七、一種智能小車機器人設計方案

　　實現汽車智能化的技術非常多， 本文利用目前比較熱門的技術語音控制技術， 實現小車自動前進、后退、左拐、右拐等， 當然所設計的小車只是智能汽車的微模型， 還處于模擬演示階段， 要真正實現智能汽車為人服務還有很長一段距離。

　　1 智能車的核心控制器

　　SPCE061A 是一款16位獨具語音特色的控制器， 片內采用的nSPTM ( microcontro ller and signal processor) 核心處理器， 具有較高的處理速度， 能夠完成16位算術邏輯運算、16 × 16位硬件乘法運算和DSP內積濾波運算， 能夠快速處理復雜的數字信號， 不需要額外的專用語音控制芯片， 就能實現語音的編解碼等， 既節省了設計成本， 又能滿足一定的控制要求。控制器采用模塊化架構， 集成了ICE(在線仿真)、鎖相環振蕩器、時基控制器、7通道10位AD轉換器、單通道AD+ AGC(自動增益)轉換器、雙通道10位DA轉換器、通用異步通信接口、串行輸入輸出接口、電壓監控等模塊， 其結構如圖1所示。

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　　圖1 SPCE061A 控制器的結構圖

　　2 智能小車的總體設計

　　智能小車整體主要由語音輸入電路、語音輸出電路、SPCE061A 控制器、驅動電路等組成。小車的SPCE061控制器通過內置麥克放大器和自動增益功能的A /D 通道、D /A通道實現語音控制， 語音觸發小車動作， 小車動作后， 隨時可以通過語音指令改變小車的運動狀態， 如果行進過程中遇到前方有障礙， 小車會自動停車。

　　3 智能小車的硬件設計

　　1) 語音輸入電路。

　　小車的語音輸入電路如圖2所示。其中， VM IC 提供傳聲器的電源， VSS是系統的模擬地， VCM 為參考電壓， 1腳和2腳分別是傳聲器X1 的正極、負極的輸入引腳。當對著傳聲器講話時， 1腳和2 腳將隨著傳聲器輸入的聲音產生變化的波形， 并在SPCE061A 的兩個端口處形成兩路反相的波形， 送到SPCE061A 控制器內部的運算放大器進行音頻放大， 經過放大的音頻信號， 通過ADC轉化器轉化為數字量， 保存到相應的寄存器中, 然后對這些數字音頻信號進行壓縮、辨識、播放等處理。

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　　圖2 語音輸入電路

　　2) 語音輸出電路。

　　小車的語音輸入電路如圖3所示。其中， VDDH 為參考電壓， VSS是系統的模擬地。音頻信號由SPCE061A 的DAC引腳輸出送到電路的9端， 通過音量電位器R9的調節端送到集成音頻功率放大器SPY0030, 經音頻放大后， 音頻信號從SPY0030輸出經J2端口外接揚聲器播放聲音。【詳情請參閱：智能小車機器人設計方案 】


八、74HC240制作尋光機器人

　　本文將給讀者介紹我制作的另一部由74HC240作為主控核心的尋光機器人，依然貫徹低技術、低成本的制作理念，與大家共賞。

　　控制核心的深入分析

　　施密特觸發器

　　施密特觸發器的閥值電壓決定了系統的給定值，施密特觸發器的特性也就決定了這個系統的特性。因此有必要深入了解一下這個器件的特點。

　　施密特觸發器是由美國科學家Otto Herbert Schmitt于1934年發明的，當時他只是一個研究生。事后三年，他在其博士論文中將這一發明描述為“Thermionic Trigger”。這一發明是他對魷魚神經中的神經脈沖傳播進行研究的直接成果。在電子學中，施密特觸發器是包含了正反饋的比較器電路。施密特觸發器也有兩個穩定狀態，但與一般觸發器不同的是，施密特觸發器采用電位觸發方式，其狀態由輸入信號電位維持;對于負向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，施密特觸發器有不同的閥值電壓。施密特觸發器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閥值電壓和負向閥值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態發生變化的輸入電壓稱為正向閥值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態發生變化的輸入電壓稱為負向閥值電壓。正向閥值電壓與負向閥值電壓之差稱為回差電壓。對于標準施密特觸發器，當輸入電壓高于正向閥值電壓，輸出為高;當輸入電壓低于負向閥值電壓，輸出為低;當輸入在正負向閥值電壓之間，輸出不改變，也就是說輸出由高電平翻轉為低電平，或是由低電平翻轉為高電平對應的閥值電壓是不同的。只有當輸入電壓發生足夠的變化時，輸出才會變化。這種雙閥值動作被稱為遲滯現象，表明施密特觸發器有記憶性，可用于在開環配置中的抗干擾。

　　改進版的控制核心

　　圖2為改進版的尋光機器人，核心部分由一對光敏二極管和74HC240集成電路構成。74HC240是一片功能強大的三態緩沖器，芯片內部集成了8路帶有施密特觸發器輸入特性的反向緩沖器。在數字計算機中，這類緩沖器的作用是用來暫時存放處理器送往外設的數據，有了數控緩沖器，就可以使高速工作的CPU部分與慢速工作的外設起協調和緩沖作用，實現數據傳送的同步。這個改進版的尋光機器人，因為有了74HC240的加盟，使得機器人的控制系統即可以繼承到上文所介紹的施密特觸發器的全部好處，又可以借助緩沖器的作用，來協調機器人電子部分與機械結構之間的配合。實際制作完成以后的機器人運行方式，介于模擬控制與數字控制之間，因此它的設計者也給它起了一個形象的名字“Bare Bones Photovore”，我把它翻譯為“準系統尋光機器人”。線路圖中的U1和U2分別各代表了74HC240芯片內一組并聯工作的驅動器。

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　　圖2 74HC240尋光機器人線路圖

　　圖3是74HC240的框圖，可以看到芯片內部由兩組帶有使能輸入端的反向緩沖器組成，輸入端和輸出端分別為A1, A2, A3,A4, B1, B2, B3, B4(對應管腳2, 4, 6, 8, 11, 13, 15, 17);YA1,YA2, YA3, YA4, YB1, YB2, YB3, YB4(對應管腳 18, 16, 14, 12, 9, 7,5, 3)。使能輸入端為Enable A, Enable B (對應管腳1, 19)，電源正(對應管腳20)，電源地(對應管腳10)。

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　　圖3 74HC240內部圖

　　緩沖器分為兩種，常規緩沖器和三態緩沖器。常規緩沖器總是將值直接輸出，用在推進電流到高一級的電路系統。三態緩沖器除了常規緩沖器的功能外，還設置有使能輸入端，這里對應的是74HC240的第1腳和第19腳。從圖4的真值表中可以看出當使能端電平不同時緩沖器有不同的輸出值。當Enable A,Enable B=0時，芯片選通，緩沖器工作;當Enable A, EnableB=1，緩沖器被阻止，無論輸入什么值，輸出的總是高阻抗狀態，用Z表示。高阻抗狀態能使電流降到足夠低，以致于類似緩沖器的輸出沒有與任何電路相連。【詳情請參閱：74HC240制作尋光機器人 】