机间通信研究论文

摘要：文章结合四轴飞行器运动模型，设计制作了一种对网箱养殖动态监测的十字式球形网箱机器人系统。该网箱机器人监测系统由Web网页上位机、通信中继和水下球形机器人构成。用户可随时随地通过网络登录Web网页上位机远程操控机器人，可通过数据平台获得水下实时高清视频和各个水质数据。下面是小编整理的《机间通信研究论文(精选3篇)》，希望对大家有所帮助。

机间通信研究论文 篇1：

基于Arduino的多参数室内空气质量监测系统研究

摘   要：基于开源硬件Arduino，开发了一款多参数室内空气质量监测装置，实现了对室内一氧化碳、甲醛、灰尘和温湿度的实时检测和显示，并具有数据分析、超限报警等功能。文章介绍的装置具有测量参数多、体积小、成本低和使用方便的特点，面向一般家庭用户使用，具有较强的应用前景。

关键词：空气质量监测;甲醛;一氧化碳;灰尘;报警

1    室内空气质量监测背景

室内空气质量健康与否直接关系着居民的身体健康和儿童的生长发育。有害气体、家庭煤气泄漏以及空气中的可吸入颗粒无处不在，不仅会引发呼吸道疾病、肺病等多种严重疾病，而且容易引发人身安全事故。加之近年来我国各地雾霾天气的出现和加重，“绿色家居”和“智能家居”的新词语得到了高度重视，人们迫切需要一种可靠、实用的检测设备来监测室内的空气质量。

现如今，面市的检测室内空气质量的仪器普遍存在监测的参数比较单一、需要专业人员操作等缺点。在这种情况下，设计开发一款操作方便的多参数室內空气质量监测系统对居民生活是十分有意义的。本文基于开源硬件Arduino开发了一款室内空气质量监测系统，此系统旨在实现对一氧化碳、甲醛、可吸入颗粒、温湿度等多参数的实时测量，所测量的室内空气质量参数都是人们居家生活所普遍关心的参数，居民能随时了解室内空气质量状况，做好预防措施。

2    系统总体设计

本系统由下位机、通信模块和上位机3部分组成，组成框架如图1所示。图中，下位机以Arduino开发板为核心构成，包括传感器模块、显示器和报警装置。通信模块负责上位机与下位机间的通信，下位机传感器采集到的数据送给显示器显示的同时通过通信模块传给上位机，如PC机、笔记本电脑或智能手机等，上位机分析传感器数据，绘制和记录各空气参数的变化曲线图，当环境参数值超出国家标准规定的安全范围，系统会自动报警，并给出提示[1]。

本系统采用模块化设计，工作方式可以灵活多样，去掉上位机和通信模块，单独下位机也可以作为一个独立系统工作，完成测量参数的显示和报警功能，只是不能记录和绘制空气质量参数的变化曲线数据。下位机去掉显示器和报警器时，也可以通过上位机进行测量数据的显示和报警。

3    硬件系统设计

3.1  Arduino开发板的选取

采用Arduino Uno开发板。这种开发板的基本供电方式有两种，一种是通过USB连接到电脑端，另一种是直接用电源插头连接，弊端是不能方便地下载和修改程序。Arduino Uno开发板的一个优点是内部具有模数转换器并且能将Atmega16U2编程为一个USB-to-serial转换器，缩短了编译和上传程序的时间[2]。

3.2  传感器模块

3.2.1  一氧化碳传感器

选用一氧化碳传感器MQ-7，该传感器对一氧化碳、液化气、甲烷等气体有着很高的灵敏度，对空气中的其他气体也可以准确检测，MQ-7能够检测不同种类的可燃性气体，而且它的制作成本并不高，是一个应用十分广泛的气体传感器。

3.2.2  甲醛传感器

选用MQ-138甲醛传感器，该传感器对甲醛、乙醇、甲苯等有害气体有着很高的反应速度，对空气中的其他气体也可以准确检测，MQ-138能够检测不同种类的有机蒸汽，而且它的制作成本并不高，是一个应用十分广泛的气体传感器。虽然甲醛传感器采集到的是模拟值，但我们可以通过简单的电路将其电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

