以AVR單片機(jī)ATmega128L為核心，提出了一種智慧探測(cè)小車的軟硬件設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)可以預(yù)先設(shè)定小車的行走路線，能夠?qū)崿F(xiàn)小車與計(jì)算機(jī)之間的無(wú)線通訊，通過(guò)超聲測(cè)物和紅外測(cè)障電路使小車安全行走。另外，系統(tǒng)通過(guò)JTAG接口在線調(diào)試程序。軟件設(shè)計(jì)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)，大大增強(qiáng)了小車

1 引言

智能探測(cè)車能根據(jù)任務(wù)及環(huán)境信息做出全局路徑規(guī)劃，可在行進(jìn)中不斷感知局部環(huán)境信息并做出決策，從而能夠安全行駛并到達(dá)目標(biāo)。本文以ATmegal28L單片機(jī)為核心介紹了一種智能探路車的設(shè)計(jì)雛形，該系統(tǒng)利用各種傳感器獲取周圍環(huán)境信息，采用多傳感器信息融合技術(shù)對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理與判斷，從而自動(dòng)繞開(kāi)障礙物：能與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊;具有預(yù)先設(shè)定路線的功能;通過(guò)JTAG接口可以方便地在線調(diào)試程序或下載程序。

美國(guó)Atmel公司推出的ATmegal28L是基于AVR RISC的低功耗8位單片機(jī)，最高工作頻率可達(dá)16 MHz，具有128 KB Flash內(nèi)部存儲(chǔ)器、4 KBEEPROM和4 KB SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，并且采用了JTAG技術(shù)。它具有很高的性價(jià)比，并有超低的功耗和豐富的片上外圍資源，很適合作為移動(dòng)設(shè)備的微控制器。

2 硬件結(jié)構(gòu)

ATmegal28L內(nèi)含128 KB寫(xiě)操作可讀在系統(tǒng)可編程Flash、53個(gè)通用I/O口、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器（RTC）、4個(gè)具有比較模式和PWM的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、2個(gè)UART、2線（I2C）串行接口、一個(gè)帶內(nèi)部振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器、一個(gè)SPI口、一個(gè)符合IEEE Std的JTAG等。ATmegal28L主要

對(duì)超聲波和紅外傳感器測(cè)得的信息進(jìn)行處理，產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)，通過(guò)I/O控制步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)，ATmegal28L引出JTAG接口進(jìn)行在線調(diào)試程序或下載程序。另外。系統(tǒng)通過(guò)鍵盤與顯示電路來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話;選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件1298N來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī);超聲波測(cè)物模塊和紅外避障測(cè)量模塊用來(lái)獲取環(huán)境信息；利用無(wú)線模塊nRF401與：PC機(jī)端口的無(wú)線模塊進(jìn)行通訊。系統(tǒng)的路線設(shè)置功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)，硬件選取24C02用于存放路線。

2.1 鍵盤與顯示電路

為了方便人機(jī)對(duì)話和功能選擇，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 5個(gè)按鍵和液晶顯示模塊。5個(gè)按鍵分別是：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位按鍵，小車自動(dòng)行走按鍵（接A15（PC7））、超聲波測(cè)物按鍵（接A14（PC6））、無(wú)線發(fā)射按鍵（接A13（PC5））和小車設(shè)置路線按鍵（接A12（PC4））。

采用液晶模塊LCM103顯示按鍵的選擇和執(zhí)行結(jié)果。LCM103為10位多功能通用型8段式液晶顯示模塊，內(nèi)置顯示RAM，可顯示任意字段筆劃，3-4線串行接口，可與任何單片機(jī)接口。由于LCM130與MCU的工作電壓相同，因此LCM103與MCU直接連接。其中WR直接與ATmegal28L的WR連接．DATA端與ATmegal28L的AD4（PA4）連接，CS與ATmegal28L的A12（PC4）連接。

2.2 JTAG接口電路

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，引出ATmegal28L的JTAG接口進(jìn)行在線編程和下載，以方便調(diào)試和程序更新。對(duì)AVR器件進(jìn)行編程是由JTAG端口的TCK、TMS、TDI和TDO實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)JTAG可以實(shí)現(xiàn)如下的編程功能：

（1）Flash編程及校驗(yàn);

（2）EEPROM編程及校驗(yàn);

（3）熔絲位編程及校驗(yàn);

（4）鎖定位編程及校驗(yàn)。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)前輪實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。ATmega128L具有2個(gè)帶預(yù)分頻器和比較模式的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、2個(gè)擴(kuò)充的帶預(yù)分頻器和比較/捕獲模式的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、2通道8位PWM、6通道2～16位精度：PWM。這里采用ATmegal281。的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器l來(lái)產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)，分別接1298N的EN A和EN B，用于控制兩個(gè)電機(jī)的起停、轉(zhuǎn)向及速度。它工作在相位和頻率修正PWM模式下，該工作模式可以產(chǎn)生高精度、相位與頻率都準(zhǔn)確的PWM波形。通常用OCRnA作為TOP值。改變TOP值即可改變PWM信號(hào)的占空比，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

