中文摘要

(1)

I

中文摘要

本文旨在设计一个以教学为目的的机器人开发平台。该开发平台由三个子平台构成，即机械平台、硬件平台和软件平台。机械平台中包含了各种机械部件，由它们搭建机器人的躯干、手脚等外围的框架。硬件平台是围绕主控芯片 MC9S08GB60 展开设计的硬件电路板，其中包含了机器人各种控制机构的硬件电路。主控芯片中驻留了自主开发的用于配合 PC 方软件平台下载用户程序的监控程序以及控制机器人动作的功能性模块。机器人控制程序由用户根据 PC 方软件平台提供的开发工具自行“定制开发设计”，并“下载”到硬件平台的 MCU 中执行。软件平台提供了图形化设计界面和类 C 界面两种设计方式，用户可以根据自身特点选择相应的程序设计方式。该教育机器人基础开发平台主要针对中小学课外科技活动开发，也可供高校学生进行机器人设计、参加机器人设计竞赛之用。文章阐述了整个系统的设计背景、设计思想、

软硬件实现方法，并对其中的技术要点进行深入的分析。

关键词：教育机器人基础开发平台，MC9S08GB60，图形化设计界面

作者：蒋建武指导老师：王宜怀

PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

(2)

ABSTRACT

This paper focuses on designing a platform for robot development with educational purpose. The platform is composed of three separate sub-platforms, namely: machinery platform, hardware platform and software platform. The machinery platform includes various machinery parts, which are used to organize robots ’ peripheral frameworks, including bodies, arms, legs, etc. The hardware platform is a circuit board designed around the host MCU - MC9S08GB60 and contains hardware circuits for kinds of

robot-controlling unit. MCU is the kernel of the hardware platform, with kinds of routines residing in it. These routines includes independently-developed monitor program which can be accessed by PC software to download user program to MCU and functional routines used to control the actions of robot. The user can customize their own robot-control

program and download to MCU by using the developing tools presented by the software platform. The software platform provides two development styles: GUI –based style and C-similar style. The user could select the appropriate style according to his/her preference.

The fundamental platform of robot development for education is primarily used in elhi extracurricular technological activity. At the same time, the platform can be used to design robot and attend various robot competition. This paper exposed the design background, design conception and implement approach of software and hardware. Beside that this paper also provides in-depth analysis on technological main point.

Keywords: The fundamental platform of robot development for education, MC9S08GB60, GUI

Written by Jiang Jian Wu

Supervised by Wang Yihuai

(3)

第一章绪论

机器人学科是一门交叉性极强的综合性学科，它涉及到了机械制造、自动控制、

传感器技术、计算机软件技术、计算机硬件技术等许多学科。随着机器人技术的不断发展，它在社会生产的方方面面都得到了广泛的应用^[1]。机器人应用中遇到的各种问题对机器人技术提出了新的要求，反过来又促进了机器人技术的进一步发展^[2]。如此反复，使得机器人技术在其诞生后短短的几十年中得到了迅猛的发展，特别是在计算机广泛普及以后，机器人也逐步的由工业生产，走向了人们的生活。如此广泛的应用使得提高全体国民对机器人的了解显得尤为重要，普及机器人教育势在必行。在这种背景之下，机器人教育的概念应运而生，推进机器人教育发展的教育机器人基础开发平台也就随之而产生。

1.1 基本概念及其研究背景 1.1.1 教育机器人的概念

虽然机器人教育随着机器人的应用已经发展了好多年，在此过程中也出现了各种各样的教育机器人，但是对于教育机器人并没有一个明确的定义。作者根据自身对教育机器人的研究和理解给出如下定义：教育机器人就是结合教育学和机器人学原理，

以教学为最终目的而制造的机器人，它主要用于辅助讲解机器人的工作原理及机器人学相关学科的基本原理^[3]。

教育机器人以教育为第一目的，因而它与工业上使用的机器人有很大区别^[4]。与机器人的本身的技术价值相比，教育机器人的教育价值更为重要。因而在设计教育机器人时要以教育理念为指导，以方便教学为目的进行开发^[5]。

1.1.2 研究的意义

我国延续了几千年传统的教学模式都是强调多动脑少动手，过分的强调向学生灌输知识，教会学生某种知识，然而这种教学方式最大的弊端是使得教学与实践脱节，

难以教会学生如何自己去发现问题，思考问题，解决问题，可以说这是一种“授之以鱼”的方法。为了改变这种教学模式，我国推行了学生素质教育改革，这项改革中强调在传授学生知识的同时，教会学生解决问题处理问题的方法，真正的“授之以渔”。

(8)

机器人教育强调学生动手能力的培养，在实际操作的过程中注重动手与动脑相结合，

促进学生的全面发展^[6]。这一点恰好符合了素质教育的初衷，因而国家的相关部门已经把“简单机器人的制作”纳入到了中小学信息技术教学内容之中^[7]，同时在普通高等院校招收保送生时把在全国性的机器人大赛中获得一二等奖的学生也纳入其中^[8]。由此可见国家已经意识到了机器人教育的重要性。

实施机器人教学必须有一个操作的平台，因为对于中小学学生来说，要求他们一切从零开始设计机器人是不现实的，而且机器人教育的最终目的也不是要学生自己去设计机器人。因而教育机器人基础开发平台成为了普及机器人教育的一个非常重要地环节，设计一个方便而实用的教育机器人基础开发平台就显得尤为重要。

