02 制作機(jī)器人該用什么單片機(jī)

◇劉天龍

很多接觸機(jī)器人不久的朋友面對種類繁多的單片機(jī)常會感到困惑，到底它們之間有何不同？制作機(jī)器人用哪種單片機(jī)控制比較好？我與大家分享我在制作機(jī)器人過程中使用單片機(jī)的一些經(jīng)驗(yàn)，希望能讓初學(xué)者少些迷茫，讓已經(jīng)入門的朋友思維開闊。

撰寫本文時，我僅有3年單片機(jī)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和機(jī)器人制作經(jīng)驗(yàn)，比較了解51系列和AVR系列單片機(jī)（見圖2.1），本文中，我會著重討論AVR單片機(jī)，都是我在機(jī)器人制作中一些切身體驗(yàn)，錯誤和偏頗可能難免，希望大家指正！

2.1 入門首選 AT89S51系列單片機(jī)

AT89S51適合做單片機(jī)學(xué)習(xí)板、電子時鐘、超聲波測距儀等不需要采集模擬量和控制大功率外部元件的電路。S51與過去的C51的區(qū)別在于，S51支持ISP在線編程，即C51需要幾百元的編程器編程，而S51僅需一條25針并口線和非常簡單的轉(zhuǎn)換電路，接在臺式電腦打印機(jī)接口上，通過電腦中燒寫程序的小軟件，即可實(shí)現(xiàn)對S51單片機(jī)編程。從這一點(diǎn)看，AT89S51是制作機(jī)器人控制部分的入門之選。

2.2 愛好者制作機(jī)器人首選 AVR系列單片機(jī)

AVR單片機(jī)（見圖2.2）是1997年由Atmel公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC精簡指令集高速8位單片機(jī)，具有高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗等特點(diǎn)。AVR單片機(jī)比51單片機(jī)的運(yùn)行速度快得多，其內(nèi)部還集成了多路A/D轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、ISP、I2C、JTAG總線電路、UART串口、大功率I/O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，AVR單片機(jī)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。雖然以上這些性能只是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)，價格居然和51單片機(jī)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(shí)寫照。

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所不同。不論你要做電子手表，還是進(jìn)行視頻處理，都有一款合適的AVR單片機(jī)能滿足你的需要（見圖2.3）。

AVR的I/O口能輸出20mA和吸收40mA的電流，不僅可直接驅(qū)動LED，甚至可直接驅(qū)動微型直流減速電機(jī)，而且AVR的I/O口可編程設(shè)置成輸入、輸出、高阻態(tài)，是真正的3態(tài)I/O口。

順便提一句，目前非常火熱的開源硬件平臺Arduino也是基于AVR單片機(jī)的。

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)性價比達(dá)到最高，同時兼顧未來擴(kuò)展要求，不要一味選用高性能單片機(jī)，這就是單片機(jī)的選型原則。

2.3 高級機(jī)器人控制器 ARM

ARM是一個公司名，他們基于同一內(nèi)核設(shè)計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μCOS2、Windows CE、Linux操作系統(tǒng)，能夠同時運(yùn)行多個程序。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。

用ARM+操作系統(tǒng)做超聲波測距儀——?dú)㈦u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。

2.4 音頻/視頻處理首選 DSP

DSP數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP），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。

在高速小車循線、語音識別等領(lǐng)域，DSP被廣泛應(yīng)用。但如果僅用DSP檢測幾個碰撞開關(guān)、控制幾個電機(jī)，當(dāng)然會顯得大材小用。

2.5 新興控制器 FPGA

FPGA（Field - Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路出現(xiàn)的，系統(tǒng)設(shè)計師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接，把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗(yàn)板被放在了一個芯片里。簡單來說，如果使用者想開發(fā)一個用簡單數(shù)字邏輯電路就能控制的小車，又嫌搭電路麻煩，他就可以用軟件給一個FPGA編程，讓它實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路功能，去控制小車。也就是說，F(xiàn)PGA可被用來模擬各種電路，有的FPGA甚至能模擬51單片機(jī)的運(yùn)行。由于FPGA通過編程即可修改它模擬的電路結(jié)構(gòu)，因此在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試中很方便，很多愛好者正在嘗試用FPGA做機(jī)器人控制器。

2.6 更多可供選擇的單片機(jī)

