1 機器魚控製係統設計方案

機器魚控製係統總體結構如圖1所示。係統主要分為指令發送端和指令執行端，兩部分均以CC1110無線單片機作為核心控製器，負責指令的發送
、接收、數據處理，進而控製機器魚的相關執行機構工作。指令發送端的指令來自上位機

，USB串口轉換電路將USB接口模擬成串口
，實現上位機與CC1110的串口通信。電源模塊完成電壓的變換，為相關電路提供各種合適的工作電壓。存儲器模塊存儲機器魚的相關信息。舵機驅動模塊為執行機構舵機提供合適的控製信號。

2 機器魚控製係統硬件設計

2.1 USB串口轉換電路

CH341T是一款USB總線轉接芯片，通過簡單的接線即可實現USB接口和串口之間的轉換
，此時無需改動上位機與下位機的程序

，通過USB接口即可實現上位機與下位機的串行通信。USB串口轉換電路原理圖如圖2所示。

在本設計電路中，將CH341T芯片的SDA和SCL引腳懸空，此時芯片功能為USB轉異步串口
，模擬計算機串口；CH341T芯片的TXD和RXD兩個引腳分別連接到CC1110無線單片機的RX（P0.2）和TX（P0.3）兩個引腳

；TEN#引腳為串口發送使能端，接地使CH341T能發送數據。CH341T芯片的地要和CC1110無線單片機的地相連。CH341T不需外接電源
，直接由上位機通過USB口提供+5V電源。

2.2 DC-DC電壓變換電路

指令發送端由USB提供5V電壓，指令執行端由電池提供5V直流電壓。電池提供的5V直流電壓可以直接為舵機驅動芯片以及舵機供電。而係統內部CC1110無線單片機正常工作電壓範圍是2.0~3.6V

，存儲器芯片24AA01正常工作電壓範圍是1.7~5.5V，這裏可以將二者的工作電壓選擇為3.3V.為此，專門設計了一個DC-DC電壓變換電路，將5V直流電壓變換為3.3V直流電壓後再提供給CC1110無線單片機和24AA01芯片，以保證係統的正常工作。這裏采用AMS公司生產的AMS1117芯片設計了電壓變換電路
，具體的DC-DC電壓變換電路如圖3所示。

在電壓輸入端接有22 μF電解電容及電壓輸出端接有47 μF電解電容

，以保證輸出電壓的穩定。
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2.3 CC1110無線收發電路

在機器魚控製係統中，機器魚指令的發送
、接收以及指令解析執行是係統的關鍵部分。而現有的無線收發係統很多都是采用單片機和RF收發模塊組成

，這樣整個控製電路的體積較大，將會使機器魚的體積變大。為了將機器魚體積做小以及將功耗降低，這裏采用TI公司生產的一種低成本、低功耗的CC1110無線單片機作為指令收發執行的核心器件。CC1110無線收發電路如圖4所示。

在無線收發電路中
，電容C1-C6為電源去耦電容；電阻R2和電容C18構成上電複位電路
；電容C7、C9以及電感L1、L2構成BALUN阻抗匹配電路，將輸出阻抗轉換為50 Ω標準天線阻抗
；Y1、C13以及C14構成CC1110高速時鍾源
；Y2、C15以及C16構成CC1110低速時鍾源：JATG接口用於在線調試與下載程序；PWM01（P1.0）和PWM02（P1.1）接舵機驅動電路的輸入
；RX（P0.2）和TX（P0.3）接USB串口轉換電路
，用於串口通信

；2401_WP（P0.4）
、2401_SCL（P0.5）以及2401_SDA（P0.6）接存儲器模塊，控製存儲器的讀寫。

2.4 舵機驅動電路

在機器魚控製係統中，我們利用舵機的擺動來模擬機器魚的遊動。而無線單片機產生的PWM信號不足以驅動舵機
，為保證舵機正常工作，要專門設計一個舵機驅動電路。舵機驅動電路采用了74AHCT1G04芯片，舵機驅動電路原理圖如圖5所示。

2.5 存儲器電路

在機器魚初始化階段以及在機器魚控製過程中需要存儲一些參數

，因此要有專門的存儲模塊。由於參數的數據量比較小，這裏采用I2C接口的24AA01存儲芯片
，存儲器電路原理圖如圖6所示。

3 機器魚控製係統軟件設計

在機器魚控製係統中軟件設計采用模塊化設計，主要包括串口通信程序
、無線通信程序、存儲器讀寫程序以及舵機驅動程序。

3.1 串口通信程序設計

串口通信程序完成CC1110無線單片機與上位機PC的串行通信。串口接收數據采用中斷的方式

，串口發送數據采用查詢的方式。串口收發程序流程圖如圖7所示。


在硬件設計中采用了CH341T串口轉換電路模擬串口，為了配合硬件的使用，需要在上位機中安裝驅動程序，驅動程序可以從南京沁恒電子有限公司網站上下載。
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3.2 無線通信程序設計