1.1.3 针对对象

从加强全民对机器人的认识角度来讲，机器人教育的对象应该是全体国民。但是从目前国内的发展状况来看，此项教育的最适宜的方式是首先在大、中、小学中开展，

然后再向全民普及。因而在目前设计教育机器人基础开发平台时，主要分为两个层次，

即分为中小学机器人普及教育和大学机器人研究教育。在中小学中开展时，主要是减少对机器人的神秘感，寓教于乐，培养学生对机器人的兴趣，在此过程中教会学生一些机器人相关学科内容的最基本原理；在大学中开展机器人教学时，则要培养学生利用机器人来解决问题的能力，以便其在以后的工作中能真正的把机器人应用到实际问题的解决中去^[9]。因而对于两个不同层次学生，设计基础开发平台时所使用的设计思路也是不同的，前一种为教学型，后一种为研究型。本课题设计的机器人开发平台主要是面向中小学学生的教学型开发平台。

1.2 教育机器人的发展 1.2.1 产生背景

机器人的历史并不遥远，它是在二战以后才发展起来的一项新技术。1959 年美国人英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，更准确的说它应该叫做机器手臂。但是机器人在美国发展并不如日本快，二战后日本由于劳动力缺乏，因而大力发展工业机器人来解决劳动力问题，因此日本也号称为“机器人王国”。随着机器人在工业上的广泛应用，如何加强工人对机器人了解从而提高他们对机器人的控制能力

(9)

3

就成为一个显著的问题，机器人教育也就随之而产生，专门用于教学的教育机器人也就出现了。

1.2.2 发展历史

国外教育机器人的开展较早，早在上世纪六七十年代日本、美国、英国等西方发达国家已经相继在本国大学开展了机器人的研究，到了七八十年代在他们国内的中小学中也进行了简单的机器人教学，在此过程中也推出了各自的教育机器人基础开发平台。我国的机器人研究在七八十年代就开展了，在我国的“七五”计划，“863”计划中均有相关的内容。而针对中小学的机器人教学起步较晚，直到上世纪九十年代的中后期才得到了初步的发展，直到目前发展仍然不是很完善。

1.2.3 现状

随着国家对机器人教育越来越重视，各地的重点中小学中均开展了机器人兴趣小组活动，有条件的地方甚至已经开始在学生中全面开展机器人教育。同时每年由国家相关部委组织的面对大中小学生的机器人比赛也进一步促进了机器人教育的开展，比如教育部主办的“全国中小学电脑制作活动”^[10]，中国科协主办地“中国青少年电脑机器人竞赛”等。与此同时对于教育机器人基础开发平台的研究也得到了蓬勃的发展，国内已经有许多公司推出了自己的产品，例如上海广茂达公司能力风暴机器人，

中鸣仿生机器人，北京交大阳光公司的 Sunny618 机器人^[11]等。

1.2.4 前景

虽然目前市场上已经出现了各种各样的教育机器人基础开发平台，但是他们做的并不完善，在实际应用中仍然有很多问题，并不完全适合中小学生使用，比如机器人编程界面问题。因而教育机器人基础开发平台的开发还有很多值得研究和改进的地方，做好这方面的工作对于国内机器人教育的发展有一定的促进作用。

1.3 教育机器人基础开发平台的设计思想

如图 1-1 所示为教育机器人基础开发

平台结构图，整个平台命名为 SD-HCS08 图1-1 教育机器人基础开发平台结构图 PC机

软件平台机器人

硬件平台

机械平台

通讯

(10)

型教育机器人基础开发平台(简称 SD-HCS08-Robot 开发平台)。其中主要包括三个组成部分：软件平台、机械平台和硬件平台。软件平台设计为图形化设计界面，用户根据实际情况选择相应的控制部件设计机器人的执行程序，不需要直接编写程序代码，

代码由平台软件直接生成，最终程序编译后固化到硬件平台中。机械平台包含用户搭建机器人所使用的机械部件，如行走电机，机械框架等。硬件平台由平台设计者开发，

它是一块控制主板，控制机器人的各个机械部件的运动。在此三个平台上，用户就可以按照自己的需要，任意的组装机器人，设计执行程序，最终由机器人根据外部环境的变化完成各种任务。

1.4 毕业设计工作及论文结构 1.4.1 毕业设计工作

(1) 选题

作者根据对目前教育机器人发展的现状以及教育部相关文件精神的分析，认为教育机器人开发平台的研究很有实用价值。同时结合作者对嵌入式软、硬件设计的经验，

分析了完成教育机器人开发平台设计的可行性，决定选用“教育机器人基础开发平台设计”为毕业设计课题。

(2) 总体设计

对软硬件设计的具体内容进行分析，确定软、硬件平台的设计方案。

(3) 硬件选型和独立元件实验

根据确定的硬件方案选择适当的芯片元件和电子元件，并做相关的实验，最终确定可行的硬件方案。

(4) 电路板设计、焊接和测试

完成电路板原理图和电路图的设计，并完成最终的布板、焊接以及硬件测试。

(5) 软件设计

根据软件设计方案设计 PC 方和 MCU 方软件。

(6) 综合调试

软硬件联合调试，最终完成开发平台的设计。

(7) 论文

(11)

5

总结毕业设计的过程，完成最终的毕业论文。

1.4.2 论文结构

全文共分为七章，具体介绍如下：

第一章介绍了教育机器人基础开发平台的的设计背景，发展历史，以及 SD-HCS08-Robot 开发平台的设计思路，最后介绍了设计过程和最终的论文结构。

第二章描述了整个软硬件设计的基本方案。

第三章详细讲述了系统硬件设计过程，具体介绍了硬件选型的原则，所选主要元件的特性，最终电路板的设计过程和测试方法。

第四章描述了主控芯片 MC9S08GB60 写入器的设计，其中详细阐述了利用背景调试模块(BKGD)设计写入器的思路。

第五章描述了 MCU 方软件的设计，其中介绍了监控程序的功能，驻留子程序设计，以及用户程序的设计。

第六章讲述了 PC 方软件的具体实现，其中包括图形化文件的存储结构，图形化文件向嵌入式 C 语言的转化，以及嵌入式 C 语言的编译和下载。

第七章对全文进行总结，提出了开发平台设计的后继工作。

(12)

