六 音頻視頻處理首選 DSP

　　1 簡(jiǎn)介

　　DSP數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP），它是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)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(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(chēng)道的兩大特色。

　　在高速小車(chē)巡線、語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域DSP被廣泛應(yīng)用。但如果僅用DSP檢測(cè)幾個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)、控制幾個(gè)電機(jī)顯得大材小用。

　　七 新興控制器 FPGA

　　1簡(jiǎn)介

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在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(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需要通過(guò)可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來(lái)，就好像一個(gè)電路試驗(yàn)板被放在了一個(gè)芯片里。簡(jiǎn)單說(shuō)，如果使用者想開(kāi)發(fā)一個(gè)用簡(jiǎn)單數(shù)字邏輯電路就能控制的小車(chē)，又嫌搭電路麻煩，他就可用軟件給一個(gè)FPGA編程讓它實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路功能去控制小車(chē)。即FPGA可被用來(lái)模擬各種電路。有的FPGA甚至能模擬51單片機(jī)的運(yùn)行。因FPGA通過(guò)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(ài)好者嘗試用FPGA做機(jī)器人控制器。

　　八 更多可供選擇的單片機(jī)

　　我們選擇學(xué)一款單片機(jī)前首先要考慮自己面對(duì)的實(shí)際任務(wù)需要什么性能的單片機(jī)，然后在眾多性能滿(mǎn)足要求的單片機(jī)中作出選擇。此時(shí)我們還要考慮不同單片機(jī)的“應(yīng)用廣泛程度”，比方說(shuō)：當(dāng)我們要做一個(gè)電子大賽智能小車(chē)，有AVR單片機(jī)和PIC單片機(jī)可滿(mǎn)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(lái)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(jué)要想做智能小車(chē)，AVR單片機(jī)的資料比較豐富。

　　世界上有種類(lèi)繁多的單片機(jī)，它們當(dāng)中絕大多數(shù)都可用來(lái)控制機(jī)器人，但存在一個(gè)是否合適的問(wèn)題。比如PLC是可編程控制器，當(dāng)然可以用來(lái)控制愛(ài)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(jià)格昂貴，同時(shí)不易獲得用PLC控制小型機(jī)器人的資料。愛(ài)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、凌陽(yáng)、DSP、FPGA等所有有名的單片機(jī)，那么他將無(wú)法擁有真正的深度開(kāi)發(fā)能力。所謂深度開(kāi)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(jí)技術(shù)人員可以用它控制參加比賽的機(jī)器人，而真正的高級(jí)開(kāi)發(fā)人員可以用AVR實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)、無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛、坦克火控系統(tǒng)……

　　AVR單片機(jī)過(guò)時(shí)了嗎？

　　有初學(xué)者甚至中級(jí)開(kāi)發(fā)人員認(rèn)為因ARM性能一般比AVR性能高，因此ARM將代替AVR，AVR將退出歷史舞臺(tái)，或者MSP430將代替51系列單片機(jī)，或者FPGA將取代所有單片機(jī)等。這種看法不對(duì)，因?yàn)椴煌瑔纹瑱C(jī)都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有哪種單片機(jī)是完美的，在不同場(chǎng)合用最合適的單片機(jī)，發(fā)揮它們各自的特長(zhǎng)，而不存在ARM一統(tǒng)天下，取代所有其他型號(hào)單片機(jī)的可能性。試想，原本十幾元的電子表因?yàn)椴捎肁RM控制買(mǎi)到幾百元，誰(shuí)能受得了？因此不要覺(jué)得AVR已經(jīng)過(guò)時(shí)，學(xué)完51就直接學(xué)ARM，或者覺(jué)得學(xué)51沒(méi)用，直接學(xué)ARM，否則你將碰壁。

　　MSP430系列單片機(jī)：比較適于機(jī)器人開(kāi)發(fā)，是美國(guó)德州儀器推向市場(chǎng)的一種16位、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合信號(hào)處理器。具有Flash存儲(chǔ)器，中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在200~400uA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1uA。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)。它們分別是看門(mén)狗、模擬比較器、定時(shí)器、串口0、1、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位Sigma-Delta AD、直接尋址模塊（DMA）、IO端口、基本定時(shí)器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。MSP430 系列單片機(jī)引進(jìn)了JTAG技術(shù)，不僅使開(kāi)發(fā)工具變得簡(jiǎn)便，而且價(jià)格也相對(duì)低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。