3.2.3  灰尘传感器

选用灰尘传感器DSM501，该传感器可以检测到房间内的灰尘和固体小颗粒，具有自动加热吸气装置，检测灰尘数值的上限可用调节电阻去控制。它检测出的值是在单位体积内的绝对个数，与粒子计算器是在同一理论上进行研究的[3]。

3.2.4  温湿度传感器

选用DHT11温湿度传感器。该传感器不仅是一种高精度的数字温度和湿度传感器，而且也是一种复合传感器。内部包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，通过单线制串行接口输出完成校准的数字信号。具有体积小、响应快、抗干扰强、价格便宜、有长期的稳定性和极高的可靠性等优点。

3.2.5  显示模块

选用液晶显示LCD12864，该传感器体积比较小，比较容易携带。液晶显示器没有辐射作用，对人体比较健康。液晶LCD使用过程中消耗的电能比较小，对于使用电池做电源的装置来说比较省电。其图像显示能力特别强，清晰、稳定、像素分辨率也很高，不会出现模糊、重影等现象。液晶LCD还有一个优点就是不容易受到外界的干扰。

3.2.6  报警模块

选用蜂鸣器用作超限报警，一旦发现各参数中的任何一个超过额定限制，就可以进行报警提示，不用专门观察，显得更加人性化、智能化。

3.2.7  通信模块

为增强系统的灵活性，提供了有线和无线两种通信方式，有线通信模块采用MAX485模块，无线通信采用HC-05蓝牙模块，用户可以根据具体情况选用。为便与计算机连接，有线通信时，计算机通过USB转RS485模块与MAX485模块相连接。无线通信时，计算机通过蓝牙模块与下位机蓝牙模块进行无线通信。

4    软件系统设计

软件系统控制和配合硬件系统工作，包括下位机软件程序和下位机软件程序两部分。下位机程序在Arduino IDE环境开发，采用类似C语言编写，并调用Arduino库函数。上位机程序采用虚拟仪器LabVIEW软件开发。LabVIEW是一种图形化的开发工具，功能强大，易学易用，便于开发出图形化的显示界面[4]。

4.1  下位機软件系统设计

下位机软件系统根据系统的工作方式编写。负责控制下位机传感器数据的采集、显示、报警和与通信模块的接口。下位机单独工作时的程序流程如图2所示。

根据人体对有害气体和颗粒物的浓度标准进行阈值设置，当系统采集值换算为浓度值超过设置的阈值时，蜂鸣器开始报警，最后将有害气体和颗粒物浓度在LCD12864液晶显示屏上显示。

4.2  上位机软件系统设计

为保证上位机工作，上位机除了安装LabVIEW软件外，还需安装美国NI公司提供的DSC模块（数据存储监控模块）和Real-time模块（实时模块），这样才能实现modbus通信应用。需要说明的是本系统的上位机和通信模块是可选部件，去掉这两部分，下位机可以作为一个独立系统工作，完成空气质量监测任务。

5    系统测试

为测试本系统的有效性，分别在下位机单独工作和加上上位机两种工作方式下对系统进行了测试，其中，上位机工作时分别测试了有线和无线两种通信方式。实验结果表明，系统能够可靠工作，达到了预期的设计目的。图3给出了系统测试时下位机LCD显示器的显示界面[5]。

6    结语

本文开发了一种多参数室内空气质量监测系统，实现了对一氧化碳、甲醛、灰尘和温湿度的测量。这些空气质量参数都是家庭用户所普遍关系的，且本系统工作方式灵活，操作简单，实用性强，可以实时测量，便于一般家庭使用。

基金项目：陕西省大学生创新训练计划项目;项目名称：基于Arduino的多参数室内空气质量监测系统;项目编号：127152017043。

作者简介：杨洋（1996— ），男，甘肃兰州人，本科生;研究方向：电子信息工程。

[参考文献]

[1]毛敏，张明宇，谭艳君，等.基于Arduino和LabVIEW的温湿度监测系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2017（2）：84-87.

[2]兰羽，卢庆林. 基于MQ138传感器的甲醛检测仪设计[J].电子测量技术，2013（8）：111-114.

[3]毛敏.基于Arduino和LabVIEW远程可燃气体监测系统[J].电气自动化，2017（5）：32-34.