第二章设计方案

基于对目前国内的一些教育机器人基础开发平台的分析研究，吸取了他们的优点，弥补了其中存在的不足，我们研制了一款新的 SD-HCS08-Robot 教育机器人基础开发平台，以下将给出这款新的开发平台的设计方案。

2.1 目前教育机器人基础开发平台的特点分析

在设计之初对目前市场上现有的部分教育机器人基础开发平台做了一番调研，对它们的各种性能作了分析比较。这些平台的设计均以一个单片机作为主控芯片，所有的开发围绕这个主控芯片展开^[12]，底层尽量发挥主控芯片各个模块的功能，上层软件通过串行口与底层硬件系统实现通信。上层软件通过使用嵌入式的 C 语言进行开发，

编译后下载到底层主控芯片中实现控制^[13]。这样就实现了教育机器人基础开发平台的基本功能，可以为学生提供基本的实验开发环境。但比较分析后发现仍有如下两大局限性：

(1) 编程语言仍局限于高级语言。

在多数的开发平台上使用的编程语言局限在高级语言上，一般为 C 语言。个别虽然推出了图形化的编程界面，但是使用时发现图形化的界面只是作为参考形成流程图，最后仍然要用高级语言来完成最终的编程。这种高级语言的编程风格对于高年级的中学生来说或许还可以接受，但如果放在小学中肯定是不适合的，他们的理解能力可能远没有达到使用高级语言来编程的程度。因而这就限制了这些平台在中小学中的推广。将面向中小学教育机器人开发平台编程界面设计为图形化界面已逐步成为了一种共识，目前已有部分产品能初步达到此要求。

(2) 硬件平台完全封装。

很多产品可能是出于对硬件平台保护的目的，将硬件平台进行完全的封装，用户使用时不用再搭建这个平台，只要在外面加一两个传感器就可以了，这样的设计可以说有悖于开发平台的设计初衷。开发这个教育机器人平台的目的就是要让学生多动手，发挥自己的奇思妙想来设计一个有独立风格的机器人，而如果把所有硬件内容都固化了就限制了学生的想象空间，这不利于学生学习，也不符合以教育为目的的设计

(13)

7

宗旨。

2.2 SD-HCS08-Robot 开发平台的基本思路

通过对现有的各个平台的分析，设计的思路仍然沿用围绕主控芯片展开设计的思想，将 SD-HCS08-Robot 开发平台分为三部分来完成，即机械平台，硬件平台，软件平台。

2.2.1 机械平台

机械平台用于搭建机器人的机械框架。它由一系列的机械元件构成，包括组成机器人身体的接插塑料件，作为机器人腿脚的轮子和电机，作为机器人器官的传感器^[14]

等。这部分用于组成机器人躯干部分，用户设计时根据不同的需要可以搭建成不同的形状，并无特殊要求。这部分内容由协作开发单位的机械工程师来设计，因此在本论文中不做详细介绍。

2.2.2 硬件平台

硬件平台是一块包含了各种控制芯片及其驱动电路的电路板，这些芯片包括主控芯片，串行通信芯片，电机控制芯片，电源转换芯片等。它是作为机器人的心脏和大脑而存在的，机械平台搭建好以后将它固定在其中适当的位置，最好是不易被外界接触到的地方，因为它和人的心脏和大脑一样不能随便的被碰撞，以免发生损坏^[15]。硬件部分由平台设计者设计，软件部分由用户通过上层的软件平台设计而成，通过串行通信口下载到硬件平台的主控芯片中。硬件平台通过外连的传感器了解外部的各种情况，作出判断后对机器人的各个部件发出指挥命令，从而控制机器人的所有行动。

2.2.3 软件平台

软件平台主要由两部分组成：初级用户使用的图形化设计界面和高级用户使用的类 C 语言设计界面。将图形化界面设计出的程序转化为类 C 语言，然后通过编译器编译，最终下载到硬件平台的主控芯片中。如图 2-1 所示，为软件平台的结构图。

图形化界面设计面板界面

数据文件

类 C 界面类 C 文件

LIST 文件 S19 文件元件模块库

执行模块库传感器模块库

控制模块库

图 2-1 软件平台结构

PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 ÿ www.fineprint.cn

(14)

(1) 类 C 语言设计界面

类 C 语言设计是利用类似于 C 语言的程序设计语法结构来开发机器人的运行程序。之所以称之为类 C 语言是因为在其设计的语法结构和 C 语言基本相同，因而它的编程方法和标准的 C 完全相同。不同之处在于，由于在主控芯片底层程序中固化了部分的通用子程序，在本软件平台中提供了该接口函数，因此在用户直接用类 C 设计机器人程序时可以直接调用该接口函数。

(2) 图形化设计界面

图形化设计界面包括两部分即元件模块库和设计面板。

元件模块库包括：执行模块库，传感器模块库，控制模块库和子程序控制模块库。

执行模块库中包含各种行动指令，包括前进、后退、转动等；传感器模块库中包含了接收外部环境信息的各种传感器部件，包括温度、灰度、红外等各种传感器；控制模块库中包含各种控制程序执行流程的部件，包括直到循环，条件循环，分支判断等；程序控制模块库中包含子程序控制部件，包括子程序开始、子程序调用。

设计面板用于存放从模块库中选中的控件对象，用户设计机器人程序时将这些控件对象组合成完整的流程图，然后转化为类 C 语言程序，最后编译下载到机器人主控芯片中。

(3) 编译功能和下载功能

既然使用了类 C 编程语言，其编译也必然要使用平台软件提供的编译器进行。

因为此类 C 语言并不是真正的嵌入式 C 语言，而是设计时为了便于用户使用而设计的一种中间语言代码，它在编译之前必须经过本平台软件的处理后转化成为标准的嵌入式 C 语言，然后再调用编译器编译并下载。