在設計無線通信程序前
，需要配置CC1110的高頻部分，以確定無線收發器的收發頻率
、發送功率、傳輸速率以及調製方式等。由於CC11 10高頻配置較為複雜，這裏可以采用TI公司的SmartRF Studio軟件來進行配置。通過設置寄存器FREQ2、FREQ1和FREQ0將CC1110的收發頻率選擇在433MHz頻段；通過設置PA TABLE0將CC1110的發送功率設置為10dBm，這樣可以提高發射距離

；由於該控製係統的指令數據量較小，可以選擇較低的傳輸速率
，不僅可以提高傳輸距離，而且可以降低能耗；調製方式選擇2-FSK方式。

wuxiantongxinchengxubaokuowuxianfasongchengxuhewuxianjieshouchengxuliangbufen。wuxianfasongchengxujiangdaifasongdeshujutongguowuxiandefangshifasongchuqu，wuxianjieshouchengxukeyijieshoutongpinlvdefashejifasongdeshuju。wuxiantongxinchengxuliuchengturutu8所示。

3.3 指令發送端主程序設計

在機器魚控製係統的指令發送端
，實現的功能包括串口收發數據和無線收發數據。指令發送端主程序流程圖如圖9所示。

指(zhi)令(ling)數(shu)據(ju)無(wu)線(xian)發(fa)送(song)以(yi)後(hou)，指(zhi)令(ling)發(fa)送(song)端(duan)開(kai)始(shi)等(deng)待(dai)接(jie)收(shou)指(zhi)令(ling)執(zhi)行(xing)端(duan)反(fan)饋(kui)的(de)數(shu)據(ju)。指(zhi)令(ling)發(fa)送(song)端(duan)接(jie)收(shou)到(dao)反(fan)饋(kui)數(shu)據(ju)後(hou)調(tiao)用(yong)串(chuan)口(kou)發(fa)送(song)程(cheng)序(xu)將(jiang)反(fan)饋(kui)數(shu)據(ju)發(fa)回(hui)到(dao)PC，將jiang反fan饋kui數shu據ju與yu指zhi令ling數shu據ju比bi對dui，如ru果guo反fan饋kui數shu據ju與yu發fa送song數shu據ju一yi致zhi，則ze認ren為wei指zhi令ling數shu據ju發fa送song成cheng功gong，否fou則ze重zhong新xin發fa送song指zhi令ling數shu據ju。如ru果guo長chang時shi間jian沒mei有you接jie收shou到dao反fan饋kui數shu據ju，則ze重zhong新xin發fa送song指zhi令ling數shu據ju。

3.4 指令執行端主程序設計

在機器魚控製係統指令執行端，主要包含指令數據的接收、指令數據的反饋發送、存(cun)儲(chu)器(qi)的(de)讀(du)寫(xie)以(yi)及(ji)舵(duo)機(ji)的(de)控(kong)製(zhi)等(deng)。其(qi)中(zhong)，舵(duo)機(ji)的(de)控(kong)製(zhi)是(shi)最(zui)為(wei)關(guan)鍵(jian)的(de)部(bu)分(fen)。在(zai)控(kong)製(zhi)舵(duo)機(ji)前(qian)要(yao)先(xian)對(dui)指(zhi)令(ling)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)解(jie)析(xi)，計(ji)算(suan)出(chu)舵(duo)機(ji)的(de)控(kong)製(zhi)量(liang)。由(you)於(yu)舵(duo)機(ji)采(cai)用(yong)級(ji)聯(lian)的(de)方(fang)式(shi)來(lai)模(mo)仿(fang)魚(yu)體(ti)的(de)擺(bai)動(dong)，因(yin)此(ci)舵(duo)機(ji)間(jian)關(guan)節(jie)的(de)運(yun)動(dong)規(gui)律(lv)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)以(yi)下(xia)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)：

式中，Ka為振幅係數，Ki為偏斜係數
，f為擺動頻率

，φi為關節滯後角，Aimax為關節擺動幅度，t為時間。以上參數即為舵機的主要控製參數。在程序設計過程中
，一般取Ka≤0.5，Ki
、f、φi以及Aimax四個參數根據具體的速度指令和方向指令來計算出相應的控製量。指令執行端主程序流程圖如圖10所示。


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