基于ＭＳＰ４３０Ｆ２２３４微型机器人无线控制系统

摘 要：介绍一种基于MSP430F2234单片机的微型机器人无线控制系统。控制系统主要由PC机工作站、MSP430F2234单片机、nRF24L01无线收发电路和微型步进电机驱动电路组成。设计完成微型机器人无线控制系统硬件电路以及各个部分的软件。实验表明，微型机器人无线控制系统具有很好的稳定性、快速性和准确性。

关键词：MSP430微控制器；无线控制；微型机器人；串行通讯

中图分类号：TP368.1 文献标识码：B 文章编号：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世纪80年代以色列基文影像公司开发出来胃肠道内窥镜胶囊(M2A)，胃肠道的诊疗实现了“微创无创”。2001年以来，重庆金山科技(集团)有限公司在国家“863计划”、国际合作计划和国家科技攻关计划的资助下，在重庆市委市政府领导的关心支持下，成功地研制出智能胶囊消化道内窥镜(OMOM)系统，技术达到国际领先水平。胶囊内窥镜完成胃肠道影像检查；克服了传统的推进式内窥镜体积大，检测过程痛苦，不适用于老年、纤弱和危险病人等缺陷；具有体积小、重量轻、检查方便、无创伤、无痛苦、无交叉感染、不影响受检者正常工作等优点。目前，胶囊内窥镜系统主要由3个部分组成：摄像胶囊，数据记录仪和PC工作站。但是胶囊式内窥镜均利用消化道自然蠕动来遍历整个检查区域，最终随排泄物排出，整个过程缓慢而不可控。为实现胶囊式内窥镜的在人体消化道的运动控制，必须在现有基础上加入安全有效的驱动并设计无线控制系统。

1 微型机器人驱动和无线控制系统原理

1.1 微型机器人驱动原理

理论分析表明，当带有螺旋槽的圆柱体在有粘液的人体内腔中运转时，将迫使粘液产生轴向运动，从而产生反作用力将推动微型机器人沿轴向前进。另外，当微型机器人在充满粘液的人体内腔中运转时会产生动压效应，并建立一层动压润滑粘液膜，使机器人处于悬浮状态不与内腔壁发生直接接触，避免对人体有机组织的损伤，减轻对患者的不适和痛苦。

如图1所示是微型机器人的驱动机构示意图。他由带有矩形螺旋槽的外壳体和内壳体构成，其中内壳体内部装载微型步进电机、摄像头、纽扣电池、LED驱动模块、无线收发模块和MSP430F22x4单片机控制电路板等，而外壳体安装在步进电机的转动轴上。微型机器人外壳体直径24 mm,总长度为35 mm。螺旋设计成矩形螺纹，螺纹线数为6，螺纹升角为45°，螺旋槽深为0.5 mm。螺旋槽槽面宽度与螺旋槽槽底宽度加槽面宽度之比为0.1。内壳体直径为20 mm［3］。

1.2 无线控制系统原理

微型机器人无线控制系统原理框图如图2所示，微型机器人无线控制系统分为2个部分：控制命令无线发射部分和微型机器人控制部分。控制命令无线发射部分是通过PC工作站串口发送机器人的控制指令(方向，加速减速等命令)。微型机器人控制部分通过接收控制命令改变步进电机的通电脉冲逻辑和频率，实现微型机器人的运动控制。

2 微型机器人无线控制系统硬件设计

2.1 MSP430F2234和nRF24L01芯片简介

TI公司MSP430F2234是一种超低功耗混合信号微控制器，片内具有16位定时器，通用串行通讯接口、10位A/D转换器和通用运放。32个I/O端口；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗；数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于1 μs的时间内激活到活跃的工作方式；由于MSP430F2234采用了JTAG技术，FLASH在线编程技术等，开发时不需要仿真器和编程器。

Nordic公司的nRF24L01是一个集成接收、发射器的芯片，工作频率范围为全球开放的2.4~2.5 GHz频段。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制解调器等模块。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率发射时，工作电流只有9.0 mA,接收时工作电流只有12.3 mA。nRF24L01有4种工作模式：接收模式、发射模式、空闲模式和关机模式。nRF24L01有2种信息包处理方法ShockBurstTM和增强型 ShockBurstTM。其中增强型ShockBurstTM 使得双向链接协议执行容易，更高效。nRF24L01使用增强型ShockBurstTM处理接收包应答和重发丢失包不需要微控制器的参与。nRF24L01配置十分简单，所有的配置都是通过SPI定义配置寄存器值实现。本文设计无线收发模块信息包描述如图3所示：

2.2 无线控制命令发射部分硬件设计

无线控制命令发射部分主要是利用MSP430F2234单片机的通用串行通信模块与PC机工作站的串口通信发送控制命令。单片机需要经过电平转换电路再和串口连接。硬件电路设计如图4所示，本设计采用232芯片，完成3~5 V电平的双向转换。

2.3 微型机器人控制电路硬件设计

微型机器人控制电路硬件主要包括无线接收模块、单片机控制器和步进电机驱动模块等，电路如图5所示。由于步进电机运转的方向和通电脉冲的逻辑有关，若正逻辑时电机正转，则负逻辑时电机便反转。并且步进电机的转速和通电脉冲的频率成正比。微型机器人控制电路主要的功能就是根据接收到的控制命令控制步进电机的通电脉冲逻辑和频率。实现前进、后退、加速、减速等运动控制。

3 微型机器人无线控制系统软件设计

微型机器人无线控制系统软件设计主要有无线控制命令发射部分和微型机器人控制2个部分。无线控制命令发射部分为PC工作站和MSP430F22x4单片机串口通讯，并通过无线发射模块发送控制命令软件设计。微型机器人控制部分为无线收发模块接收控制命令并通过单片机对微型步进电机控制软件设计。系统采用模块化编程的方案，既有利于编程，又有利于软件功能扩展。

3.1 无线控制命令发射部分软件设计

上位机的功能主要通过PC机工作站串口发送控制命令经过单片机由无线发射电路把控制命令发送出来。PC上软件设计利用VC++ 6.0中串口MSCOMM控件设计，单片机通过串口中断和PC机通讯，而后把控制命令传送到无线发送模块。单片机与PC串口通讯中断程序流程如图6所示，单片机接收串口信息并通过无线发射模块发送控制命令的主程序如图7所示。

3.2 微型机器人控制软件设计

微型机器人控制软件功能很简单，主要是通过外中断服务程序接收无线控制信号，并通过定时器(Timer-A)中断控制微型步进电机驱动电路，实现微型机器人的前进、后退、加速、减速等工作状态。Timer-A工作在增计数模式，捕获/比较寄存器CCR0定义定时器的计数周期。微型机器人下位机控制主程序流程图如图8所示，定时器中断服务程序流程图如图9所示。

4 实验与结论

实验结果表明无线微型机器人控制系统具有很好的稳定性，快速性和准确性。本文提出了基于MSP430F2234 微型机器人无线控制系统，成功地实现了PC机工作站无线控制微型机器人加速、减速、前进和后退运行。

参 考 文 献

［1］王坤东,颜国正.仿蚯蚓蠕动微机器人牵引力与运动控制［J］.机器人,2006,28(1):19-24.

［2］魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2002.

［3］于克龙,梁亮,穆晓枫,等.不同螺纹下微型机器人的无损伤驱动方法［J］.机械设计,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］张艳辉,黄战华,蔡怀宇.胶囊式内窥镜无线图像传输技术的研究［J］.北京生物医学工程,2006,25(6):623-626.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

推荐访问:控制系统 机器人 MSP430F2234

---