2.3 SD-HCS08-Robot 开发平台的特点 2.3.1 图形化界面设计

图形化界面设计是本平台软件设计的一大特色。它使得用户在设计程序时真正的做到不需要了解任何的编程语言规范，不要写一句的程序代码，即可实现编程，这使得中小学生更容易接受和使用 SD-HCS08-Robot 开发平台，避免了中小学生要使用开发平台就必须学习高级编程语言的尴尬。

(15)

9

2.3.2 类 C 语言使用

类 C 语言使用是本平台软件的另一特色。标准 C 对于学过计算机编程的人来说比较熟悉，而嵌入式的 C 语言对于大部分用户来说是就很陌生了。由于嵌入式的 C 语言要求对硬件内部的堆栈、内存和 Flash 作各种设置，操作时也和常用的标准 C 有很大区别，因而许多用户只能望而却步。由于本软件中使用了类 C 语言，它使得用户在使用时仍然像使用标准 C 一样方便，将复杂的配置工作和对底层的操作都交给开发平台来完成。这样就使得使用标准 C 的用户可以直接用 C 来设计机器人程序。

2.3.3 硬件平台和机械平台分离设计

在前面我们提到在众多的开发平台上均是将硬件结构封装起来，不利于用户的动手操作。为此在设计这个 SD-HCS08-Robot 开发平台时采用了硬件平台和机械平台分离的设计方法，将硬件平台独立于机械平台而设计。这样使得用户可以任意的搭建机械平台，最终只要将硬件平台电路板固定在机械平台框架上即可。没有必要为防止硬件平台的损坏而要将其封装起来，而只要在搭建机械平台时稍作注意为其留出一个适当的位置。

(16)

第三章硬件设计 3.1 选型的原则

在嵌入式产品设计中，硬件选型的好坏将直接影响着产品设计进度，同时也决定了产品的性能，还可能会影响到产品成形后的生产。因而硬件选型是嵌入式产品设计的一个重要环节。在硬件选型时应该综合考虑成本问题，开发的难易程度问题，元件购买途径问题，用户需求问题等等。以下将以主控芯片为例从技术角度来阐述一下对硬件的选型原则。由于在嵌入式的开发中，所有的设计都是围绕着主控芯片展开的，

所以对它的选型问题就显得尤为重要，它应该遵循以下的原则：

(1) 合理的 RAM 和 Flash 大小 (2) 通用的 I/O 引脚数目 (3) 内部包含的功能模块 (4) 芯片的封装形式

(5) 写入器，编译器和集成开发环境

目前市场上的芯片种类很多，芯片价格也从几元到几十元不等，因而从这方面考虑对于开发者来说的可选择性很大。由于最终的用户只要实现功能对具体使用哪一款芯片并无太大要求，因此在设计过程中还是尽量选用自己比较熟悉的芯片开发，这样会节省开发的周期。RAM 和 Flash 的大小与 I/O 引脚的数目以及芯片的价钱基本上是成正比关系的，价钱越贵的芯片前两者也就越大。所以应该选择一个性价比相对比较合适的芯片才不至于浪费芯片资源，增加产品的成本。芯片的内部功能模块应结合用户的开发需求来定，尽量在所选择的芯片中能包含大部分的用户要求，这样才能物尽所用。芯片的封装形式是出于对实验和后期生产的考虑。通常的封装形式有双列直插型和贴片形式，双列直插封装实验起来比较方便，而贴片形式相对比较麻烦，但是其体积小，节约空间，对于空间比较紧张的产品则必须选用这种形式。牵涉到芯片就必须要考虑到写入器，编译器以及集成开发环境的问题。通常进行嵌入式开发使用两种语言即汇编和 C，各个厂家的芯片对这两种语言所定的标准并不相同，因而选用某种芯片时就必须要考虑到程序开发和编译写入的问题。通常一个通用的写入器要几千到上万元，一个带编译器的集成开发环境也要几万元，这对于一般的实验性小项目是不

(17)

11

适合的，只有进行自主开发，一次性开发完成，以后做类似的课题就可以进行移植，

不必从头再来了。

在作者以前的研究和开发过程中一直使用的是 FreeScale 公司(原 Motorola 公司的半导体部分)的 MC68HC908GP32 芯片(以下简称 GP32)^[16]，但在本系统需求分析后时，发现这款芯片不能适合用户要求，具体表现如下：

(1) 机器人平台中要使用到多路的 PWM 信号，而 GP32 芯片中只有两路 PWM 信号输出，不能够满足要求。

(2) 机器人平台中要求至少 35 个通用 I/O 引脚，GP32 一共只有 34 个。

(3) 机器人平台中的超声波传感器要求能产生 40KHz 的频率输入，GP32 也难以办到。

针对以上问题，设计中决定采用 FreeScale 公司 2004 年刚刚推出一款新的增强型芯片 MC9S08GB60(以下简称 GB60)。这款芯片中拥有 8 路的 PWM 输出，56 个通用的 I/O 口，最高达 20M 的内部总线频率，弥补了 GP32 所存在的不足，满足了用户的要求，在下一节中将会详细介绍这款芯片。

本平台设计中要选择的另一款芯片是电机驱动芯片。因为电机驱动电流较大，因而不能简单地接在芯片的引脚上，必须用专门的驱动芯片来驱动。经过调研决定采用 L298 芯片来实现驱动，它的驱动电压最高可达 46V，工作电流可达 2A，是一个理想的小电机驱动芯片。

3.2 硬件说明

3.2.1 主控芯片 MC9S08GB60

GB60 芯片主要有以下特征^[17]：

(1) 60KB 的 Flash 存储器，具有密码保护和在线编程能力 (2) 4KB 片内 RAM

(3) 2 个异步串行通讯 SCI 口，1 个同步串行通信 SPI 口 (4) 56 个通用 I/O

(5) 8 通道的 TIMER/PWM (6) 8 个键盘中断口

(7) 8 个模数转换口

(18)