[4]秦华，孙晓松.基于Arduino/Android的环境状况监测系统设计[J].无线互联科技，2013（1）：59-61.

[5]田开坤.基于LCD12864显示器的数字示波器设计[J].电子制作，2010（5）：32-39.

Key words：air quality monitoring; formaldehyde; carbon monoxide; dust; alarm

作者：杨洋 杨亚东

机间通信研究论文 篇2：

十字式球形深水网箱监测机器人的系统设计

摘   要：文章结合四轴飞行器运动模型，设计制作了一种对网箱养殖动态监测的十字式球形网箱机器人系统。该网箱机器人监测系统由Web网页上位机、通信中继和水下球形机器人构成。用户可随时随地通过网络登录Web网页上位机远程操控机器人，可通过数据平台获得水下实时高清视频和各个水质数据。相比传统人工网箱水质检测，该机器人不仅操作简单、水下运动灵活、优化结构和性能，而且可以动态、实时地监测到水下养殖环境的变化，制作成本低廉。还可用于海洋科考或军事领域。

关键词：十字式运动系统;球形水下机器人;实时传输;深水网箱;PID控制

随着海洋资源开发的深入，水下机器人的应用越来越广泛。水下机器人作为人类探索深海环境的主要工具，具有机动性能好、可操作性强、无人员伤亡风险等优点，一直以来受到各国的重视，近年在海洋资源开发、深海探测等方面发挥了重要作用[1-2]。而深水网箱养殖资源开发正是水下机器人大放光彩的舞台，深水型网箱（围网）养殖是我国对深远海水体资源利用的重要途径，同时，也是实现海洋渔业均衡可持续发展的方向[3]。深水网箱养殖不仅节约了养殖资源，还获得了较高的产出[4]，但由于多变的海洋气候，使得网箱动态监测和实时数据采集尤为重要。

虽然海洋资源开发领域越来越受到重视，但事实上，目前，市场上一些水下机器人，大多都是经过简单的机械加工与防水工艺的处理组装而成，不仅使用场合受限、可拓展性不强，而且功能单一，只能进行一些简单的水下任务[5]。而本球型水下机器人（Spherical Underwater Robot，SUR）创新性地采用ARM框架下Cortex-M3芯片的STM32单片机和Cortex-A5系列的Raspberry 3B+（树莓派3B+）单片机将机器人计算模块和运动模块分开，同时采用了十字式球形运动系统使得机器人运动更为灵活。机器人的运动简单化、操作简单化，使其适应水下环境的能力大大增加，为网箱养殖作业打下便捷、适用的基础。机器人的运动信号和视频推流通过通信中继转发，通过手机浏览器或PC网页端直接登录Web网页上位机远程显示。数据实时化、数据动态显示使得网箱管理者可直接观察水下环境，大大降低人员操作复杂度、方便养殖管理。

1    系统框架设计

如图1所示，该球形水下机器人按其功能结构可划分为上层的Web网页上位机（也可发布至云端或数据发布平台）、指令信号和数据的转发模块—通信中继、网箱内部作业的球形水下机器人。这3个部分共同组成整个养殖环境监测的水下机器人作业系统框架。

该机器人可实现信息采集、处理和反馈以及接收并运行Web网页上位机发来的控制指令，实时进行视频。水下机器人使用Raspberry 3B+负责实时上传传感器数据信息，视频推流和机器人运动反馈的状态信息。通信中继负责接收水下机器人上传的数据并将收到的数据转发给网页上位机。其中控制指令信号通过无线路由局域网传输给Raspberry 3B+（树莓派3B+），树莓派接收指令，整合传感器信息，然后通过串口通信对STM32单片机发布运动指令，STM32接收到指令信息后，直接通过TTL电平来驱动底层电机运动。