L1298N是SGS公司生產(chǎn)的恒壓恒流橋式2 A驅(qū)動(dòng)器件，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。

系統(tǒng)采用了步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制超聲波旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的上下左右運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路與此類似。

2.4 超聲波測(cè)物電路和紅外測(cè)障電路

系統(tǒng)采用一組超聲波傳感器和五組紅外傳感器感知環(huán)境信息。超聲波通過(guò)一個(gè)可以上下左右旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)安裝在小車的正前方，用來(lái)測(cè)量物體的大小。在普通行車中，超聲波傳感器的用途和紅外傳感器一樣。紅外傳感器分別安裝在小車的左前方、右前方、左側(cè)、右側(cè)和后面。本系統(tǒng)利用ATmegal28I。產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路發(fā)送超聲波。紅外傳感器測(cè)量小車在五個(gè)方向的一定距離內(nèi)（本系統(tǒng)為30 cm）是否有障礙物，輔助小車避開(kāi)障礙物。

2.5 無(wú)線發(fā)射接收電路

本系統(tǒng)選用集成度較高的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品nRF401來(lái)實(shí)現(xiàn)PC與小車的無(wú)線通信。 nRF40l收發(fā)模塊的主要特點(diǎn)：工作頻段為433MHz;采用FSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)：頻率穩(wěn)定性好;靈敏度高，功耗小;具有多頻段切換功能。

通過(guò)ATmega128L的PA5（AD5）控制PWR UP。當(dāng)PWR-UP=“l(fā)”時(shí)，表示進(jìn)入正常工作模式：當(dāng)PWR-UP=“0”時(shí)，表示進(jìn)入接收待機(jī)模式。PANAD6） CS=“1”時(shí)，表示中心頻率為434.32 MHz，當(dāng)CS=“0”時(shí)，表示中心頻率為433.92 MHz。PA7 （AD7）控制nRF40l的TXEN端，當(dāng)TXEN=“1”時(shí)，表示進(jìn)入發(fā)送模式，當(dāng)TXEN=“0”時(shí)，表示進(jìn)入接收模式。數(shù)據(jù)輸入端DIN與ATmegal28L的PEO（RXD0）相連。數(shù)據(jù)輸出端DOUT與ATmegal28L的PEl（TXD0）相接。

2.6 充電電路

由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬間電流很大，且PWM驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)較大，導(dǎo)致車載電源電壓不穩(wěn)，從而影響其他電路的正常工作，所以系統(tǒng)采用雙電源供電的方法。將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及傳感器電源完全隔離開(kāi)來(lái)，利用耦合器進(jìn)行連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的主要功能是：能夠根據(jù)傳感器信息正確避開(kāi)障礙物：小車與PC的無(wú)線通信;預(yù)先設(shè)定路線;測(cè)量物體的大小。為了提高小車避障的智能性，軟件設(shè)計(jì)采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)。軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于小車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練程序和小車與PC機(jī)的無(wú)線通訊程序。

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練程序

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，具有較好的分類和記憶功能，同時(shí)有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性。采用兩層前向BP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的融合，輸入層有6個(gè)節(jié)點(diǎn)（分別對(duì)應(yīng)6組傳感器。其中超聲波傳感器測(cè)得距離在30 cm之內(nèi)記為1），輸出層有4個(gè)節(jié)點(diǎn)（前進(jìn)F、左轉(zhuǎn)L、右轉(zhuǎn)R、后退B）。

樣本確立后，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)系數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和調(diào)整，使該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)給定的輸入輸出映射關(guān)系。權(quán)系數(shù)修改按照式

（1）進(jìn)行：

uij（t+1）=uij（t）+λ［dj（t）-yj（t）xi（t）+α△uij（t-1） （1）

式中：λ表示學(xué)習(xí)速率（取0.3）;α表示學(xué)習(xí)動(dòng)量（取0.3）;dj（t）和yj（t）分別表示j單元在t時(shí)刻的目標(biāo)輸出和實(shí)際輸出;xi（t）表示單元i在t時(shí)刻的輸入；△uij（t-1）表示前一次迭代中;；單元i和J連接權(quán)系數(shù)更新增量。

BP網(wǎng)絡(luò)算法采用C語(yǔ)言編程，訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)存放于Flash內(nèi)存之中。采用的是離線訓(xùn)練方式。

3.2 小車與PC機(jī)的無(wú)線通訊程序

PC機(jī)在小車行駛過(guò)程中可以通過(guò)無(wú)線通訊對(duì)小車進(jìn)行控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了基于ATmega128L的智能探測(cè)車的設(shè)計(jì)思路，對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊接口作了簡(jiǎn)要描述，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)增強(qiáng)小車的智能性，并提出了系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)思想。該電路各部分功能模塊化，易于調(diào)試，并且容易擴(kuò)展其他功能。本設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景廣闊，可用于骯臟、危險(xiǎn)等不適宜人類工作或者是人類難以到達(dá)的環(huán)境，可作為特殊應(yīng)用器材的載體工具，為無(wú)線檢測(cè)、信息傳輸及遠(yuǎn)距離控制技術(shù)提供了一個(gè)很好的應(yīng)用平臺(tái)。

編輯：jq