機器人常用的單片機使用經驗

四 愛好者制作機器人首選 AVR系列單片機

1 簡介

AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速8位單片機。高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位一直是衡量單片機性能的重要指標，而AVR單片機是典型高性能單片機。
早期單片機，比如51單片機為了提高可靠性（防止數據誤讀或跑飛）采用較高的分頻系數對時鐘分頻，使得指令周期長，執(zhí)行速度慢。例如51單片機需要12個晶振周期才能組成1個機器周期，而且很多指令需要2個機器周期才能執(zhí)行。AVR單片機的推出，徹底打破這種舊設計格局，廢除了機器周期，采用精簡指令集，取指周期短，又可預取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。AVR單片機在12個晶振周期中能執(zhí)行12條指令，從這個角度看，如果晶振頻率相同，AVR的速度是51的12倍到24倍。
AVR有32個通用寄存器，在進行大量復雜運算時，AVR的32個寄存器可相當于51的32個累加器，克服了51系列單片機只有單一累加器數據處理造成的瓶頸現(xiàn)象，在復雜運算時速度比51快5倍以上。由此可看出，51與AVR相比是多么慢，AVR是多么快。
AVR系列單片機多內部集成了多路AD轉換器、電壓比較器、ISP、I2C、JTAG總線電路、UART串口、大功率IO口、看門狗等實用電路，并且很多AVR單片機型號有EEPROM、FLASH、SRAM三種存儲器，可以實現(xiàn)實時修改程序存儲器中的內容，即AVR單片機可以自己修改自己的程序。同時AVR一般能工作在寬電壓范圍（2.7～6.0V），有的居然可以在1.8V電壓下工作。以上這些性能只是AVR眾多性能中的一部分，然而已經讓51系列單片機望塵莫及了。
如此高性能的單片機價格居然和51單片機差不多，比如ATmega8價格為8元左右，ATmega16在13元左右，這是AVR有極高性價比的真實寫照。


2 性能
AVR家族人丁興旺，包括ATinyAVR（微小型）、低功耗類、ATmegaAVR高中低檔5類單片機。它們都基于同一核心技術，但在內部集成的電路多少上有不同。不論你要做電子手表還是視頻處理，都有一款合適的AVR單片機能滿足你的需要。
本文只列出ATmega16中檔單片機的性能：
16KB的FLASH程序存儲器；512B的EEPROM；1KB的SRAM；32個快速寄存器；32個大功率IO口；20個中斷；2個外部中斷口；有SPI、SUART、I2C總線接口；2個8位定時器；1個16位定時器；3個PWM通道；有實時時鐘RTC；8個10位AD通道；電壓比較器；看門狗；內置時鐘振蕩器；JTAG接口；ISP在線編程；電壓范圍為2.7V-5.5V；外部時鐘晶振0-16MHz；有PID和多種貼片封裝。
AVR的IO口能輸出20mA和吸收40mA的電流，不僅可直接驅動LED,甚至可直接驅動微型直流減速電機。而且AVR的IO口可編程設置成輸入、輸出、高阻態(tài)狀態(tài)，是真正的3態(tài)IO口。和51相比使用AVR開發(fā)產品你會發(fā)現(xiàn)前所未有的方便和自由。
AVR單片機可上操作系統(tǒng)，比如UCOS2、Linux等，自主編程實現(xiàn)操作系統(tǒng)功能也很容易。
根據任務具體需要選擇最合適的單片機，使單片機資源充分利用，使系統(tǒng)性價比達到最高，同時兼顧未來擴展需要，不要一味選用高性能單片機，這就是選單片機的原則。
用ARM+操作系統(tǒng)做超聲波測距儀——殺雞用了牛刀。用AVR中檔單片機做機器視覺——有些吃不消。如果把它們調換一下，一切就恰到好處了。

3 使用方法
學AVR單片機的好書是《AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐》，封面見下圖。
AVR一般采用CVAVR編程軟件編程，也可用GUN GCC AVR、AVR Studio軟件編程?？刹捎脜R編或C語言編程。燒程序前先輸出HEX文件，然后用SLISP（雙龍ISP）軟件加載，再通過ISP編程線或者25針并口連接線燒入AVR單片機，支持在線編程。
由于AVR單片機最小系統(tǒng)很簡單，就是電源+晶振（可不用）+LED+ISP接口（通電就運行，斷電就停止，不用復位電路），因此任何初學者都可以用面包板搭出AVR最小系統(tǒng)，并且編程實踐。
4 實踐經驗
使用AVR單片機時注意要正確設置熔絲位，SLISP軟件就可設置，熔絲位可決定單片機是采用外部晶振還是采用內部時鐘振蕩器，如果熔絲位設置為采用外部晶振，而電路中沒有接入晶振，則AVR程序不能運行。很多初學者忽視了這一點，他們的AVR系統(tǒng)不能運行卻找不到原因。再有就是AVR的IO口在使用前需先編程設置其狀態(tài)，否則你將發(fā)現(xiàn)程序在運行，但IO口沒信號。


4 應用舉例




五 高級機器人控制器 ARM

1 簡介
ARM是一個公司名，他們基于同一內核設計了很多高性能處理器，這些處理器都叫ARM。該技術被很多公司購買后生產出了集成很多功能電路的ARM芯片，使得ARM成為高性能單片機。ARM一般為32位單片機，適于處理大量復雜數據，很多ARM裝上了UCOS2、Windows CE、Linux操作系統(tǒng)，能夠同時運行多個程序。ARM廣泛應用于手機、MP3、GPS導航儀、吸塵機器人等產品上。


六 音頻視頻處理首選 DSP

1 簡介
DSP數字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)，它是一種獨特的微處理器，是以數字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號，再對數字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。
在高速小車巡線、語音識別等領域DSP被廣泛應用。但如果僅用DSP檢測幾個碰撞開關、控制幾個電機顯得大材小用。