我們在為機(jī)器人選擇一款單片機(jī)前，首先要考慮自己面對的實(shí)際任務(wù)需要什么性能的單片機(jī)。此時我們要考慮不同單片機(jī)的“應(yīng)用廣泛程度”，比如，當(dāng)我們要做一個電子大賽智能小車，有AVR單片機(jī)和PIC單片機(jī)可滿足任務(wù)需要，如何在兩者中作出選擇，需要考慮哪種單片機(jī)學(xué)起來比較容易、學(xué)習(xí)資料容易獲取、可供參考的程序和案例更加豐富，哪種單片機(jī)更容易獲得編程軟件和下載器等。筆者感覺，要想做智能小車，AVR單片機(jī)的資料比較豐富。

世界上有種類繁多的單片機(jī)，它們當(dāng)中絕大多數(shù)都可用來控制機(jī)器人，但存在一個是否合適的問題。比如，PLC是可編程控制器，當(dāng)然可以用來控制愛好者手中的機(jī)器人，但PLC多用于工業(yè)控制領(lǐng)域，設(shè)備龐大，價格昂貴，同時不易獲得用PLC控制小型機(jī)器人的資料。愛好者選擇學(xué)一種單片機(jī)前，首先得明確自己要用單片機(jī)干什么，然后再選最合適的單片機(jī)學(xué)習(xí)。學(xué)單片機(jī)重在學(xué)精一兩種單片機(jī)，如果有人泛泛地學(xué)ARM、PLC、PIC、DSP、FPGA等所有有名的單片機(jī)，那么他將無法擁有真正的深度開發(fā)能力。所謂深度開發(fā)，以AVR單片機(jī)為例，初學(xué)者可以用它實(shí)現(xiàn)小燈交替閃爍，中級技術(shù)人員可以用它控制參加小車比賽的機(jī)器人，而真正的高級開發(fā)人員可以用AVR實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺、無人機(jī)自動駕駛、坦克火控系統(tǒng)……

2.6.1 AVR單片機(jī)過時了嗎？

有初學(xué)者甚至中級開發(fā)人員認(rèn)為，因ARM性能比AVR性能高，因此ARM將代替AVR, AVR將退出歷史舞臺，或者M(jìn)SP430將代替51系列單片機(jī)，或者FPGA將取代所有單片機(jī)等。

我個人認(rèn)為這種看法不對，因?yàn)椴煌瑔纹瑱C(jī)都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，沒有哪種單片機(jī)是完美的，在不同場合用最合適的單片機(jī)，發(fā)揮它們各自的特長，而不存在ARM一統(tǒng)天下，取代所有其他型號單片機(jī)的可能性。試想，原本十幾元的普通電子表因?yàn)椴捎肁RM控制賣到幾百元，誰能受得了？因此，不要覺得AVR已經(jīng)過時，學(xué)完51就直接學(xué)ARM，或者覺得學(xué)51沒用，直接學(xué)ARM，否則你容易碰壁。

2.6.2 MSP430系列單片機(jī)如何？

這個系列的單片機(jī)也比較適于機(jī)器人開發(fā)，是美國德州儀器推向市場的一種16位、具有精簡指令集的、超低功耗的混合信號處理器。MSP430系列單片機(jī)采用的是1.8～3.6V電壓，因而可使其在1MHz的時鐘條件下運(yùn)行時，芯片的電流會在200～400μA，時鐘關(guān)斷模式的最低功耗電流只有0.1μA。MSP430系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)，分別是看門狗、模擬比較器、定時器、串口0/1、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10位/12位ADC、16位Sigma-Delta A/D、直接尋址模塊（DMA）、I/O端口、基本定時器等外圍模塊的不同組合。MSP430系列單片機(jī)的開發(fā)工具也比較簡便，價格也相對低廉，并且也可以實(shí)現(xiàn)在線編程。

2.6.3 PIC單片機(jī)如何？

PIC可用于機(jī)器人開發(fā)，是8位單片機(jī)，產(chǎn)品種類豐富，采用精簡指令集，有不錯的開發(fā)環(huán)境，引腳驅(qū)動能力強(qiáng)，可直接連接繼電器控制強(qiáng)電。自帶看門狗，有睡眠和低功耗模式，但很多性能不如AVR和MSP430系列單片機(jī)。

2.6.4 凌陽單片機(jī)如何？

凌陽單片機(jī)比較適合機(jī)器人開發(fā)，以16位計算為核心，集成不同規(guī)模的RAM、ROM和其他豐富的功能電路，使用者可以根據(jù)自己需要選擇集成了特定功能電路的凌陽單片機(jī)系列。凌陽單片機(jī)指令系統(tǒng)提供出具有較高運(yùn)算速度的16位，16位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用添加了DSP功能，因此更適合進(jìn)行語音識別。在我國，凌陽單片機(jī)在學(xué)校比較常見，應(yīng)用實(shí)例較多，可作為機(jī)器人愛好者選用的單片機(jī)之一。