[提要] 这一系列文章主要是为了帮助初学者入门，借助“寻迹小车”这个项目逐步进入嵌入式控制领域。
本篇主要描述反射式光电轨迹采样的硬件设计。

      前面已完成了控制部分中的电机驱动器设计，以下着手轨迹采样及逻辑控制部分的硬件设计。

5.4 轨迹采样及逻辑控制部分硬件设计

5.4.1 设计背景


       轨迹采样部分没有考虑采用独立方式，主要是因为控制过程中需要一些过渡信息，以便于编程者实现自己独特的控制逻辑。

       由于寻迹小车逻辑不太复杂，而且项目主要目的是引导初学者入门，所以逻辑控制仍使用STC12C410AD单片机。实际上电机控制部分目前并未用到AD功能，主要是为了和逻辑控制部分统一，便于采购，所以均选用了带AD的芯片（对应有不带AD的，价格只便宜1元）。

       同时，为了逻辑控制部分可以单独工作，比如作为RCX的输入扩展器，实现类似我以前发表过的“LEGO用轨迹传感器”的功能，所以在设计上做了考虑。

       由于采样部分和逻辑控制部分合并后，无法排入一块可以放在前述小机壳中的PCB，所以也采用的双板结构，这样又多出一部分空间，就增加了一个小电流的驱动电路，以便可以实现一个简易的小车。

5.4.2  需求

    1）采集4路反射式光电采样器；
    2）根据采样信号输出相应的电机控制信号，实现走轨迹；
    3）可以通过串口输出电机控制信号
    4）可以输出标准的PWM（宽度1 – 2 ms 、周期20ms）电机控制信号；
    5）可以直接输出两个电机的H桥控制信号，以便省去电机驱动控制，实现低成本的小车，或者用于提高编程的难度；
    6）支持模拟输入功能，可接GP2D12 等模拟量输出传感器；
    7）提供一路PWM方式的DA转换输出，以便作为RCX的输入扩展模块。
    8）电源应支持单节电池供电，以便于作为独立模块使用。

5.4.3 概要设计

       采用STC12C54xxAD系列单片机作为控制核心，控制、采集4路采样电路，采样电路中设计了背景光去除功能。

       电源设计了从1V升压到5V的电路，以便于为扩充的输入器件供电，如GP2D12。而后再经3.3 V稳压器降压作为MCU的电源。这样设计使用1 - 2节7号或5号电池就可以工作，体积大大缩小。

       电机驱动部分设计提供最大1A的驱动能力，电机的工作电压可变，以满足不同电机的需要。

5.4.4详细硬件设计

        STC12C54xxAD系列单片机有8路10位AD转换器，虽说采用的是扫描方式逐个完成，但其一个通道的A/D转换时间在22.1184MHz 主频下只需约10us，加上通道间的切换时间，4个通道采样时间不到60us，所以可以满足4通道轨迹采样的要求。由于P1.0、P1.1 有可能要作为ISP编程的控制引脚，所以用P1.4 – P1.7 四个通道作为轨迹采样通道。

    MCU资源分配汇总：
    I/O口：
    P1.0 — P1.1  ——  ISP控制口, 兼作通用模拟输入口；
    P1.2 — P1.3  ——  通用模拟输入口；
    P1.4 — P1.7  ——  4路光电采样信号输入；
    P2.0 — P2.3  ——  马达1 的4个驱动，使用PCA2 控制;
    P2.4 — P2.7  ——  马达2 的4个驱动，使用PCA3 控制;
    P3.0 — P3.1  ——  TXD、RXD端，作为ISP使用，兼作为通用的串口；
    P3.2 — P3.3  ——  通用的开关量输入口，
    P3.4    ——  工作指示灯
    P3.5          ——  用PWM输出模拟信号给 RCX；
    P3.7          ——  控制光电采样器的背景采样，4路共用！

