第二讲微控制器

1、第二(d r)讲 微控制器机器人控制器是根据指令以及传感信息(xnx)控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。共十九页一.分类(fn li) 从机器人控制算法的处理方式来看，可分为串行、并行两种结构类型。（1）串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理。对于这种类型的控制器，从计算机结构、控制方式来划分，又可分为以下几种。单CPU结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部(qunb)控制功能。在早期的机器人中，如Hero-I, Robot-I等，就采用这种结构，但控制过程中需要许多计算（如坐标变换），因此这种控制结构

2、速度较慢共十九页 二级CPU结构、主从式控制方式一级CPU为主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能，同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补，并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存，供二级CPU读取；二级CPU完成全部关节位置数字控制。 这类系统的两个CPU总线之间基本没有(mi yu)联系，仅通过公用内存交换数据，是一个松耦合的关系。对采用更多的CPU进一步分散功能是很困难的。日本于70年代生产的Motoman机器人（5关节，直流电机驱动）的计算机系统就属于这种主从式结构。共十九页多CPU结构、分布式控制方式目前，普遍采用这种上、下位机二级分布式结构，上位机负责整个(

3、zhngg)系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多CPU组成，每个CPU控制一个关节运动，这些CPU和主控机联系是通过总线形式的紧耦合。这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高。但这些多CPU系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构，即每个处理器承担固定任务。目前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构。共十九页 以上几种类型的控制器都是采用串行机来计算机器人控制算法。它们存在一个共同的弱点：计算负担重、实时性差。所以大多采用离线规划和前馈补偿解耦等方法来减轻实时控制中的计算负担。当机器人在运行中受到干扰时其性能将受到影响(yngxing)，更难以保证高速运动中所要求的

4、精度指标。共十九页（2）并行处理结构并行处理技术是提高计算速度的一个重要而有效的手段，能满足机器人控制的实时性要求。关于机器人控制器并行处理技术，人们研究较多的是机器人运动学和动力学的并行算法及其实现。1982年J.Y.S.Luh首次提出机器人动力学并行处理问题，这是因为关节型机器人的动力学方程是一组非线性强耦合的二阶微分方程，计算十分复杂。提高机器人动力学算法计算速度也为实现复杂的控制算法如：计算力矩法、非线性前馈法、自适应控制法等打下基础。开发并行算法的途径之一就是改造串行算法，使之并行化，然后将算法映射到并行结构。一般有两种方式，一是考虑给定的并行处理器结构，根据(gnj)处理器结构所支

5、持的计算模型，开发算法的并行性；二是首先开发算法的并行性，然后设计支持该算法的并行处理器结构，以达到最佳并行效率。共十九页 构造并行处理结构的机器人控制器的计算机系统一般采用以下方式：开发机器人控制专用VLSI（超大规模集成电路）设计专用VLSI能充分利用机器人控制算法的并行性，依靠芯片内的并行体系结构易于解决机器人控制算法中大量出现的计算，能大大提高运动学、动力学方程的计算速度。但由于(yuy)芯片是根据具体的算法来设计的，当算法改变时，芯片则不能使用，因此采用这种方式构造的控制器不通用，更不利于系统的维护与开发。共十九页利用有并行处理能力的芯片式计算机（如：Transputer, DSP等

6、）构成并行处理网络Transputer是英国Inmos公司研制并生产的一种并行处理用的芯片式计算机。利用 Transputer芯片的4对位串通信的link对，易于构造不同的拓扑结构(jigu)，且Transputer具有极强的计算能力。利用Transputer并行处理器，人们构造了各种机器人并行处理器，如流水线型、树型等。利用通用的微处理器 利用通用微处理器构成并行处理结构，支持计算，实现复杂控制策略在线实时计算。共十九页二.微控制器的选择(xunz)一.集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC） （1）采用(ciyng)CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯.诺伊曼结构。它

7、的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。属于CISC结构的单片机有Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列等； 共十九页（2）采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含(bohn)更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。 属于RISC结构的有Mic

8、rochip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。 共十九页几种(j zhn)常用单片机介绍 AVR单片机是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 单片机。 它的程序存储器和数据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址。在 AVR单片机中，CPU 执行当前指令时取出将要执行的下一条指令放入寄存器中，从而可以避免传统 MCS51 系列单片机中多指令周期的出现。AVR 单片机中，寄存器由32个通用工作寄存器组成，并且任何一个寄存器都可以充当(chngdng

9、)累加器，从而有效地避免了累加器的瓶颈效应，提高了系统的性能。AVR单片机具有良好的集成性能。AVR 系列的单片机都具备在线编程接口，其中的 Mega 系列还具备JTAG仿真和下载功能；都含有片内看门狗电路、片内程序 Flash、同步串行接口 SPI；多数 AVR 单片机还内嵌了 AD 转换器、EEPROM、摸拟比较器、PWM 定时计数器等多种功能；AVR 片机的 I/O 接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件，从而省去驱动电路，节约系统成本。AVR 单片机具有多个系列，包括 ATtiny、AT90、AT89、ATmega等共十九页Motorola单片机: Motorol

10、a是世界上最大的单片机厂商.从M6800开始,开发了广泛的品种,4位,8位,16位32位的单片机都能生产,其中典型的代表有:8位机M6805,M68HC05系列,8位增强型M68HC11,M68HC12 , 16位机M68HC16, 32位机M683XX. Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合(shh)于工控领域及恶劣的环境 .共十九页MicroChip单片机: MicroChip单片机的主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机,CPU采用RISC结构,分别仅有33,35,58条指令(zhl

11、ng),采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积. 适用于用量大,档次低,价格敏感的产品.在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用,PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高.发展非常迅速.共十九页选择(xunz)标准1、此款微控制器制造商或销售商是否能够提供完整的、有条例的学习资料和开发应用技术文档，编程语言是否易学易懂。2、此款微控制器周边附件产品是否齐全，比如各种传感器、无线数传模块、显示设备等，相应的程序源代码是否公开。3、这是不是一个普

12、及型的微控制器（对全世界而言），制造商是否有较大影响力，有一定(ydng)的研发实力，可以不定期推出新产品，为日后升级做保障。4、微控制器的性能对于你开发的机器人是否够用，例如ADC（数模转换器）、PWM（脉冲宽度调制）、单独定时器、RAM（随机存储器）、执行指令速度等。 共十九页举例(j l)AT89S52单片机特点： 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容(jin rn) 8K字节可重擦写FLASH闪存 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz-24MHz 三级加密程序存储器 256X8字节内部RAM 32个可编程I/O口线 3个16位定时/计数器 6个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空

13、闲和掉电模式共十九页AT89S52提供以下标准功能：8K字节(z ji)FLASH闪存，256字节(z ji)内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。共十九页AT89S52的芯片(xn pin)管脚图如图3.2-1共十九页共十九页内容摘要第二讲 微控制器。对采用更多的CPU进一步分散功能是很困难的。日本于70年