长度为5，由字母、数字和一些特殊字符组成，在设置名称菜单下，按上下键更改每一位字符，按“确认”键继续输入下一个字符，输入到最后一个字符，按“确认”键（左键）开始设置。设置成功会出现“set Done please reset”字样。重启控制器，设置生效，按住“UP+DOWN”键开机，可以将“bluetooth”设置为默认值。“Bluetooth Switch”菜单可以使能或失能蓝牙串口。(www.xing528.com)

（3）Zibgee 设置

Zigbee 下级菜单包括设置协调器、设置路由器，可以根据需要将设备类型改为路由器模式或协调器模式，“Zigbee Set”菜单用于更改设备的网络ID 和设备ID。设置完成后，新设置需要重启控制器才能生效。

（4）加载程序

重启过程中，在进度条消失之前，按“BACK”键（右键）进入程序选择模式，按上下键选择需要运行的bin 文件，按“确认”键跳转到bin 程序。

5.卓越之星之传感器和执行器

（1）碰撞传感器

卓越之星的碰撞传感器属于开关量传感器，其功能是获取开关量的输入，接口是三针杜邦线接口。其线序如图16-37 所示。

使用方法：连接VCC 至5 V，连接GND 至地，按键释放时，输出引脚（S）为高电平（5 V）；按键按下时，输出引脚（S）为低电平（0 V）

（2）声音传感器——麦克风

卓越之星的声音传感器属于音频传感器，功能是获取音频输入信号，其接口为三针杜邦线接口，线序如图16-38 所示，其中SIG 接耳机线中的MIC 线。

图16-37　碰撞传感器

图16-38　声音传感器

使用方法：通过耳机线连接传感器与Woody 控制器，可以作为Woody 控制器的音源输入。

（3）光强传感器

卓越之星的光强传感器属于模拟量传感器，其功能是获取光照强度，接口为三针杜邦线接口线序，如图16-39 所示，其中SIG 为输出端。

使用方法：光照越强，输出电压值越高（在0.8～4.5 V 之间浮动），使用时需要根据现场光照条件确定阈值。

（4）灰度传感器

卓越之星的灰度传感器属于模拟量传感器，其功能是获取物体表面灰度，接口为三针杜邦线接口，线序如图16-40 所示，其中SIG 为输出端。

图16-39　光强传感器

图16-40　灰度传感器

使用方法：测量表面灰度越高（越接近白色），输出电压值越高，对于A4 白纸面（距离1 cm）约为3.6 V、黑纸面约为2.8 V，使用时需要根据现场光照条件确定阈值。

（5）霍尔传感器

霍尔传感器属于模拟量传感器，其功能是获取磁感应强度，接口是三针杜邦线接口，线序如图16-41 所示，SIG 为输出端。

使用方法如下：

无磁钢状态下输出电压为2.5 V，有磁钢状态下输出电压小于2.5 V 或大于2.5 V（视磁场极性而定，变化范围为2.3～2.7 V）。

（6）倾角传感器

倾角传感器属于模拟量传感器，其功能是获取倾斜角度，接口为三针杜邦线接口，线序如图16-42 所示，SIG 为输出端。

图16-41　霍尔传感器

图16-42　倾角传感器

使用方法：输出引脚（SIG 脚）的输出电压特性曲线如图16-43 所示。

图16-43　输出电压特性曲线

（7）温度传感器

图16-44　温度传感器

温度传感器属于模拟量传感器，其功能是获取温度信息，有三针杜邦线接口，线序如图16-44 所示，SIG 为输出端。

使用方法：0 ℃时，输出0 V，温度每升高1 ℃，输出增加10 mV，最高工作温度为100 ℃。

（8）红外接近传感器

红外接近传感器属于数字量传感器，它的功能是判断有无障碍物，接口有三针杜邦线（母头），线序：杜邦线母头带三角一侧为GND（连接时对应控制器输出接口的三角标志），依次为VCC（电源输入）、S（数字量信号输出脚）。

使用方法：无障碍物时，传感器自带灯不亮，输出引脚为高电平（5 V），检测到障碍物时，传感器自带灯点亮，输出低电平。传感器检测范围可以通过旋转传感器上的电位器调节。

（9）RF 读卡器

图16-45　RF 读卡器

RF 读卡器属于RS232 传感器，功能是读取RFID 卡的信息，有五针杜邦线接口（仅需要其中TXD 和5 V 两个引脚用以发送数据）。三针接口的信号输出（SIG）端输出5 V 表示有卡，0 V 表示无卡，有卡时绿色指示灯亮。线序可参考图16-45 所示的PCB 丝印。

使用方法：UART 接口一帧的数据格式为1 个起始位、8 个数据位、无奇偶校验位、1 个停止位。波特率：9 600 b/s。数据格式有5 字节数据，高位在前，其格式为4 字节数据+1字节校验和（异或和）。例如：卡号数据为0xE0A00890，则输出为0xe0 0xa0 0x08 0x90 0xd8（校验和计算：0xe0^0xa0^0x08^0x90 =0xd8）。当有卡进入该射频区域内时，读卡器主动发出以上格式的卡号数据。

（10）巡线传感器

卓越之星的巡线传感器属于舵机总线传感器，其功能是感知白线位置、舵机总线接口，支持级联。

使用方法：在初次使用寻线板时需要对寻线板7 个传感器的灵敏度进行调节。调节方法为，将贴有黑色胶带的白纸放在寻线板的传感器下方（距离最好不要超过6mm），调节传感器对应的电位器阻值，要调节到当白纸放在传感器下方时，对应的LED 灯灭；当黑色胶带处于传感器下方时，对应的LED 灯亮。

寻线板的通信协议格式与CDS 系列数字舵机相同，目前寻线板的ID 地址固定为0x00，波特率为1 000 000 b/s，通过固定一条固定的协议即可请求7 个传感器的状态。具体协议为：FF FF 00 04 02 32 01 C6（请求返回7 个传感器状态指令），校验0xC6 =～（0x00 +0x04 +0x02+0x32 +0x01）；返回协议为：FF FF 00 03 00 1C D0。

图16-46　LED 彩色灯

校验0xD0 =～（0x00 +0x03 +0x00 +0x1C）。

返回值中0x30 即为选线板7 个传感器的状态（低7 位为有效益），0x1C 转为二进制为1 110 000（最高位无效），即传感器1、2、3、4 检测的白色（从寻线板上方看传感器从左到右为1～7，分别对应返回值的1～7 位）。

（11）LED 彩色灯

类型：数字量执行器。

功能：RGB（红绿蓝）三色LED。

接口：双排三针杜邦线接口。

线序：如图16-46 所示。

使用方法：参考表16-4。

表16-4　LED 彩色灯使用设置方法

（12）电磁铁

类型：数字量执行器。

功能：产生磁场，吸附工件。

接口：三针杜邦线（母头）。

线序：杜邦线头带三角一侧为GND（连接时对应控制器输出接口的三角标志），依次为VCC（电源输入）、S（控制信号输入脚）。

使用方法：信号输入为低（0 V）时，电磁铁无磁性；输入为高（5V）时，电磁铁有磁性。

（13）输送带

类型：数字量执行器。

功能：驱动输送带电动机运转。

接口：双排三针杜邦线接口。

线序：面向输送带正面，接口一侧朝下，靠近观察者一侧的排针为上排，每排从左至右分别为信号输入、5 V、GND

使用方法：参考表16-5。

表16-5　输送带控制