基于ＭＳＰ４３０Ｆ２２３４微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)

摘 要：介紹一種基于MSP430F2234單片機(jī)的微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要由PC機(jī)工作站、MSP430F2234單片機(jī)、nRF24L01無(wú)線收發(fā)電路和微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。設(shè)計(jì)完成微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)硬件電路以及各個(gè)部分的軟件。實(shí)驗(yàn)表明，微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：MSP430微控制器；無(wú)線控制；微型機(jī)器人；串行通訊

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004-373X(2008)02-081-03

Wireless Control System of Micro Robot Based on MSP430F22x4

ZHU Shengqing，ZHANG Hua，LI Zhigang

(Robot Welding Automation Key Laboratory，Nanchang University，Nanchang，330031，China)

Abstract：A micro robot wireless control system is introduced in the paper which is based on mixed signal micro controller MSP430F2234.The control system consists of PC workstations，MSP430F2234 micro controller，nRF24L01 wireless transceiver circuits and micro-stepper motor drive circuit.The hardware circuit and software of wireless control system has been completely designed.The stability，veracity and speediness of the wireless control system on micro robot are very good.

Keywords：MSP430 micro controller;wireless control;micro robot;serial communication

20世紀(jì)80年代以色列基文影像公司開發(fā)出來(lái)胃腸道內(nèi)窺鏡膠囊(M2A)，胃腸道的診療實(shí)現(xiàn)了“微創(chuàng)無(wú)創(chuàng)”。2001年以來(lái)，重慶金山科技(集團(tuán))有限公司在國(guó)家“863計(jì)劃”、國(guó)際合作計(jì)劃和國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃的資助下，在重慶市委市政府領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心支持下，成功地研制出智能膠囊消化道內(nèi)窺鏡(OMOM)系統(tǒng)，技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。膠囊內(nèi)窺鏡完成胃腸道影像檢查；克服了傳統(tǒng)的推進(jìn)式內(nèi)窺鏡體積大，檢測(cè)過程痛苦，不適用于老年、纖弱和危險(xiǎn)病人等缺陷；具有體積小、重量輕、檢查方便、無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)痛苦、無(wú)交叉感染、不影響受檢者正常工作等優(yōu)點(diǎn)。目前，膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：攝像膠囊，數(shù)據(jù)記錄儀和PC工作站。但是膠囊式內(nèi)窺鏡均利用消化道自然蠕動(dòng)來(lái)遍歷整個(gè)檢查區(qū)域，最終隨排泄物排出，整個(gè)過程緩慢而不可控。為實(shí)現(xiàn)膠囊式內(nèi)窺鏡的在人體消化道的運(yùn)動(dòng)控制，必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加入安全有效的驅(qū)動(dòng)并設(shè)計(jì)無(wú)線控制系統(tǒng)。

1 微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和無(wú)線控制系統(tǒng)原理

1.1 微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)原理

理論分析表明，當(dāng)帶有螺旋槽的圓柱體在有粘液的人體內(nèi)腔中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將迫使粘液產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生反作用力將推動(dòng)微型機(jī)器人沿軸向前進(jìn)。另外，當(dāng)微型機(jī)器人在充滿粘液的人體內(nèi)腔中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，并建立一層動(dòng)壓潤(rùn)滑粘液膜，使機(jī)器人處于懸浮狀態(tài)不與內(nèi)腔壁發(fā)生直接接觸，避免對(duì)人體有機(jī)組織的損傷，減輕對(duì)患者的不適和痛苦。

如圖1所示是微型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖。他由帶有矩形螺旋槽的外殼體和內(nèi)殼體構(gòu)成，其中內(nèi)殼體內(nèi)部裝載微型步進(jìn)電機(jī)、攝像頭、紐扣電池、LED驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和MSP430F22x4單片機(jī)控制電路板等，而外殼體安裝在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。微型機(jī)器人外殼體直徑24 mm，總長(zhǎng)度為35 mm。螺旋設(shè)計(jì)成矩形螺紋，螺紋線數(shù)為6，螺紋升角為45°，螺旋槽深為0.5 mm。螺旋槽槽面寬度與螺旋槽槽底寬度加槽面寬度之比為0.1。內(nèi)殼體直徑為20 mm［3］。

1.2 無(wú)線控制系統(tǒng)原理

微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)分為2個(gè)部分：控制命令無(wú)線發(fā)射部分和微型機(jī)器人控制部分。控制命令無(wú)線發(fā)射部分是通過PC工作站串口發(fā)送機(jī)器人的控制指令(方向，加速減速等命令)。微型機(jī)器人控制部分通過接收控制命令改變步進(jìn)電機(jī)的通電脈沖邏輯和頻率，實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

2 微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MSP430F2234和nRF24L01芯片簡(jiǎn)介