(8) 背景调试模式 (9) 100Kbps 的 I²C 总线 (10) COP,IRQ,TRI 功能模块

GB60 的功能结构框图参见附录 A.1,其主要的功能模块介绍如下：

(1) CPU HCS08 核：GB60 的处理器使用了增强型的 HCS08 核，它虽然还是 8 位的处理器，但是比原来的 HC08 核已有了大大的增强，最高总线频率可达 40M，即最小的指令执行时间可达 25ns；最长的操作指令 RTI 需要 11 个指令周期，也只要 275ns。

同时它增加了更多的 16 位操作指令，使得对于 16 位寄存器 HX 操作更加灵活方便。

(2) 存储器：GB60 寻址空间为 64K，存储器的映像图见附录 2 所示，其中包括：

61268 字节的 Flash、4096 字节的 RAM、127 字节的直接页寄存器和 44 字节的间接页寄存器。

其中 Flash 区分为两块一块大小为 1920 字节，通常我们在其中存放驻留在系统中的一些程序，比如监控等；另一块大小为 59348 字节，这一块用来存放用户程序。

(3) 串行通信模块：GB60 芯片中有两个串行通信模块，它们二者所用的寄存器各不相同，相互独立工作，互不影响。

(4) 定时器和脉宽调制模块：GB60 中有两个定时器和脉宽调制模块，它们和PTD 口复用，PTD0～PTD2 对应模块 1 中的三个通道，PTD3～PT7 对应模块 2 中的 5 个通道，两个通道独立工作互不影响。

(5) 模数转换模块：GB60 中提供了 8 路的模数转换通道，它与 PTB 口复用。8 路通道互相独立工作。

(6) 背景调试模块：这一模块是新推出的增强型芯片中新增加的功能，它提供的背景调试方式数据通信速度快，调试方便，使得系统中实现写入和调试功能更加简单。

这一部分内容在写入器一章中会作详细的介绍。

3.2.2 电机驱动芯片 L298

L298 是一双全桥电机驱动芯片，可驱动两组电机。具有以下的电气特性^[18]： (1) 电源驱动电压 Vs 可达 5V～46V，逻辑支持电压 Vss 为 4.5V～7V；

(2) 输入高电压 Vih 为 2.3～Vss，输入低电压为 0V～1.5V；

(19)

13

(4) 相应速度快，提供纳秒级的响应速度；

(5) 提供过温保护，工作温度范围可达-25℃～130℃，正常工作温度为 13℃～35

℃。温度过高或温度过低时，芯片均会停止工作，防止其损坏。

拥有了以上的特性完全能够满足机器人硬件平台的电机驱动要求。

3.3 硬件电路设计 3.3.1 硬件功能概述

如图 3-1 所示为 SD-HCS08-ROBOT 教育机器人基础开发平台的硬件电路板结构框图。

由图中可以看出此硬件平台应该具有以下功能：

(1) 四路直流电机控制接口；

(2) 四路伺服电机控制接口；

(3) 8 路的 AD 信号接口(接传感器)；

(4) 两路液晶模块接口(汉字和英文)；

(5) 串行下载接口；

(6) 9V，7.2V，5V，3.3V 电源接口；

(7) BKGD 接口。

图 3-1 SD-HCS08 教育机器人基础开发平台的硬件电路板结构框图 9V/7.2V 电源

7805&1085

主控芯片 (MC9S08GB60)

第一组电机(L298) (PWM1) 电机 1 电机 2

串行接口(MAX232) 蜂鸣器

LCD

接口( 字符液晶)

5V 电源

AD 接口(传感器) AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7

伺服电机

PWM2 PWM 3 PWM 4 PWM 5

LCD

接口( 点阵液晶)

电机 3 电机 4 (PWM0) 第二组电机(L298)

BKGD 口

(20)

3.3.2 电路原理图

3.3.3 硬件连线

如图 3-3 为 SD-HCS08-ROBOT 教育机器人基础开发平台硬件电路板连线框图。由图中可以看出，硬件连线可分为六大块：主控芯片外围电路以及控制连线，电源控制电路，电机驱动电路，串行通信电路，传感器接口电路和液晶驱动电路。

(1) 主控芯片外围电路以及控制连线^[17]。

1 2 3 4

A B C D 4

3 2

1

D

C

B

A

Title

Number Revision

Size B

Date: 27-Mar-2005 Sheet of

File: E:\毕业设计\HardWare\20050217\Robot.DDBDrawn By:

U1C2

20P U1Y1

4M

U1C1

15P U1R1 10M

U1R2 100 GND

U1C5 0.1u

3.3V

+

U1C6 10uF

12

J_rst RESET

1 RST

PTE217

3 PTC0

PTB0 33 4 PTC1

PTE318

5 PTC2

PTD328

6 PTC3

PTE419

7 PTC4

PTD227

8 PTC5

PTE520

9 PTC6

PTD126

14 PTE0

VSS23

15 PTE1

PTD025

16 IRQ

VDD24

PTA2 48

PTA349

PTG1/XTAL59 PTA450

PTG0/BKGD58 PTA551

VSSAD57 PTA652

VDDAD56 PTA753

PTB1 34 MC9S08GB60(64Pins)

