楊春雷，宋玉龍，張 騰，楊姍姍

（1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129；2.西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710129；3.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710129）

移動機(jī)器人主要有輪式、履帶式、腿式、蛇形式、跳躍式和復(fù)合式。輪式機(jī)器人具有機(jī)構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便、機(jī)動靈活等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、反恐防爆、家庭、空間探測等領(lǐng)域[1]。本系統(tǒng)用兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動4個(gè)輪子，用差動的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種直線、曲線運(yùn)動。在各類機(jī)電系統(tǒng)中，直流電機(jī)具有良好的起動、制動和調(diào)速性能。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）直流調(diào)速技術(shù)，它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)[2]。本系統(tǒng)選用具有6個(gè)PWM通道的Atmega168單片機(jī)作為處理器，使用兩個(gè)定時(shí)器的快速PWM模式對電機(jī)進(jìn)行速度控制。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 Atmega168特征

Atmega168是ATMEL公司的一款高性能、低功耗的8位AVR微控制器[3]，采用先進(jìn)的精簡指令集架構(gòu)。Atmega168有3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器：8位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器 0、16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器1以及8位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器3。每個(gè)定時(shí)器有2個(gè)PWM通道，因此共有6個(gè)PWM通道，它們對應(yīng)的PWM波輸出引腳分別為 PD6（OC0A）、PD5（OC0B）、PB1（OC1A）、PB2（OC1B）、PB3（OC2A）、PD3（OC2B）。

1.2 電路原理圖設(shè)計(jì)

圖1所示為Atmega168最小系統(tǒng)的原理圖，包括電源電路、復(fù)位電路和晶振電路。圖中復(fù)位電路制造出兩個(gè)復(fù)位信號，其中信號用于單片機(jī)，RST信號用于ISP下載。

圖2所示為電機(jī)的雙H橋驅(qū)動電路原理圖，下面對重要部分作說明：

1）H橋電路 驅(qū)動電路采用功率 MOSFET（Metal－Oxide－Semiconductor Field Effect Transistor）構(gòu)成 H 橋驅(qū)動電路。如圖2所示，當(dāng)PWM1A為高電平、PWM1B為低電平時(shí)，NMOS管U9和PMOS管U7導(dǎo)通，另外兩個(gè)截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)PWM1A為低電平、PWM1B為高電平時(shí)，NMOS管 U9和PMOS管U7截止，另外兩個(gè)導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)。PWM2A和PWM2B同上。

圖1 Atmega168最小系統(tǒng)Fig.1 Atmega168 Minimum System

2）二極管D1～D8 因?yàn)殡姍C(jī)線圈在電路開閉瞬間產(chǎn)生的反向電動勢通過會高過電源，這樣對MOSFET和電路會有很大的影響甚至燒毀電機(jī)，為避免這種情況發(fā)生，通常需要在MOSFET兩端并聯(lián)二極管[4]。

圖2 雙H橋驅(qū)動電路Fig.2 Dual H bridge drive circuit

1.3 印刷電路板設(shè)計(jì)

為了使機(jī)器人有較大的驅(qū)動能力，必須在設(shè)計(jì)PCB時(shí)注意電機(jī)相關(guān)電源線的線寬，要有能力經(jīng)過較大電流。然而由于MOS管引腳焊盤間距的限制，線寬不可能太大，為此采用焊盤布線。如圖3右邊H橋驅(qū)動電路部分所示，與MOS管源極、漏極相連的大電流線均是由焊盤拉制成的，可以通過在焊接時(shí)增加錫量來提升過大電流的能力。這樣制出的電路板可以承受10 A以上驅(qū)動電流。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)軟件及配置

1）開發(fā)環(huán)境構(gòu)建

文中選用AVR Studio 4+WinAVR構(gòu)建開發(fā)環(huán)境。AVR Studio 4是官方的開發(fā)環(huán)境，可使用匯編語言進(jìn)行開發(fā)，使用其他語言需第三方軟件協(xié)助，集軟硬件仿真、調(diào)試、編程下載于一體。它是唯一的調(diào)試器。WinAVR是基于GCC編譯器的開源軟件，補(bǔ)充AVR Studio 4的不足，用于C語言開發(fā)。

