基于μCOS—II操作系統(tǒng)的WiFi小車設(shè)計(jì)

江軍+劉占偉+唐文濤

摘 要：文中設(shè)計(jì)了基于μCOS-II操作系統(tǒng)的WiFi小車的軟硬件。該小車通過WiFi實(shí)現(xiàn)無線控制。在硬件方面，該系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)模塊為核心，其他主要由VC平臺設(shè)備、WiFi模塊、穩(wěn)壓電源模塊、測速模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊等組成。軟件方面，完成了上位機(jī)VC設(shè)備程序及下位機(jī)單片機(jī)程序的編寫，同時單片機(jī)中搭載了μCOS-II操作系統(tǒng)。經(jīng)測試，發(fā)現(xiàn)小車性能穩(wěn)定，VC設(shè)備能較好地通過WiFi對小車的運(yùn)動狀態(tài)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

關(guān)鍵詞：μCOS-II；MSP430；WiFi小車；VC

中圖分類號：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

近年來隨著小車的智能化，多項(xiàng)技術(shù)在小車上得到了應(yīng)用，對嵌入式軟件的要求也隨之提升。本文介紹了基于μCOS-II實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的方法，既克服了傳統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法的弊端，又充分發(fā)揮了硬件實(shí)時性的特點(diǎn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，WiFi技術(shù)得到了空前廣泛的應(yīng)用，如應(yīng)用在手機(jī)、電腦、汽車、游戲設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等方面[1]。通過移動設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制已成為新的發(fā)展方向?；讦藽OS-II操作系統(tǒng)的WiFi小車能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，可通過進(jìn)一步開發(fā)來完成一些目前人類無法完成的任務(wù)，具有一定的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

WiFi智能小車以MSP430F149單片機(jī)為核心，該處理器搭載μCOS-II操作系統(tǒng)，由VC平臺設(shè)備、WiFi模塊、穩(wěn)壓電源模塊、測速模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊構(gòu)成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。WiFi智能小車單片機(jī)模塊與WiFi模塊之間通過串口通信。VC平臺設(shè)備可通過WiFi模塊傳輸控制信號給MSP430F149單片機(jī)模塊，以此控制直流電機(jī)驅(qū)動模塊來驅(qū)動電機(jī)。單片機(jī)模塊，直流電機(jī)驅(qū)動模塊和測速模塊形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，自動平衡電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到小車精準(zhǔn)行動的目的。

2 智能小車控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 核心控制器MSP430F149最小系統(tǒng)

核心控制器最小系統(tǒng)圖如圖2所示。控制器是智能小車的核心，該小車采用MSP430F149單片機(jī)作為核心控制系統(tǒng)。MSP430F149是MSP430系列超低功耗微控制器中的一種。它由2個16位定時器、8路快速12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個通用串行同步/異步通信信號接口（USART）和48個 I/O 引腳等構(gòu)成。同時還具有2 KB的片內(nèi)RAM和60 KB的Flash，可方便的在其上掛載操作系統(tǒng)。

MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)外圍電路主要由晶振電路和復(fù)位電路組成。MSP430單片機(jī)的時鐘輸入源可以提供輔助時鐘（ACLK）、系統(tǒng)主時鐘（MCLK）和子系統(tǒng)時鐘（SMCLK）共3種時鐘信號[2]。本系統(tǒng)的晶振電路選用在XT2IN和XT2OUT管腳連接8 MHz高速晶振的高頻時鐘源產(chǎn)生的系統(tǒng)主時鐘信號，外部32.768 kHz的精準(zhǔn)晶振作為系統(tǒng)的子系統(tǒng)時鐘源，提供了精準(zhǔn)的時基，復(fù)位電路選用典型的阻容復(fù)位電路。MSP430單片機(jī)具有上電復(fù)位功能，即上電后保持RST/NMI端口為高電平，在RST/NMI管腳接上10 kΩ上拉電阻與0.1μF的電容可以使復(fù)位更可靠。系統(tǒng)低功耗運(yùn)行時，若系統(tǒng)斷電后立即上電，可使電容中的電荷通過二極管釋放，加速電容放電，確保復(fù)位[3]。

2.2 穩(wěn)壓電源模塊

為了給該小型嵌入式系統(tǒng)提供安全、高效、純凈、易控制的電源，充分考慮小車上各模塊的運(yùn)行環(huán)境，選取12 V鎳氫電池組為系統(tǒng)提供電能。采用TI公司生產(chǎn)的TPS5430芯片作為開關(guān)電源模塊組的核心芯片，可使電源的利用率及效率最大化。該芯片具有5.5 V至36 V的寬輸入電壓，上至3 A的輸出電流，固定500 kHZ的開關(guān)頻率，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%，還具有極低的輸出電壓波紋，并預(yù)留了ENA控制引腳[4]。通過單片機(jī)軟件控制該芯片是否進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了電源高效、安全、純凈、易控的特點(diǎn)。開關(guān)電源模塊組提供了8 V、5 V以及3.3 V的輸出電壓，分別給其它模塊組供電。圖3所示為TPS5430的應(yīng)用電路[4]。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，R1取定值10 kΩ；Vout=8 V 時，R2=1.80 kΩ；Vout=5 V 時，R2=3.24 kΩ；Vout=3.3 V 時，R2=5.9 kΩ。

電容C3大于100 μF即可，C2固定為0.01 μF，系統(tǒng)采用12 V鎳氫電池組供電，電感選取15 μH到22 μH之間為宜。由此，根據(jù)R1及R2的不同取值，可搭建出輸出電壓值為8 V、5 V、3.3 V的電路。