PTB2 35

PTA1 47

PTB3 36

PTA0 46

PTB4 37 VrefL 42

PTB5 38 VrefH 41 PTB6 39 PTB7 40 2 PTG7

10 PTC7 11 PTF2 12 PTF3 13 PTF4

PTE621 PTE722 PTD429 PTD530 PTD631 PTD732 PTF7 45 PTF6 44 PTF5 43

PTF054PTF155

PTG2/EXTAL60PTG361PTG462PTG563PTG664

U1

RD

WRC/D

AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7

BKGD

KBIn0 KBIn1 KBIn2

KBIn3

KBIn4

U1C4 0.1u 3.3V U1C3 3.3V

0.1u

12

J_bkgd BKGD

BKGD

LCDD0 LCDD1 LCDD2 LCDD3 LCDD4 LCDD5 LCDD6 LCDD7

TXD RXD INT0

VSS VDDPWM1PWM2 PWM3PWM4PWM5 PWM0PWM7 PWM8 PTG2PTG1

GB60RST

VrefL VrefH

12

3

J2 LM1085 3.3V

VCC

232TXD 232RXD RXD TXD VCC

1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15 16 U2

MAX232

VCC U2C5 1uF U2C4

1uF U2C3 1uF

U2C1 1uF U2C2 1uF

VCC

J4R1 100 J4C1 0.1uF 1 2 J4

POWER J4D1

POWER

232TXD 232RXD

1 2 3 4 J3

232A VCC

J3R1 100 J3D2 SerialLight

J3D1 3.3V

J2R1 30 J2C1 0.1uF

J2D1 POWER

1,2EN1

1A21Y3

4455 2Y62A7

VCC2 8

3,4EN9

3A103Y11

12121313 4Y144A15

VCC1 16

SN754410

U3 U4_VCC

M1IN1M1IN2M2IN1

M2IN2 M1P1M1P2M2P1M2P2

VCC-M

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 J6

J6R1 LCD J6R2 1K VCC 10K

123

JP10 AD0

123

JP11 AD1

123

JP12 AD12

1 23

JP13 AD13

1 23

JP14 AD14

1 23

JP15 AD15

12 3

JP16 AD15

12 3

JP17 AD16

VCC

AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7

PWM0U3R110K

LCDD0 LCDD1 LCDD2 LCDD3 LCDD4 LCDD5 LCDD6 LCDD7

PTE2 PTE3 PTE4 PTE5 PTE6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 J5

LCD PTE2 PTE3 PTE4 LCDD1 LCDD2 LCDD3 LCDD4 LCDD5 LCDD6 LCDD7

LCDD0

PTE2PTE3 PTE4PTE5 PTE6PTE7 PTF0

PTF1

PTF2 PTF3 PTF4

PTF5 PTF6 PTF7

PTG3PTG4

PTG5PTG6

PTG7

R18 100 Beep 5V

R13 39 D6

CardBeeplight

PTF0

J6Q1 9012

PTE7J6R3

1K J6R4

100

VCC

SenseA1 Out12 Out23 Vss4 In15 EnA6 In27 GND8 Vss9 In310 EnB11 In412 Out313 Out414 SenseB15 U4

L298(15)

U4_VCC 1

2 J7

CON2

1 2 J71

CON2

U4R1 PWM0 10K Q2

9012

VCC

PTG3 PTG4 PTG5 PTG6 123

JP25 PWM1

123

JP22 PWM2

123

JP23 PWM3

1 23

JP24 PWM4

PWM5 PWM2 PWM3 PWM4

M1IN1 M1IN2

M2IN1 M2IN2 M1P1M1P2

M2P1M2P2 SenseA1 Out12 Out23 Vss4 In15 EnA6 In27 GND8 Vss9 In310 EnB11 In412 Out313 Out414 SenseB15

U5 L298(15)

U5_VCC 1

2 J8

CON2

1 2 J81

CON2 U5R1 PWM1

10K

PTF1 PTF2 PTF3 PTF4

1 2 3 4

8 7 6 5 S1

SW DIP-4 R_sw*4 10K

3.3V

R_Q2 1K

123

J1 7805

VCC_In VCC

GND

J2 3.3V Power J3 Serial Interface J4 5V Power J1 Other Power(>=5V)

J5 English LCD J6 Matrix Character LCD J7 J71 DC Motor Interface1 J8 J81 DC Motor Interface2 J10---J17 AD Interface J22---J25 ServoMotor Interface J_bkgd BKGD Interface J_rst Reset Interface U1 Main Control Chip U2 Serial Control Chip U3 Motor Control Chip 1 U4 U5 Motor Control Chip 2

J2D1 3.3V Power Light J3D2 Serial Light J4D1 5V Power Light J1D1 Other Power Light

Vcc_In

J1R1 500 J1C1 0.1uF

J1D1 POWER

图 3-2 SD-HCS08 教育机器人基础开发平台的硬件电路板电路原理图

MC9S08GB60

传感器 AD 模块电机模块

串行通讯接口

液晶驱动

图 3-3 机器人平台硬件连线框图电源模块

(21)

15

在写入器一章中已经详细介绍了 GB60 芯片的外围电路，在此不再重复，以下将重点介绍 GB60 与外界接口的连线。

① PTA:PTA 口为程序选择开关接口，分别表示程序 1，程序 2，程序 3，程序 4。

优先级从高到低分别为 1，2，3，4，表示系统执行时运行的程序，当四个开关均为打开时执行默认程序。

② PTB:PTB0～PTB7 接 AD 转换的 8 根数据线 AD0～AD7。

③ PTC:PTC0～PTC7 接 LCD 的 8 根数据线 DB0～DB7。

④ PTD:PTD0～PTD7 接 PWM 的 8 根数据线 PWM0～PWM7。

PTD0【25 脚】：(O)接 PWM1，第二组直流电机.