圖3 驅(qū)動控制電路PCB圖[5]Fig.3 Drive and control circuit PCB

2）修改 Makefile

WinAVR基于GCC，因此就免不了使用makefile來實(shí)現(xiàn)自動編譯，打開一個(gè)已有的Makefile進(jìn)行修改即可。將MCU改為Atmega168，F(xiàn)_CPU改為12MHz（電路板上使用晶振的頻率），SRC改為工程中C源文件的名字 （如SRC=file1.c file2.c file3.c）。另存為新的Makefile文件并放在工程文件夾中。

2.2 定時(shí)器PWM模塊使用

圖4所示為定時(shí)/計(jì)數(shù)器 0的控制寄存器 TCCR0A、TCCR0B 的位定義。其中 COM0A1、COM0A0、COM0B1、COM0B0為比較輸出模式（Compare Output Mode）位，決定了在計(jì)數(shù)器TCNT0與輸出比較寄存器OCR0A、OCR0B值相同時(shí)，引腳OC0A、OC0B 輸出電平的高低；WGM02、WGM01、WGM00 為波形發(fā)生模式（Waveform Generation Mode）位，決定定時(shí)/計(jì)數(shù)器 0 工作模式；CS02、CS01、CS00 為時(shí)鐘選擇 （Clock Select）位，決定定時(shí)/計(jì)數(shù)器0所用時(shí)鐘對主時(shí)鐘的分頻比；FOC0A、FOC0B為引腳OC0A、OC0B強(qiáng)制輸出，此處不用。

定時(shí)/計(jì)數(shù)器有 4種工作模式：普通模式、CTC（Clear Timer on Compare Match）模式、快速PWM模式、相位修正PWM模式。模式的設(shè)置方法如圖表1所示。本系統(tǒng)采用模式3，計(jì)數(shù)最大值為0xFF的快速PWM模式。

圖4 定時(shí)/計(jì)數(shù)器0控制寄存器Fig.4 Timer/Counter 0 Control Register

表1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器0工作模式設(shè)置Tab.1 Timer/Counter 0 work mode settings

2.3 程序原理及實(shí)現(xiàn)

圖2中H橋驅(qū)動電路中，PWM1A若為高電平，PWM1B則必須為低電平，否則反之。故PWM1A與PWM1B波形應(yīng)是互相反相的。PWM2A、PWM2B也是如此。對于快速PWM模式，通過比較輸出模式位的設(shè)置可以得到反轉(zhuǎn)和非反轉(zhuǎn)兩個(gè)正好互相反相的PWM波信號。

圖5 電機(jī)驅(qū)動程序流程Fig.5 Motor drive program flow

如圖5所示為電機(jī)驅(qū)動程序的流程。程序中使用了兩個(gè) 8位定時(shí)器（定時(shí)器 0和定時(shí)器 2），通過 PD6（OC0A）、PD5（OC0B）、PB3 （OC2A）、PD3 （OC2B）4個(gè)引腳輸出信號PWM1A、PWM1B、PWM2A和PWM2B。下面對流程中各個(gè)步驟進(jìn)行詳細(xì)說明：

1）端口初始化：

將端口方向寄存器 DDRx（Data Direction Register）中對應(yīng)引腳 PD6（OC0A）、PD5（OC0B）、PB3（OC2A）、PD3（OC2B）的比特位設(shè)為1，從而使這些引腳處于輸出模式。

2）定時(shí)器0、2初始化：

定時(shí)器0、2的設(shè)置方法是一樣的，下面僅對定時(shí)器0的設(shè)置作詳細(xì)說明：

①WGM02、WGM021、WGM00 取 011， 即快速 PWM 模式，計(jì)數(shù)器最大值為0xff。

②COM0A1、COM0A0取10，為非反轉(zhuǎn)模式，即當(dāng)計(jì)數(shù)器TCNT0的值與輸出比較寄存器OCR0A的值相同匹配時(shí)，OC0A引腳輸出低電平，當(dāng)計(jì)數(shù)器TCNT0計(jì)數(shù)值溢出回到0時(shí)，OC0A引腳輸出高電平。