　　PIC單片機(jī)：可用于機(jī)器人開(kāi)發(fā)，是8位單片機(jī)，產(chǎn)品種類(lèi)豐富，采用精簡(jiǎn)指令集，有不錯(cuò)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，引腳驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可直接連接繼電器控制強(qiáng)電。自帶看門(mén)狗，有睡眠和低功耗模式。很多性能不如AVR和MSP430系列單片機(jī)，但因其有特殊優(yōu)點(diǎn)，也被廣泛應(yīng)用。

　　凌陽(yáng)單片機(jī)：比較適于機(jī)器人開(kāi)發(fā)，以16位計(jì)算機(jī)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(yáng)單片機(jī)。凌陽(yáng)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，因此凌陽(yáng)適合進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別。在我國(guó)凌陽(yáng)單片機(jī)在學(xué)校比較常見(jiàn)，應(yīng)用實(shí)例較多，可作為機(jī)器人愛(ài)好者選用的單片機(jī)。

　　九 實(shí)例：用AVR單片機(jī)創(chuàng)造機(jī)器生命

　　1 什么是機(jī)器生命

　　機(jī)器生命就是一個(gè)能自主生存的機(jī)器，一個(gè)自動(dòng)為生存下去而奮斗的機(jī)器。對(duì)于機(jī)器生命來(lái)說(shuō)，生存的含義就是不斷電，繼續(xù)運(yùn)行。機(jī)器生命具有完全自主決策、自主行動(dòng)、活動(dòng)于未知世界、不需人類(lèi)參與就能持續(xù)運(yùn)行并且自我維護(hù)等特征。影片《終結(jié)者》中的天網(wǎng)就是超級(jí)機(jī)器生命。《霹靂5號(hào)》描述了一個(gè)機(jī)器人從無(wú)生命到有生命的過(guò)程。

　　N.維納（Norbert Wiener，1894～1964）寫(xiě)《控制論》時(shí)創(chuàng)造出第一個(gè)機(jī)器生命Wiener龜，這個(gè)機(jī)器龜僅有2個(gè)電子管組成的模擬計(jì)算機(jī)，但它卻能實(shí)現(xiàn)真正的烏龜覓食、睡覺(jué)、探索、逃避等行為，其表現(xiàn)如同一個(gè)有生命的生物一樣。機(jī)器龜上面有太陽(yáng)能電池，當(dāng)自身電池快用完前，機(jī)器龜樂(lè)于尋找一個(gè)光線充足的地方充電，充滿(mǎn)電后可能找個(gè)地方睡懶覺(jué)，或者探索未知世界，它有避免碰撞和避免到傾斜地方的趨向，我們無(wú)法預(yù)知它的行蹤，因?yàn)樗皇前凑粘绦蜻\(yùn)行的，就如同我們自己一樣。后來(lái)維納在他的機(jī)器龜上又加了一個(gè)電子管，三個(gè)電子管連接成簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)機(jī)器龜訓(xùn)練，維納通過(guò)搖鈴可控制機(jī)器龜?shù)男袨椤Ｕ缬猩飳W(xué)家訓(xùn)練狗使得狗聽(tīng)到搖鈴聲后就流口水。

　　2 我們可以自己動(dòng)手做一個(gè)機(jī)器寵物

　　我們今天有先進(jìn)的單片機(jī)，制作一個(gè)更好的機(jī)器生命其實(shí)不難。機(jī)器生命遠(yuǎn)比按固定程序運(yùn)行的機(jī)器人好玩，就如同寵物狗比玩具狗好玩一樣。我們?cè)O(shè)想的機(jī)器生命可以是一個(gè)小型履帶式機(jī)器人，帶有太陽(yáng)能板，能感受光線強(qiáng)弱，障礙物距離和碰撞，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，該機(jī)器生命具有語(yǔ)音識(shí)別功能。試想你學(xué)習(xí)一天，回到寢室，叫一聲TONY，你的機(jī)器寵物轉(zhuǎn)身飛快跑向你，那種感覺(jué)只有寵物的創(chuàng)造者才能體會(huì)……