2    十字式球形运动系统设计

球形水下机器人是一种将控制系统和电源模块等都包含在一个球形壳内的水下机器人系统，由于结构特殊，相比其他機器人有很大的优势：（l）耐压性能好，相比起其他形状的机器人，球体完美的圆形设计能均匀地承受水下巨大的压力。（2）流体动力学计算无耦合，其外形的对称性使其进行流体动力学建模时没有耦合项。（3）外壳全封闭，易于密封防水。所有控制电路电源设备均封闭于球壳内部，能够来去自如，不会发生短路或导线挂擦等问题。（4）其运动不会破坏网衣，不会伤害水中生物体。因此，相比传统水下机器人，十字式水下球形机器人更适合深水网箱养殖作业的机器人，它的运动灵活、运行效率高、节约能源，具有很强的环境适应能力，作业范围广泛，容易布放与回收，还可以充当侦察设备与通信系统的载体，执行人类无法完成的近海域多种作业任务。

（1）设计的“十字式”球形机器人结构如图2所示，机器人的机体是呈现“十”字，4个螺旋桨固定在机器人机身上，4个电机使用同类型同型号，但螺旋桨不同。电机1号和3号为一对相同的正浆，逆时针方向转动，电机2号和4号是一对相同的反浆，顺时针转动，这种正反浆相结合的结构，抵消了螺旋桨相互产生的反扭力，很大程度上简化了机械结构，加强了系统的稳定性。由于这样的十字式结构可以提供更多的上浮下沉的推动力，非常符合深水网箱养殖的需求，相对其他类型机器人，这种类型机器人更适用于深水网箱的养殖环境。

（2）水下机器人通过运用4个电机的速度差来改变位置、姿态等，是一种欠驱动系统，通过输入一个上升力和3个扭矩实现。球形机器人在空间中具有6个自由度，可以在3个坐标轴方向上做直线运动，也可以进行坐标轴方向角运动[6]。

（3）如图2所示，机器人机身和外壳设计均采用SolidWorks2016软件进行三维视图建模绘，使用高精度的3D打印机聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）环保材料制作。PLA的生产过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，是理想的绿色高分子材料[7]。

由于考虑到球形机器人应用在深水网箱中的优势，设计的机器人机身球形结构，如图3和图4所示。

（4）比例、积分、微分（Proportion， Integral， Differential，PID）闭环姿势调整。比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式，控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时，系统的输出存在误差。积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比，在控制器中引入积分环节可以消除稳态误差。微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在补偿误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。原因是存在较大惯性环节（如水波影响）或滞后单元（如通信设备的延迟），它们具有抑制误差的作用，即变化总是落后于误差的变化，而解决的办法是提前抑制误差的变化。

如图5所示，通过PID闭环控制来调整球形机器人。本设计利用水深传感器，MPU6050姿势传感器等进行PID闭环控制，达到调整水下机器人平衡目的。以树莓派为服务器，网页控制命令通过树莓派串口转发至STM32，STM32接收命令后，通过指令控制基本运动过程。STM32读取水深传感器、姿势传感器等数据，通过处理后，再调整机器人机身运动，保证机器人的平衡。

3    主舱控制系统设计

设计球型机器人机身中间部分为控制主舱系统，是机器人的核心位置，放置着控制电路板，系统内核芯片方面选用了Raspberry 3B+和STM32这两款ARM芯片系列。Raspberry，内核：ARM系列Cortex-A5，最高工作频率为1.2 GHz，STM32为ARM32位Cortex-M3，最高工作频率为72 MHz。如此设计将机器人计算模块和运动模块分开，树莓派负责网络通信、视频推流、传感器数据采集、数据可视化处理、LAMP服务器搭建和串口发送，保证了机器人数据信息采集，视频推流，远程登录。STM32负责串口接收、驱动电机、舵机和云台、保证机器人底层运动的平稳、可靠、灵活度高、成本低。如图6所示，两款单片机紧密结合，各有分工，发挥出优越的性能。

由于主舱是水下机器人的主体部分，考慮电路防水问题，该设计采用亚克力管和防水胶结合使用，该设计保证能够达到防水功能。并且为了尽量减少球形体积，用4个螺旋桨通水管道对亚克力管进行固定。

4    视频推流和传感器数据

网箱养殖环境的信息采集包括视频图像和传感器数据的采集，视频图像数据采集采用高清Logitch摄像头，如图7和图8所示。结合高清亚克力板和舵机云台，舵机云台可以实现180°的角度变换，调节机器人自身6个自由度变换，基本满足水下180°全方位摄像需求。机器人通过摄像头进行水下拍摄，再通过有线方式实时地把信号传输到通信中继。能够在摄像头拍摄水下养殖生物的生长情况的同时，进行图像处理，使得用户可实时对水下环境和水下养殖生物进行观察。