③COM0B1、COM0B0取11，為反轉(zhuǎn)模式，即當(dāng)計(jì)數(shù)器TCNT0的值與輸出比較寄存器OCR0B的值相同匹配時(shí)，OC0B引腳輸出高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)器TCNT0計(jì)數(shù)值溢出回到0時(shí)，OC0B引腳輸出低電平?？梢钥闯?，當(dāng)OCR0B的值與OCR0A設(shè)成一樣時(shí)，OC0B的輸出波形正好與OC0A的反相。

④時(shí)鐘選擇位CS02、CS01、CS00取001，則定時(shí)/計(jì)數(shù)器使用的時(shí)鐘頻率沒有經(jīng)過主時(shí)鐘預(yù)分頻，即等于晶振主時(shí)鐘頻率。

⑤計(jì)數(shù)寄存器初值TCNT0設(shè)為0x00，則計(jì)數(shù)器從0加計(jì)數(shù)到255，溢出后又直接從0加計(jì)數(shù)到255，如此往復(fù)。

⑥輸出比較寄存器OCR0A=OCR0B=100，當(dāng)TCNT0計(jì)數(shù)值等于100時(shí)，則引腳OC0A、OC0B輸出電平發(fā)生改變。此數(shù)值決定了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在整個(gè)機(jī)器人程序系統(tǒng)中，當(dāng)由機(jī)器人的策略子程序給出合適的值。

3）死循環(huán)：

一般單片機(jī)程序都要主函數(shù)執(zhí)行死循環(huán)，以避免程序執(zhí)行到不可預(yù)知的地方。

2.4 下載目標(biāo)代碼

選擇AVR Studio的菜單欄Project|Configuration Options即可打開工程設(shè)置，確保Create Hex File前的復(fù)選框被選中，然后編譯上述C程序，若無錯(cuò)誤即可生成.hex文件用于下載。

將ISP下載線與單片機(jī)端和計(jì)算機(jī)端都連接好，打開一款A(yù)VR下載軟件，在下載之前要設(shè)置一下熔絲位。新的Atmega168單片機(jī)時(shí)鐘源選擇熔絲位是配置在 “校準(zhǔn)的內(nèi)部RC振蕩器”狀態(tài)的，改成“外部8 mHz以上石英晶振”狀態(tài)[6]。然后即可將.hex文件下載到單片機(jī)Flash中。

3 結(jié) 論

本文從硬件和軟件兩方面詳細(xì)講述了輪式機(jī)器人直流電機(jī)驅(qū)動板整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)原理和過程。其中，硬件部分介紹了驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)原理圖，并給出了支持電機(jī)大電流、大功率運(yùn)轉(zhuǎn)條件下PCB的畫法。軟件部分首先介紹了AVR單片機(jī)開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建以及新建工程所需的配置，然后詳述了用2個(gè)定時(shí)器的快速PWM模式產(chǎn)生4路PWM信號的方法，最后說明了ISP下載所需配置和下載方法。使用6節(jié)強(qiáng)力鎳氫電池，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行可達(dá)到15 A的驅(qū)動電流，達(dá)到預(yù)期目的。

[1]朱磊磊，陳軍.輪式移動機(jī)器人研究綜述[J].機(jī)床與液壓，2009，37（8）：242-247.ZHU Lei-lei，CHEN Jun.Wheeled mobile robot research[J].Machine Tool&Hydraulics，2009，37（8）:242-247.

[2]張立勛，沈錦華，路敦民，等.AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制器[J].機(jī)械與電子，2004，4：29-32.ZHANG Li-xun， SHEN Jin-hua， Lu Dun-min， et al.Pulse width modulation speed controller of DC motor based on AVR Microcontroller[J].Machinery and Electronics，2004，4:29-32.

[3]Atmel Corporation.8-bit AVR Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash:ATmega48、ATmega88、ATmega168[M].USA:Atmel Corporation，2004.

[4]陳萬米，張冰，朱明，等.智能足球機(jī)器人系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[5]談世哲.PROTEL DXP2004電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型范例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6]江海波，王卓然，耿德根，等.深入淺出AVR—從Atmega48/88/168開始[M].北京：中國電力出版社，2008.