2.3 WiFi模塊

WiFi模塊選取海凌科電子推出的HLK-RM04型號，低成本嵌入式USART-ETH-WiFi（串口—以太網(wǎng)—無線網(wǎng)）無線網(wǎng)模塊。該模塊是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WiFi）3個接口之間的轉(zhuǎn)換。

該模塊支持IEEE8021.11n、IEEE802.11g、IEEE802.11b無線標(biāo)準(zhǔn)以及IEEE802.3、IEEE802.3u有線標(biāo)準(zhǔn)，無線傳輸速率最高可達(dá)150 Mb/s。為控制的實(shí)時性和后續(xù)拓展視頻或音頻數(shù)據(jù)提供了極其便利的條件，智能小車采用該模塊作為數(shù)據(jù)傳輸工具，同時該模塊與電腦、手機(jī)等終端設(shè)備連接，可輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控[5]。小車與無線終端的連接利用HLK-RM04串口轉(zhuǎn)WiFiCLIENT模式，在該模式下，WiFi使能，工作在CLIENT模式下，通過適當(dāng)設(shè)置，COM1的數(shù)據(jù)與WiFi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換。

2.4 L298N電機(jī)驅(qū)動模塊

L298N電機(jī)驅(qū)動模塊的驅(qū)動芯片采用L289N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片。該模塊可驅(qū)動2路直流電機(jī)，使能端高電平有效。利用MSP430F149的timer B輸出不同占空比的PWM信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及速度調(diào)節(jié)。

電機(jī)的額定電壓為5 V到8 V，系統(tǒng)分配給L298N的驅(qū)動電壓為8 V，PWM波占空比為62.5%到100%時電機(jī)才能正常工作。

2.5 測速模塊

測速模塊采用了透射式紅外對管，模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

利用MSP430F149的片內(nèi)外設(shè)timer A對測速模塊采集的脈沖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算出兩邊車輪的轉(zhuǎn)速，然后送入系統(tǒng)。

車輪直徑為6.5 cm，測速碼盤一圈有20個孔，設(shè)單位時間t內(nèi)，單片機(jī)采集到N個脈沖，則小車的實(shí)際車速為：

3 軟件設(shè)計(jì)

核心控制器MSP430F149搭載μCOS-II操作系統(tǒng)管理整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和資源分配。同時還采用PID算法控制小車左右車輪速度保持平衡，利用MSP430F149的timerB輸出四路PWM波控制小車整體行進(jìn)速度及運(yùn)動方向。

3.1 操作系統(tǒng)μCOS-II

軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用小型嵌入式操作系統(tǒng)μCOS-II。μCOS-II的任務(wù)有就緒、阻塞、退出和運(yùn)行四種狀態(tài)，從微觀角度看，某一時刻只有一個任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。操作系統(tǒng)根據(jù)每個任務(wù)自身的屬性，通過系統(tǒng)調(diào)度算法決定這些任務(wù)在何時、何種狀態(tài)下進(jìn)行任務(wù)切換[6]。

傳統(tǒng)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)方法單一，程序只能逐一執(zhí)行，隨著軟件程序功能的增多而變得極其復(fù)雜，難以保證各模塊的實(shí)時性，且模塊之間存在較大的相互干擾，難以設(shè)計(jì)出功能多樣的系統(tǒng)。μCOS-II克服了上述所有缺點(diǎn)，使得編程變得較為容易，保證了程序執(zhí)行的實(shí)時性，同時極大地提高了CPU的利用率。

3.2 PID算法

PID控制器，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。小車左右轉(zhuǎn)輪速度由PID控制器控制，本系統(tǒng)由PID算法軟件模擬PID控制器以完成控制。PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，PID控制器原理框圖如圖5所示。

4 VC開發(fā)環(huán)境

VC平臺設(shè)備所采用的開發(fā)工具是Visual C++6.0。Visual C++6.0簡稱VC或VC6.0，是微軟公司推出的一款開發(fā)工具，它是面向?qū)ο蟮目梢暬幊汰h(huán)境。VC++6.0可以開發(fā)出具有良好兼容性、擴(kuò)展性和交互功能的應(yīng)用程序。VC++6.0能夠提供面向?qū)ο蠹夹g(shù)的支持，所有函數(shù)都通過類封裝起來，包括與用戶界面設(shè)計(jì)相關(guān)的Windows API函數(shù)，并通過MFC類庫的方式使用這些函數(shù)，使代碼的可重用性大大增強(qiáng)。通過VC++6.0的應(yīng)用程序向?qū)ВˋppWizard）生成一個應(yīng)用程序框架，在適當(dāng)位置添加代碼實(shí)現(xiàn)功能。

5 結(jié) 語

基于μCOS-II操作系統(tǒng)的WiFi小車，通過內(nèi)掛μCOS-II操作系統(tǒng)的單片機(jī)核心處理單元、VC設(shè)備及軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采用WiFi無線遙控小車的功能，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，空曠地區(qū)遙控距離大于100米。在該控制系統(tǒng)下，無線遙控小車具有良好的穩(wěn)定性、操控性、擴(kuò)展性、實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]林志翔，肖寶森.新型多功能智能小車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（ 6） ： 134-136.

[2]沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]張福才.MSP430單片機(jī)自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4] 德州儀器公司.TPS5430技術(shù)手冊[EB/OL]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tps5430.pdf.

[5]深圳市海凌科電子有限公司[EB/OL].http：//www.hlktech.com/ch/productshow.asp？id=142#.

[6]楊宗德，張兵.μC/OS-II標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[7]葛國慶，陳豹，胡飛，等.基于嵌入式系統(tǒng)火爐溫度的遠(yuǎn)程無線采集系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（6）：45-47.

[8]付潔，趙晴，楊凱文，等.基于PCA P01的高精度電容測量[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014，4（2）：27-29.