TI公司MSP430F2234是一種超低功耗混合信號(hào)微控制器，片內(nèi)具有16位定時(shí)器，通用串行通訊接口、10位A/D轉(zhuǎn)換器和通用運(yùn)放。32個(gè)I/O端口；靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗；數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于1 μs的時(shí)間內(nèi)激活到活躍的工作方式；由于MSP430F2234采用了JTAG技術(shù)，F(xiàn)LASH在線編程技術(shù)等，開發(fā)時(shí)不需要仿真器和編程器。

Nordic公司的nRF24L01是一個(gè)集成接收、發(fā)射器的芯片，工作頻率范圍為全球開放的2.4~2.5 GHz頻段。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制解調(diào)器等模塊。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9.0 mA，接收時(shí)工作電流只有12.3 mA。nRF24L01有4種工作模式：接收模式、發(fā)射模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nRF24L01有2種信息包處理方法ShockBurstTM和增強(qiáng)型 ShockBurstTM。其中增強(qiáng)型ShockBurstTM 使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行容易，更高效。nRF24L01使用增強(qiáng)型ShockBurstTM處理接收包應(yīng)答和重發(fā)丟失包不需要微控制器的參與。nRF24L01配置十分簡(jiǎn)單，所有的配置都是通過SPI定義配置寄存器值實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)無(wú)線收發(fā)模塊信息包描述如圖3所示：

2.2 無(wú)線控制命令發(fā)射部分硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線控制命令發(fā)射部分主要是利用MSP430F2234單片機(jī)的通用串行通信模塊與PC機(jī)工作站的串口通信發(fā)送控制命令。單片機(jī)需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路再和串口連接。硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示，本設(shè)計(jì)采用232芯片，完成3~5 V電平的雙向轉(zhuǎn)換。

2.3 微型機(jī)器人控制電路硬件設(shè)計(jì)

微型機(jī)器人控制電路硬件主要包括無(wú)線接收模塊、單片機(jī)控制器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等，電路如圖5所示。由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向和通電脈沖的邏輯有關(guān)，若正邏輯時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，則負(fù)邏輯時(shí)電機(jī)便反轉(zhuǎn)。并且步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和通電脈沖的頻率成正比。微型機(jī)器人控制電路主要的功能就是根據(jù)接收到的控制命令控制步進(jìn)電機(jī)的通電脈沖邏輯和頻率。實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、加速、減速等運(yùn)動(dòng)控制。

3 微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有無(wú)線控制命令發(fā)射部分和微型機(jī)器人控制2個(gè)部分。無(wú)線控制命令發(fā)射部分為PC工作站和MSP430F22x4單片機(jī)串口通訊，并通過無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送控制命令軟件設(shè)計(jì)。微型機(jī)器人控制部分為無(wú)線收發(fā)模塊接收控制命令并通過單片機(jī)對(duì)微型步進(jìn)電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用模塊化編程的方案，既有利于編程，又有利于軟件功能擴(kuò)展。

3.1 無(wú)線控制命令發(fā)射部分軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的功能主要通過PC機(jī)工作站串口發(fā)送控制命令經(jīng)過單片機(jī)由無(wú)線發(fā)射電路把控制命令發(fā)送出來(lái)。PC上軟件設(shè)計(jì)利用VC++ 6.0中串口MSCOMM控件設(shè)計(jì)，單片機(jī)通過串口中斷和PC機(jī)通訊，而后把控制命令傳送到無(wú)線發(fā)送模塊。單片機(jī)與PC串口通訊中斷程序流程如圖6所示，單片機(jī)接收串口信息并通過無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送控制命令的主程序如圖7所示。

3.2 微型機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)

微型機(jī)器人控制軟件功能很簡(jiǎn)單，主要是通過外中斷服務(wù)程序接收無(wú)線控制信號(hào)，并通過定時(shí)器(Timer-A)中斷控制微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的前進(jìn)、后退、加速、減速等工作狀態(tài)。Timer-A工作在增計(jì)數(shù)模式，捕獲/比較寄存器CCR0定義定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期。微型機(jī)器人下位機(jī)控制主程序流程圖如圖8所示，定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)線微型機(jī)器人控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，快速性和準(zhǔn)確性。本文提出了基于MSP430F2234 微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)工作站無(wú)線控制微型機(jī)器人加速、減速、前進(jìn)和后退運(yùn)行。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王坤東，顏國(guó)正.仿蚯蚓蠕動(dòng)微機(jī)器人牽引力與運(yùn)動(dòng)控制［J］.機(jī)器人，2006，28(1):19-24.

［2］魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［3］于克龍，梁亮，穆曉楓，等.不同螺紋下微型機(jī)器人的無(wú)損傷驅(qū)動(dòng)方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2004，21(5):13-15.

［4］Park H J，Park I Y，Lee J W，et al.Design of Miniaturized Telemetry Module for Bi-directional Wireless Endoscopes[J].IEICE Trans.Fund Electron.Commun.Comput.Sci.，2003，E85-A(6).

［5］張艷輝，黃戰(zhàn)華，蔡懷宇.膠囊式內(nèi)窺鏡無(wú)線圖像傳輸技術(shù)的研究［J］.北京生物醫(yī)學(xué)工程，2006，25(6):623-626.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。