水下机器人搭载了多种传感器，例如水深、姿势调整等传感器。此类传感器经过STM32单片机系列芯片处理后，使用485通信技术配合串口通信和Socket通信，把实时的水质参数数据上传至上位机。通过使用Python图像处理后，可直接在网页显示动态数据图像，避免了以往的简单数据上传，并可直观看到水下环境参数的变化，方便管理者对水下环境进行判断和管理。

5    通信中继

深海网箱是隔离海岸，不适合水下机器人远距离长线控制，但是视频信号由于水层的隔绝很难通过局域网方式进行传输，所以使用了通信中继，实现了水下有线连接，水上无线传输数据的方式，既实现了远距离传输，又保证了传输的数据质量，特别是高清水下图像的质量。

通信中继工作在水面上或者固定在网箱支架上面，由电池、电力载波与路由中继等模块组成。主要完成网箱内水下机器人和远程网页上位机间通信的信号中继与数据传输。如图9所示，水下机器人内部的电力载波模块将水下影像等信号转换成电信号，通过零浮力线连接到通信中继中的电力载波模块，电力载波模块再次把电信号转化成WiFi信号连接到路由器，路由器将信号转发，然后让远程平台无线连接到路由器或者通过外网进入到路由器内网中，通过登录网页上位机，便可实现对机器人的通信控制，通过实验测试证明，水下通信最大距离为20 m。

6    Web上位机设计

树莓派中使用Web应用软件组合（Linux Apache MariaDB Python，LAMP）框架来搭载网页上位机。LAMP框架较为简单，可以直接在树莓派中搭建，搭建完毕后，可使用树莓派远程登录到网页上位机，即可完成简单的远程登录服务器的搭建。在网页设计之前，需用树莓派完成LAMP框架的搭建工作。

上位机终端采用网页开发的形式，采用HTML与CSS前端布局搭建上位机界面，利用PHP进行调用树莓派后台及控制命令的发送，实时发送控制指令，完成水下机器人作业任务，利用Python进行图像处理，将传感数据以图像形式直观显示，网页上位机制作界面如图10所示。

由于通信中继的路由器将整个水下机器人系统都放置在同一个局域网内部，因此才可以在水下机器内部搭建服务器，上位机则作为一个客户端，采用跨域的工作方式与水下机器人进行网内通信。

7    测试结果

测试结果从基本参数和运动参数两个方面来分析。

7.1  机器人基本参数

机器人基本参数如表1所示。

7.2  运动参数

根据上述设计，实现了整个十字式球形水下机器人系统的多种运动功能。表2给出了该十字式球形水下机器人在水下作业时的参数。在上位机可以实时观测到水下机器人采集到的视频与水深等各参数，通过直接手动触摸的形式，可以实现水上远程控制机器人在水下作业的动作要求。水下机器人接受中继浮标转发的控制信号，能够完成前进、后退、左转、右转、上浮、下沉、旋转、悬浮等水下动作。

7.3  水下影像

运动的水下机器人拍摄日间如图11所示，夜间如图12的清水下物体的视频推流影像截图，成像清晰。

8    结语

随着海洋养殖监测和深海资源开发工程的推进，对水下养殖环境参数的数据采集需求将会日益增大。相对传统人工监测和单一的静态监测系统，研发的十字式球形水下机器人采用PID控制算法结合姿势传感器模块，可在水下平稳灵活运动，同时具有视觉和数据感知系统，可完成水下水质含氧量、含盐量、pH、温度、氨氮值等参数的监测和水下生物体生活状态的动态拍摄，并将数据和画面直接上传到网页上位机。将计算模块、视频模块、运动模块等分开，通过模块化处理与相应系统对接协调配合的作业方式来完成水下动态监测养殖环境的任务。

[参考文献]

[1]谭界雄，田金章，王秘学.水下机器人技术现状及在水利行业的应用前景[J].工程建设与管理，2018（12）：33-36.

[2]杜娟.新型水下球形机器人的控制系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[3]张金泉，胡庆松，申屠基康，等.海上网箱网衣检测用框架式AUV设计与试验[J].上海海洋大学学报，2016，25（4）：607-612.

