機(jī)器人常用的單片機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)

四 愛好者制作機(jī)器人首選 AVR系列單片機(jī)

1 簡介

AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速8位單片機(jī)。高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，而AVR單片機(jī)是典型高性能單片機(jī)。
早期單片機(jī)，比如51單片機(jī)為了提高可靠性（防止數(shù)據(jù)誤讀或跑飛）采用較高的分頻系數(shù)對時(shí)鐘分頻，使得指令周期長，執(zhí)行速度慢。例如51單片機(jī)需要12個(gè)晶振周期才能組成1個(gè)機(jī)器周期，而且很多指令需要2個(gè)機(jī)器周期才能執(zhí)行。AVR單片機(jī)的推出，徹底打破這種舊設(shè)計(jì)格局，廢除了機(jī)器周期，采用精簡指令集，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。AVR單片機(jī)在12個(gè)晶振周期中能執(zhí)行12條指令，從這個(gè)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(gè)通用寄存器，在進(jìn)行大量復(fù)雜運(yùn)算時(shí)，AVR的32個(gè)寄存器可相當(dāng)于51的32個(gè)累加器，克服了51系列單片機(jī)只有單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶頸現(xiàn)象，在復(fù)雜運(yùn)算時(shí)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(jī)多內(nèi)部集成了多路AD轉(zhuǎn)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(shí)用電路，并且很多AVR單片機(jī)型號有EEPROM、FLASH、SRAM三種存儲器，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修改程序存儲器中的內(nèi)容，即AVR單片機(jī)可以自己修改自己的程序。同時(shí)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(jīng)讓51系列單片機(jī)望塵莫及了。
如此高性能的單片機(jī)價(jià)格居然和51單片機(jī)差不多，比如ATmega8價(jià)格為8元左右，ATmega16在13元左右，這是AVR有極高性價(jià)比的真實(shí)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(jī)。它們都基于同一核心技術(shù)，但在內(nèi)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(jī)能滿足你的需要。
本文只列出ATmega16中檔單片機(jī)的性能：
16KB的FLASH程序存儲器；512B的EEPROM；1KB的SRAM；32個(gè)快速寄存器；32個(gè)大功率IO口；20個(gè)中斷；2個(gè)外部中斷口；有SPI、SUART、I2C總線接口；2個(gè)8位定時(shí)器；1個(gè)16位定時(shí)器；3個(gè)PWM通道；有實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；8個(gè)10位AD通道；電壓比較器；看門狗；內(nèi)置時(shí)鐘振蕩器；JTAG接口；ISP在線編程；電壓范圍為2.7V-5.5V；外部時(shí)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(qū)動(dòng)LED,甚至可直接驅(qū)動(dòng)微型直流減速電機(jī)。而且AVR的IO口可編程設(shè)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(chǎn)品你會(huì)發(fā)現(xiàn)前所未有的方便和自由。
AVR單片機(jī)可上操作系統(tǒng)，比如UCOS2、Linux等，自主編程實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)功能也很容易。
根據(jù)任務(wù)具體需要選擇最合適的單片機(jī)，使單片機(jī)資源充分利用，使系統(tǒng)性價(jià)比達(dá)到最高，同時(shí)兼顧未來擴(kuò)展需要，不要一味選用高性能單片機(jī)，這就是選單片機(jī)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(jī)做機(jī)器視覺——有些吃不消。如果把它們調(diào)換一下，一切就恰到好處了。

3 使用方法
學(xué)AVR單片機(jī)的好書是《AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)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。可采用匯編或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(jī)，支持在線編程。
由于AVR單片機(jī)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(yùn)行，斷電就停止，不用復(fù)位電路），因此任何初學(xué)者都可以用面包板搭出AVR最小系統(tǒng)，并且編程實(shí)踐。
4 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
使用AVR單片機(jī)時(shí)注意要正確設(shè)置熔絲位，SLISP軟件就可設(shè)置，熔絲位可決定單片機(jī)是采用外部晶振還是采用內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器，如果熔絲位設(shè)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(yùn)行。很多初學(xué)者忽視了這一點(diǎn)，他們的AVR系統(tǒng)不能運(yùn)行卻找不到原因。再有就是AVR的IO口在使用前需先編程設(shè)置其狀態(tài)，否則你將發(fā)現(xiàn)程序在運(yùn)行，但I(xiàn)O口沒信號。


4 應(yīng)用舉例




五 高級機(jī)器人控制器 ARM

1 簡介
ARM是一個(gè)公司名，他們基于同一內(nèi)核設(shè)計(jì)了很多高性能處理器，這些處理器都叫ARM。該技術(shù)被很多公司購買后生產(chǎn)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(jī)。ARM一般為32位單片機(jī)，適于處理大量復(fù)雜數(shù)據(jù)，很多ARM裝上了UCOS2、Windows CE、Linux操作系統(tǒng)，能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。ARM廣泛應(yīng)用于手機(jī)、MP3、GPS導(dǎo)航儀、吸塵機(jī)器人等產(chǎn)品上。


六 音頻視頻處理首選 DSP

1 簡介
DSP數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)，它是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)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(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)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(lǐng)域DSP被廣泛應(yīng)用。但如果僅用DSP檢測幾個(gè)碰撞開關(guān)、控制幾個(gè)電機(jī)顯得大材小用。