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2008-03-19 14:15:16
本科毕设参加了亚太大学生机器人比赛国内选拔赛，接触了机器人的机械和控制系统的设计。我主要负责手动机器人控制系统的设计。由于控制任务不是很复杂，对数据处理能力和控制实时性上要求不是很高，所以主控芯片选择了ATMEL的51系列，控制器选的是平时玩拳皇和实况时用的PS手柄。下面是单片机与手柄的通讯的设计过程：
输入设备在控制系统中是十分重要的,是人机交互的界面。手柄输入在一些特殊的场合比如机器人控制中十分方便,直观。比赛中采用的是PC接口(25针)的数字手柄（Psx Digital）。这种接口的手柄通讯协议简单，且与单片机通讯时不需要转换接口。在与单片机通讯时只需要四根信号线，手柄与单片机是通过串行方式通讯的市场上可以买到的普通PC手柄大都由PS手柄改装而成.图1是PS手柄到PC手柄的改装线路.由图可以看出,普通PS手柄插头中第3针和第8针没有用,剩余的7根针所接的线从左到右的颜色依次为:棕,桔,黑,红,黄,蓝,绿.每根线都有固定的作用.手柄与主机之间是通过串行方式通讯的.针脚具体含义如图2:
图1 PC手柄的改装接线图
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针脚 |
定 义 |
用 途 |
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1 |
DATA |
信号流方向:从手柄到主机.此信号是一个8bit的串行数据.同步传送于时钟的下降沿(输入输出信号在时钟信号由高到低时变化,所有信号的读取在时钟前沿到电平变化之前完成) |
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2 |
COMMAND |
信号流方向:从主机到手柄.此信号和DATA相对,是一个8bit的串行数据,同步传送于时钟下降沿 |
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3 |
N/C |
未用 |
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4 |
GND |
电源地和信号地 |
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5 |
Vcc |
电源电压,有效工作电压3V-5V |
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6 |
ATT |
ATT用于提供手柄触发信号.信号在通讯期间处于低电平 |
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7 |
CLOCK |
信号流方向:从主机到手柄.用于保持数据同步 |
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8 |
N/C |
未用 |
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9 |
ACK |
从手柄到主机的应答信号.此信号在每个8bit数据发送之后的最后一个时钟周期变低,并且ATT一直保持低电平.如果ACK信号保持60μs 不变低，PS主机会试另一个外设 |
图2 PC手柄针脚含义
手柄通信都是8 bit串行数据最低有效位先行。PC手柄总线的所有时码在时钟下降沿都是同步的。传送一个字节的情况如图3：
图 3 PC手柄传输数据时序图
数据线的逻辑电平在时钟下降沿驱动下触发改变。数据的接收读取在时钟的前沿（在记号*处）到电平变化之前完成。在被选手柄接收每个COMMAND信号之后，手柄需拉低ACK电平在最后一个时钟。如果被选手柄没有ACK应答，主机将假定没手柄接入。
当主机想读一个手柄的数据时，将会拉低ATT线电平并发出一个开始命令（0x01）.手柄将会回复它的ID(0x41=数字,0x23=Negcon,0x73=模拟红灯,0x53=模拟绿灯)。在手柄发送ID字节的同时，主机将传送0x42 请求数据。随后命令线将空闲，手柄送出0x
图 4 数字手柄时钟信号
在手柄执行初始化命令之后将发送它的所有的数据字节（数据手柄只有两个字节）。在最后字节发送之后使ATT高电平，手柄无需ACK应答。数字手柄的数据传送如图5：
图 5 数字手柄的数据传送
标准数字手柄的实际发送字节（所有按键按下均有效）如图6：
图 6 数字手柄按键码位数据图
手柄是以串行方式和主机进行通讯，通讯时钟由CLOCK提供，在实时性要求不高的场合握手信号可以省去。
根据通讯协议，我们设计了手柄与单片机的硬件通讯电路，编写了通讯程序。为了调试方便，我们通过LED的亮灭来测试手柄与单片机的通讯。加电后发现发光二极管没有任何反应。测量单片机的输出信号发现信号比较稳定但太微弱，我们怀疑是单片机输出的驱动能力不够，致使手柄接收不到单片机的控制信号。于是我们拆开手柄，分析了手柄的线路，查清各个信号线，把从单片机到手柄的信号线即COMMEND,ATT和CLOCK三根线断开，在中间增加一级驱动，重新试验，LED有了反应，说明我们的判断是正确的。
但是LED的亮灭并不是象预想的那样随按键的变化而变化，所以还存在问题。利用仿真软件我们检查了程序执行过程中通讯参数的变化情况。通过程序中存储器的变化可以看出单片机可以正确的送给手柄信号，但是单片机不能正确地接收手柄的信号。仔细分析程序，研究手柄的通讯时序图，修改了单片机的接收子程序。
修改程序之后LED的显示有的时候与按键符合，有的时候不符合。怀疑是通讯时钟信号的问题。手柄与单片机的通讯实时性要求不是很高，但要正确识别按键信号须准确控制时钟同步信号。通过不断调整时钟参数，单片机终于能够准确的接收到手柄的按键信号了。最终将程序一改为程序二
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define time 100
uchar HAND;
uchar keybuf0; //手柄按键编码存储单元
uchar keybuf1;
uchar RES[6];
sbit ATT=P3^0; //手柄控制信号
sbit CLK=P3^1;
sbit CMND=P3^2;
sbit DAT=P3^3;
void main()
{
motor(1,0); //初始化各个功能电机
motor(2,0);
motor(3,0);
motor(4,0);
motor(5,0);
WatchDog_state=0; //清看门狗
while(1)
{
WDO=0;
delay_1ms(1);
WDO=1;
key_scan();
WDO=0;
delay_1ms(1);
WDO=1;
if(auto_reset_flag)
keybuf1=0xFE;
if(auto_catch_flag)
keybuf1=0xFB;
key_function(); //各个按键对应的功能
}
}
void key_scan()//键扫描
{
t=0;
ATT=0; //主机读手柄先拉低ATT
HAND=0x01; //主机发送开始命令
psinout(); //0xff
delay(5);
HAND=0x42; //主机发送请求数据命令
psinout(); //0x41：手柄返回请求应答信号
delay(25);
psout(); //0x
delay(25);
psout(); //keybuf0(空0xff) //手柄返回按键编码第一字节
delay(25);
psout(); //keybuf1(空0xff) //手柄返回按键编码第二字节
keybuf0=RES[3];
keybuf1=RES[4];
delay(10);
ATT=1;
}
void psout()//主机接收子程序
{
int j,k;
unsigned char duf=0;
j=1;
for(k=0;k<=7;k++) //逐位发送
{
CLK=1;
delay(5);
CLK=0;
delay(5);
if(DAT==1)
duf=duf+j;
j=j*2;
CLK=1;
delay(5);
}
RES[t++]=duf;
}
void psinout()//手柄发送子程序
{
uchar buf,duf=0;
uchar i,j=1;
buf=HAND;
for(i=0;i<=7;i++) //逐位接收
{
CLK=1;
delay(5);
if(buf&0x01)
CMND=1;
else
CMND=0;
buf=buf>>1;
CLK=0;
delay(5);
if(DAT==1)
duf=duf+j;
j=j*2;
CLK=1;
delay(5);
}
RES[t++]=duf;
}
void delay(uchar k)
{
uchar i;
for(i=0;i
}
void key_function()
{
……
……
}
void delay_1ms(uchar k)
{
do
{
TMOD=0x01;
TH0=-(300/256);
TL0=-(300%256);
TR0=1;
while(!TF0);
TF0=0;
}while (k--);
}