[4]宋玉刚.郑雄胜.深海网箱网衣清洗系统设计研究[J].机械研究与应用，2012（2）：41-43，46.

[5]柯冠岩，吴涛，李明.水下机器人发展现状与趋势[J].国防科技，2013（5）：44-47.

[6]单海燕.四旋翼无人机自主控制[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[7]赵北晗.浅谈3D打印技术及应用[J].无线互联科技，2015（6）：132-134.

作者：吴海洲 王慧 黄瑞桂 邹子东 杨华鑫 严谨 陈春雷

机间通信研究论文 篇3：

一种基于ATmega128单片机的展项系统总体软件设计

【摘 要】文章具体分析了一种基于ATmega128单片机的展项系统总体软件设计，包括单片机与PC机的通信接口设计、单片机与控制电机接口设计、单片机与传感器接口模块设计以及用户按键接口模块的设计。

【关键词】ATmega128；接口模块设计

一、控制系统功能需求与总体硬件软件设计

本展项单片机控制光头光盘运动系统要实现以下功能：接收用户按键的输入，通知PC机对DVD视频播放文件做出相应的处理，同时控制光盘电机和光头电机运动系统做出相应的动作，向体验用户展示DVD的内部构造及其工作原理。要求DVD模型中光盘和光头的运动能和PC机端DVD视频的播放保持同步关系。根据系统的功能要求，硬件主要由单片机、光盘、光头电机及驱动部分、用户按键部分、传感器测位置部分和与PC机的通信部分组成。

图1展项系统软件流程图

根据系统设计要求，整个软件系统由单片机控制软件，用户操作软件和管理员维护软件构成。单片机控制软件主要是完成PC主机和机电控制板的通信，实现机电控制板的所有功能。即读取用户按键，DVD光头位置信息，并传递给PC机，同时也将PC机处理后的命令传送到机电控制板，从而完成从用户到光头移动的整个通信流程。用户端操作软件提供和用户互动的操作接口，运行于PC中，是对展项功能的直接诠释，用户可以通过操作该软件界面，选择观看Demo动画的不同部分，了解DVD构造原理等，用户也可以任意在各部分动画间自由切换。系统维护软件功能是维护软件的正常运行，提供系统当前的运行状态，可恢复和备份系统。

二、单片机控制端的软件设计

根据系统设计需求，单片机控制端硬件模块逻辑图（如图2所示）：包括电机接口模块，按键接口模块，PC接口模块和传感器接口模块。

图2单片机控制端硬件逻辑图

电机及其驱动部分由两部分组成，分别控制光盘和光头的运动。控制光盘旋转的电机需要用光盘电机需要变频器控制启动和停止的速度，光头电机需要控制器控制速度，和MCU的接口根据变频器和控制器的通信接口确定。用户按键接口和传感器接口通过MCU的I/O接口与MCU连接。该处理器将用户的按键输入通知PC主机，控制视频播放的速度和位置等，该处理器需要同PC主机通信，由于数据量不大，并且有一定的距离，因此采用RS485的通信方式。

1．单片机系统的通信方式。PC机与单片机用2根线方式进行全双工异步通信。由于AVR单片机输入输出电平为TTL电平，PC机配置的是RS232标准串口接口，二者电气规范不一致，因此必须进行电平的转换。MAX232芯片是MAXM公司推出的电平转换器，可将2路TTL电平转换成RS232电平，也可将RS232电平转换成TTL电平。本系统中，单片机端USART先通过MAX232芯片进行电平转换，然后与PC机按RS232接口协议进行串口通信。本系统中PC与ATmega128的一个USART串口相连。

图3ATmega128与PC机通信接口示意图

MAX232是低功耗、单电源双MAX232发送/接收器，接收器输出为三态。在设计接口电路时，采用三线制（RxD、TxD、GND）软握手方式，即将PC机和单片机的“发送数据线（TxD）”与“接收数据线（RxD）”交叉连接，二者的地线（GND）直接连接，其他信号线均不用，握手信号用软件方法产生。这样可以实现预定目标，同时可简化电路设计，节约了成本。如图4所示，MAX232引脚T1IN接单片机串行口发送端TxD，R1OUT接串行口接收端RxD，T1OUT接计算机的RxD端，R1IN接计算机的TxD端，计算机的GND和MAX232的GND直接相连。