PTD1【26 脚】：(O)接 PWM2，伺服电机 1。

PTD5【30 脚】：(O)接 PWM0，第一组直流电机。

⑤ PTE:PTE0，PTE1 串行口发送和接收脚；PTE2～PTE7 分别接 LCD 控制信号脚。

PTE0【14 脚】：(O)串行口发送脚 TXD。

PTE1【13 脚】：(I)串行口接收脚 RXD。

PTE2【16 脚】：(I)接 LCD 的 A0 引脚，数据指令选择脚。

PTE3【19 脚】：(I)接 LCD 的/RD(E1)引脚,屏幕前半区域选择脚。

PTE4【24 脚】：(I)接 LCD 的 R/W 引脚，读写控制脚。

PTE5【22 脚】：(I)接 LCD 的 E2 引脚，屏幕后半区域选择脚。

PTE6【26 脚】：(I)接 LCD 的/RES 引脚，液晶块复位引脚。

PTE7【25 脚】：(O)接 LCD 的背光驱动引脚，低电平亮，高电平暗。

⑥ PTF:PTF0 蜂鸣器驱动脚，PTF1～PTF4 第一组电机驱动引脚。

PTF0【54 脚】：(O)接蜂鸣器及其指示灯的驱动脚，低电平响，高电平不响。

PTF1【55 脚】：(O)第一组电机驱动脚 1。

(22)

⑦ PTG:PTG0 为 BKGD 引脚，PTG1，PTG2 晶振，PTG3～PTG6 第二组电机驱动引脚。

PTG0【58 脚】：(I)BKGD。

PTG1【59 脚】：(I)XTAL 晶振 1。

PTG2【60 脚】：(I)EXTAL 晶振 2。

PTG3【61 脚】：(O)第二组电机驱动脚 1。

(8) 其他

Vss 【3 脚】：电源地。

Vdd 【7 脚】：3.3V。

RST 【28 脚】：复位脚。过 10K 电阻接 VCC，过 0.1uF 的电容 C2 接地；复位按钮与一 51 欧姆电阻串连并将它们并联接到电容 C2 两端。

(2) 电源控制电路

由于系统工作时有三路电源，即主控芯片工作电源 3.3V，电机及其驱动芯片工作电源 5V，外接电池电压通常为 6V～9V,因此在设计时选用了两个电源转换芯片 L7805C 和 LT1085。具体介绍如下：

① L7805C 5V 电源转换芯片

【1 脚】VCC_in 【2 脚】GND 【3 脚】VCC

VCC_in 输入大于 5V 时，输出引脚 VCC 为 5V;当 VCC_in 输入小于 5V 时，输出引脚 VCC=0。

② LT1805 3.3V 电源转换芯片

【1 脚】VCC 【2 脚】VDD 【3 脚】GND

VCC 输入大于 3.3V 时，输出引脚 VCC 为 3.3V;当 VCC_in 输入小于 3.3V 时，输出引脚 VDD=0。

(3) 电机驱动电路 ① 直流电机控制

(23)

17

【1 脚】SensorA 【2 脚】Out1 【3 脚】Out2

【4 脚】Vss 工作电源【5 脚】In1

【6 脚】EnableA 电机驱动引脚 1,2 使能【7 脚】In2

【8 脚】Gnd 【9 脚】Vss 工作电源【10 脚】In3

【11 脚】EnableB 电机驱动引脚 3,4 使能位【12 脚】In4

【13 脚】Out3 【14 脚】Out4 【15 脚】SensorB

如图 3-4 所示为 L298 驱动电机的连接图^[18]。在图中 Vss，GND 接电源和地。Sense 脚过感应电阻接地，用于控制驱动电流的大小,通常此感应电阻接 0.5 欧姆。In1，In2，

In3，In4 接芯片的控制引脚，Out1，Out2，Out3，Out4 接电机控制引脚。InX 与 OutX 成为一对，控制线 InX 高，OutX 高；控制线 InX 低，OutX 低。InX 驱动电流较小，

OutX 驱动电流较大。当然 InX 能控制 OutX 的前提是 EnableX 引脚上加了高电平，因而通过控制 EnableX 的高低电平的占空比可以控制电机转动的速度。如此通过其中的一对控制引脚比如 A1，A2 就控制一个电机的转动：如 PWM1=1，A1=1，A2=0，电机正转；PWM1=1，A1=0，A2=1，电机反转；PWM1=1，A1=0，A2=0，电机停转；PWM1=1，A1=1，

A2=1，电机停转。通过两个电机的协同工作就可以完成机器人的行进动作了。

② 伺服电机控制

【1 脚】Vss(GND) 【2 脚】Vcc

【3 脚】Control

如图 3-5 为伺服电机控制示意图,用它来控制机器人的手臂的转动.标准的伺服电机有三条控制线，分别

A3 A4 Motor2

Motor1

Vss Vss

图 3-4 L298 驱动电机示意图

SenseA Out1 Out2 Vss In1 In2

EnableA GND Vss In3 EnableB In4 Out3 Out4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 SenseB15

2 1

PWM1

A1 A2

PWM2

伺服电机

1 2 3

Vcc

Gnd Control

图 3-5 伺服电机控制示意图

(24)

为：Vcc、Gnd 及 Control。Vcc 与 Gnd 用于提供内部的直流电机及控制线路所需的能源，电压通常介于 4V—6V 之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离(因为伺服电机会产生噪音)。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时

间通常在 1ms 到 2ms 之间，而低电平时间应在 5ms 到 20ms 之间，并不很严格^[19]，图 3-6 给出了一个典型的 20ms 周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服电机的输出臂位置的关系。

(4) 串行通信电路

【11 脚】主控芯片串行发送脚【12 脚】主控芯片串行接收脚

【13 脚】232TXD MAX232 发送端，过 100 欧姆接串行指示灯 D3。当 MCU 通过串行口向外发送数据时，D3 闪亮。

输入脉冲宽度(周期 20mS) 伺服电机输出臂位置

图 3-6 输入脉冲与伺服电机输出臂位置对应图 0.5ms

1.5ms

2.5ms 2ms 1ms

+ + +

+

Vcc 16 GND 15 T1OUT 14 R1IN 13 R1OUT 12 T1IN 11 T2IN 10 R2OUT 9 1 C1+

2 Vs+

3 C1- 4 C2+

5 C2- 6 Vs- 7 T2OUT 8 R2IN

图 3-7 MAX232 引脚示意图

232Txd 232Rxd

Txd Rxd Vcc

Vcc

(25)