　　3 如何實(shí)現(xiàn)？如何設(shè)計(jì)電路？如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)？

　　這個(gè)機(jī)器生命方案采用ATmega16單片機(jī)做控制器，單片機(jī)的8路AD通道和其余24個(gè)IO接口都被使用。AVR單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換頻率高于音頻，可以用來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)音采集。機(jī)器生命的程序較復(fù)雜，而AVR單片機(jī)適合進(jìn)行快速?gòu)?fù)雜運(yùn)算。本設(shè)計(jì)的電路板上除了ATmega16單片機(jī)外，還有2個(gè)LG9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、2個(gè)LM386音頻功放芯片，和LM393電壓比較器芯片，再加上少量電阻電容和三極管，電路簡(jiǎn)潔，適合初學(xué)者和中級(jí)愛(ài)好者動(dòng)手制作。

　　LCD采用通用1602模塊，支持3位控制線4位數(shù)據(jù)線，如果你采用IO口復(fù)用技術(shù)，可用6條線控制LCD模塊。

　　此方案涉及光電檢測(cè)、自動(dòng)充電、語(yǔ)音識(shí)別、超聲波測(cè)距、鍵盤(pán)（4個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)）、LCD液晶顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，這些都是動(dòng)手做簡(jiǎn)單機(jī)器人的基本技術(shù)，如果愛(ài)好者能把這個(gè)機(jī)器生命做好，那么你的電路設(shè)計(jì)、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和編程能力都會(huì)有很大的提高。

　　這個(gè)機(jī)器生命的技術(shù)含量相當(dāng)于20世紀(jì)70年代國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的先進(jìn)水平。當(dāng)時(shí)已經(jīng)有很多非常精密和復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人被應(yīng)用，但這種簡(jiǎn)單的機(jī)器人怎么能稱(chēng)作先進(jìn)呢？因?yàn)榧夹g(shù)的復(fù)雜和技術(shù)的先進(jìn)不是一個(gè)概念，復(fù)雜+精密不一定等于先進(jìn)。先進(jìn)的東西不一定復(fù)雜和精密。

　　A 尋光

　　我們可以用光電二極管來(lái)檢測(cè)光線強(qiáng)弱。當(dāng)然也可以用光敏電阻。將光敏電阻和一個(gè)固定電阻串聯(lián)接在電源正負(fù)極之間，光敏電阻靠近正極一側(cè)。從光敏電阻和固定電阻連接點(diǎn)引出導(dǎo)線接到ATmega16的AD轉(zhuǎn)換輸入口。當(dāng)強(qiáng)光照在光敏電阻時(shí)，光敏電阻阻值變小，因此其壓降變小，而固定電阻分壓增多，引出的AD檢測(cè)電位升高，被單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后判斷光線增強(qiáng)。機(jī)器生命有5個(gè)光電傳感器，其中4個(gè)面向機(jī)器人前后左右四個(gè)方向，另一個(gè)指向太陽(yáng)能板所面對(duì)的方向。通過(guò)編程可以讓機(jī)器人自主移動(dòng)到光線最強(qiáng)的地方。

　　B 充電

　　本設(shè)計(jì)采用4.8V鎳氫充電電池為系統(tǒng)供電。太陽(yáng)能電池板正負(fù)極通過(guò)一個(gè)三極管與電池正負(fù)極相連。有一個(gè)電壓比較器比較電池電壓與太陽(yáng)能板的壓差，如果壓差高于某值，比較器控制三極管導(dǎo)通，太陽(yáng)能電池板對(duì)充電電池充電。充電電池電壓上升，當(dāng)高于某值時(shí)控制三極管關(guān)斷，結(jié)束充電。為使太陽(yáng)能板能對(duì)電池組充電，要求太陽(yáng)能板在陽(yáng)光直射下輸出電壓高于8V。