    内部资源：
    T0  ——  系统时基
    T1  ——  串口波特率
    PCA0 —— 生成背景采样控制，编程时看是用时基程序控制，还是PWM硬件控制。
    PCA1 —— D/A输出给 RCX
    PCA2 —— 马达1 的PWM控制
    PCA3 —— 马达2 的PWM控制
    INT0、INT1 —— 保留给开关量输入。

       采样电路中第一级作为电压跟随器，提高输入阻抗，减少后级电路对光电管的影响，同时增加驱动能力，保证在Tx1截止、Tx2导通状态下，能可靠的对Cx1充电，实现对背景光强度的记忆。

       第二级是一个减法器，同时兼作放大。采样时，Tx1导通，点亮LED，Tx2 截止，第二级的输入实际上为此时的光电信号减去刚才电容上记忆的信号，达到了去除背景光的目的。

       PCA1 设计为DA输出用的PWM，以提供RCX输入所需的模拟信号，由于单片机采用的是3.3 V电源，输出使用LMV358做了电平转换，同时使用一个全桥电路实现与RCX的“无极性”连接。为了降低二极管带来的电压损失，使用了4个肖特基二极管，其正向压降约为0.15V，而普通整流管约为0.6V。

       电源采用NCP1402开关型升压芯片，所需器件较少，电路简单，输出电流约200 mA（详查NCP1402手册）。

       电机驱动部分使用的是长电的SS8050和SS8550作为功率驱动，标称最大电流1.5A。为了便于使用不同的电压驱动电机，电路上将电机驱动电压分开，其中的电阻值需要根据所使用的电压确定。由于空间有限，没有设计短路防护，在编程时要十分注意。而且只设计了H桥下臂的两个二极管，作为PWM调功必须的续流通路，省去了上臂的保护二极管，所以在软件编写时须注意，尽量避免同时切断所有桥臂，导致电机线圈产生高压，击穿三极管。

       发光二极管的设置主要是为了便于监测程序的运行状态，可以根据需要改变LED闪烁的方式，达到调试或状态检测的目的。

       电路设计上为了便于作为其他用途，PCB上留出了可以扩充的I/O口，包括：

    1）4路可作为模拟输入的I/O口，接内部A/D转换器；
    2）2路数字I/O，接内部外部中断，可灵活作为各种用途的监测；
    3）TXD、RXD串口，既作为编程的接口，也可在执行用户程序时作为通用的数据接口；
    4）提供了3.3V和5V两种电源，便于扩充需要。

      为了增加灵活性、减小PCB，仍然采用软线引出，使用空中对接插头连接（插头资料见之二的附件），这样可以方便的按照自己的需要接出所需的信号，而不会受制于直接设计在PCB上的插座的约束。

      从PCB的设计上可以看出，如果需要更复杂可靠的轨迹采样，可以再接一块采样板，使用保留的4路A/D通道，实现8个轨迹采样或者其他特殊的需求。

5.5 硬件设计总结

      至此，控制硬件设计基本完成，综观上述设计，尤其是PCB的设计，应当可以看出，整个设计的宗旨均贯穿着这样的理念：

    1）便于灵活的组合，以达到不同的目的，满足不同的需求；
    2）尽量使所做的东西可以不断的被利用，以发挥其最大价值；

    两个部分总共有4块PCB，他们可以灵活组合，每一块PCB又都可以方便的作为其它用途：
    1）H桥部分可以作为其它主控板的功率驱动部分；
    2）采样部分也可以单独作为光电采样的信号预处理；
    3）电机驱动器的控制部分可作为一个通用的最小系统，方便的构成一些智能部件 。

       硬件设计到此为止，在实施中也许会做适当改进。

（未完待续）

附件：

1）电原理图、PCB、元器件清单（供参考）8912906836193.rar

参考资料：

1）NCP1402 数据手册
2）《电动机的单片机控制》王晓明编著  北京航空航天大学出版社

(20060715)