19

【14 脚】232RXD MAX232 接收端。

【15 脚】GND 接地。【16 脚】VCC 电源。

主控芯片 GB60 通过 MAX232 芯片实现与 PC 的通信，由此来完成程序的下载。

MAX232 的主要功能是实现信号电平的转化，在发送端需要用驱动电路将 TTL 电平转换成 RS-232C 电平，在接收端需要用接收电路将 RS-232C 电平转换为 TTL 电平^[20]。

(5) 传感器接口电路

传感器接口是用来采集各种传感器的信号，GB60 提供 8 路 10 位的 AD 采样，具体位置见图 3-8 的结构框图。AD 的接口可连接灰度传感器，红外传感器，超声波传感器,钢铁传感器，噪音传感器等各种类型的传感器，图 3-8，给出了传感器与 AD 口的接线方式。Vcc 和 Gnd 可为外接的传感器提供电源，从 Signal 引脚可获得 AD 的采样信号。

(6) 液晶驱动电路

① LCD1 英文液晶驱动引脚

【1 脚】GND 【2 脚】VCC 【3 脚】VEE 【4 脚】RS(PTE2)

【5 脚】R/W(PTE3) 【6 脚】E(PTE4) 【7 脚】～【14 脚】DC0～DC7

【15 脚】空【16 脚】GND

② LCD2 点阵液晶驱动引脚

【1 脚】Vss(GND) 【2 脚】VCC 【3 脚】Vo 【4 脚】A0(PTE2)

【5 脚】NC 【6 脚】R/W E2(PTE3) 【7 脚】NC

AD 接口

1 2 3

Signal

Vcc Gnd

图 3-8 AD 接口连线示意图

LCD7

PTE7 LCD6 LCD5 LCD4 LCD3 LCD2 LCD1 LCD0 PTE5 PTE4 PTE3 PTE2

LCD1

图 3-9 液晶驱动电路 19 18 17

20 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 15 14 13

16 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Vcc

LCD2

Control Q1

Vcc

(26)

【8 脚】/RD(E1) (PTE4) 【9 脚】R/W(PTE5)

【10 脚】~【17 脚】DB0～DB7(PTC0~PTC7) 【18 脚】/RES(PTE6)

【19 脚】LEDA(驱动) (VCC) 【20 脚】LEDK(PTE7)

如图 3-9 所示为液晶驱动模块的连接图，图中给出了两套液晶连接方式，即英文字符液晶^[21]和点阵字符液晶^[22]。它们二者复用了部分引脚，因而二者不可同时使用。

点阵液晶可以用来显示汉字或者是任意的点阵图形。

3.3.4 硬件测试

嵌入式系统包含软硬件两部分内容，而软件的设计必须建立在稳定的硬件基础上。当硬件设计完成后，进行布板加工，电路板做好以后就要进行焊接了。当电路板第一次焊接时，并不知道电路板是否有问题，一般采用边焊接边测试的方式进行，这样可以避免由于所有的元器件都焊好后才发现有问题，这时很难定位错误的位置。当然对于可以独立测试的元件也可以把相关的元件焊好后做独立的测试。

在本平台电路板焊接时要遵循以下测试步骤：

(1) 电源测试

拿到电路板后首先测试电源和地是否短路，如果没有短路焊接电源转换芯片 L7805C 和 LT1085，焊接完毕后观察相应的指示灯是否正常工作。然后用万用表测试电压是否正常，一切正常，继续焊接。

(2) 主控芯片写入监控测试

主控芯片的监控程序写入是通过写入器写入的，它只要简单的外围支持电路就可以完成写入。当写入完成后应该从串行口不断的向外发出握手信号，电路板上的串行指示灯不断的闪烁。利用串口调试工具可以收到握手信号 73。

(3) 主控芯片在线写入测试

当串行模块全部焊接好以后就可以通过串行口和上层的集成开发环境相连接，实现程序的在线的写入。

至此说明芯片已经正常工作。其他元件可以焊接了。

(4) 独立的电机驱动测试

电机驱动芯片由于其工作并不一定要主控芯片来控制，直接用电平信号驱动也能够实现，所以这一部分内容可以单独的测试。接线方式如图 3-4 所示，在 A1，A2，

中文摘要

中文摘要

ABSTRACT

目 录

第一章 绪论

1.1 基本概念及其研究背景 1.1.1 教育机器人的概念

1.1.2 研究的意义

1.1.3 针对对象

1.2 教育机器人的发展 1.2.1 产生背景

1.2.2 发展历史

1.2.3 现状

1.2.4 前景

1.3 教育机器人基础开发平台的 设计思想

1.4 毕业设计工作及论文结构 1.4.1 毕业设计工作

1.4.2 论文结构

第二章 设计方案

2.1 目前教育机器人基础开发平台的特点分析

2.2 SD-HCS08-Robot 开发平台的基本思路

2.2.1 机械平台

2.2.2 硬件平台

2.2.3 软件平台

2.3 SD-HCS08-Robot 开发平台的特点 2.3.1 图形化界面设计

2.3.2 类 C 语言使用

2.3.3 硬件平台和机械平台分离设计

第三章 硬件设计 3.1 选型的原则

3.2 硬件说明

3.2.1 主控芯片 MC9S08GB60

3.2.2 电机驱动芯片 L298

3.3 硬件电路设计 3.3.1 硬件功能概述

3.3.2 电路原理图

3.3.3 硬件连线

3.3.4 硬件测试

目录

第一章绪论

1.3 教育机器人基础开发平台的设计思想

第二章设计方案

第三章硬件设计 3.1 选型的原则