图4ATmega128单片机与PC机接口电路图

2．电机模块接口硬件设计。ATmega128的一个串口已经与PC连接，在电机的接口上，光盘电机和光头电机的接口使用同一个USART串口，即复用串口。目前，在变频器上一般都设计有RS485通讯接口，己经成为变频器的标准配置。由于ATmega128只有USART串口，需利用电平转换芯片将USART接口信号转换成信号，完成与变频器通讯接口的连接和通讯，进行单片机和变频器之间的控制。变频器良好的控制性能要通过与单片机的通讯来实现。本系统中以用于控制光盘电机运动的内置RS485通讯接口的三菱FR-S5203E-1.5k-CHT变频器为主对象，研究单片机控制变频器的通信技术。如图5所示为变频器与计算机组成的单机通信原理图。

图5ATmega128单片机与光盘电机通信接口示意图

在该系统中单片机与变频器之间通过RS485串口进行双向通讯。由于RS485数据信号采用差分传输方式，具有传输距离远，抗干扰能力强等特点，所以在串口通讯中得到广泛的应用。为了能与ATmega128单片机的USART串口进行通信，在单片机串口前采用一个转接口，实现高性能的数据通信。

3．光头电机模块接口设计

图6光头电机运动系统组成图

光头电机系统采用伺服驱动，光头电机系统包括伺服驱动器和伺服电机。光头运动控制器不仅要与单片机进行实时、准确的通信；还要为电机提供准确的控制信息，为伺服系统提供反馈通道。本系统中所采用的是三菱公司的全数字交流伺服驱动器和伺服电机，该系统功能完善、性能优良，其控制器采用PLC实现，整个系统无需外部装置，可以通过显示操作部分方便地跟踪、观察和调制伺服系统的各种状态。PLC的定位模块与伺服放大器结合起来，可以精确方便的进行位置控制和速度控制。PLC控制器的通信接口是RS232接口，ATmega128的USART要与PLC通信，将PLC的RS232接口转变成RS489接口，同时将USART接口连接一个MAX489芯片，实现与PLC的通信匹配。

图7光头电机与ATmega128接口示意图

4．用户按键模块接口设计。在本设计中对键盘输入的要求是：（1）不需要使用很多按键，因为用户的操作不是很复杂，总共6个。（2）尽量占用少的系统资源，因为单片机主要控制电机和与PC通信。

基于上述要求的综合考虑，选用 6个用户触点按钮组成键盘，使用独立按键接口方式，采用查询方式输入，一个光头复位按键和单片机复位按键，采用外部中断方式。其选择理由如下：（1）8个触点按钮基本上满足输入要求。本设计中键盘的主要作用是功能按键。（2）使用独立按键接口的键盘主要是因为按键不多，占用微处理器的输入/输出口较少。如果使用矩阵式键盘外围电路较为复杂，若使用键盘专用芯片则会增加开发成本，也没有必要。因此，使用独立式键盘接口既能保证各个按钮之间没有干扰，又能简化外围电路和键盘输入的软件编程。

ATmega128单片机的端口C(PC5～PC0)用于6个功能按键的设置。

图8按键部分接口电路图

KEY0：体验后退键；KEY1：体验播放/暂停键；KEY2：体验前进键；KEY3：体验停止键；KEY4：解说前进键；KEY5：解说后退键。

文章提出了单片机控制电机系统的软件设计方案与实现，并对各个具体软件模块的实现流程进行了说明，主要包括单片机端主控模块的设计、单片机与PC通信的设计、单片机对运动控制系统的控制设计、用户按键设计以及光头位置获取的设计。本系统作为“pc＋运动控制器＋电机”的工控模型的设计实例，以单片机为主控，对运动系统进行实时控制，有其实际的应用意义。

参考文献

[1]刘兰香，张秋生．ATmega128单片机应用与开发实例[J]．北京：机械工业出版社，2006（4）

[2]霍宏伟，牛延超，黄吉莹．ATMEGA 128/2560系统单片机原理与高级应用[J]．北京：机械工业出版社，2006

作者：方晓明