软件架构与通信协议

1软件架构

在开始前，我们来复习一下第一期文章中提到的软件架构图。

首先介绍一下软件的架构，小π机器人的软件部分主要包含手机APP程序、上位机程序、主控单片机程序和从机程序构成。

本周主要讲解主控单片机程序和从机程序，下周将讲解手机APP程序和上位机程序。小π机器人的软件架构图如下图示：

主控单片机收到数据以后先判断是动作指令还是其他指令。

如果是动作指令，直接将指令发给动作控制单片机，动作控制单片机调用不同的数组，输出不同的PWM，使舵机的转过不同角度，从而实现各种不同动作。

如果是其他指令，比如三色RGB灯的控制，解析出三色的数据，输出不同电压，实现脸部变色功能。比如喇叭，可以播放SD卡中的音乐。

2通信协议

为了方便手机与单片机之间、上位机与单片机之间、主机与从机之间的通信，我们定义了属于自己的通信协议。

通信协议的基本格式为<指令,参数>。

例如动作指令<FW,5>。其中，“<”代表指令开始；指令“FW”是英文向前forward的缩写，代表向前的命令；英文“,”把命令和参数分隔开；参数“5”代表指令FW的参数为5；“>”代表指令结束。这句话的意思就是向前走5步。其它动作指令也是类似的。

灯光颜色选择指令由三条指令构成，分别为<R,R的参数>，<G,G的参数>和<B,B的参数>。众所周知，红、绿、蓝是光的三原色，通过控制红、绿、蓝的比例，就可以实现任意颜色的输出。R、G、B是英文红色red、绿色green、蓝色blue的首字母，分别代表红色、绿色和蓝色。R、G、B的参数变化范围为0-255，这样就可以变化出1600多万种颜色。

单片机选择

为了方便大家编写单片机的程序，我们采用的是完全开源的Arduino系列单片机。Arduino由一个欧洲开发团队于2005年冬季为艺术生开发，所以比较简单，容易上手。Arduino由硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)组成。下图为常用的几款Arduino。

Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系统上运行。Arduino语言基于wiring语言开发，是对 avr-gcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，人人都可以快速的进行开发。

Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。

总之，Arduino具有跨平台、开发简单、开源的优点，所以我们采用的Arduino系列单片机。

运动控制简析

小π机器人有4个自由度，换句话说，小π机器人的运动主要是通过控制4个舵机来实现的。4个舵机在一定时间内依次转动不同的角度，再通过一定的排列组合，就可以实现前进、左转、右转、后退等简易动作和摇头、抬脚、晃腿、弹跳等复杂的动作。

舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线。舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。

也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。

舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。

由于一次改变PWM占空比太多，舵机转动速度过快、转动角度太大，会造成动作不协调、也不美观，而且运动过快容易造成小π机器人的不平衡。

所以要控制小π机器人做一个特定的动作，只能分多次控制舵机的角度，每次只转动一点角度，延时一定时间后再次改变舵机的角度，这个延迟时间一般为几个毫秒，这样就可以使舵机比较平缓的转动相应的角度。

硬件部分程序

1蓝牙模块

蓝牙模块使用的是HC-06，负责与手机之间进行通信。单片机与蓝牙模块之间的通信采用的是串口通信。波特率设置为115200，设置代码为Serial.begin（115200）。发送<FW,5>命令代码为Serial.println（”<FW,5>”）。

2音频播放模块

主控单片机通过模拟人按压独立按键产生一个脉冲信号控制蓝牙音频模块，实现切换歌曲、调节音量、播放与暂停的功能。

例如，定义播放/暂停键为2号端口，初始化代码为：

pinMode(2,OUTPUT);

产生一个脉冲信号代码为：

digitalWrite(2,HIGH);//2号端口置为高电平  

delay(200); //延时200毫秒         

digitalWrite(2,LOW);//2号端口置为低电平  

delay(1000);//延时1秒

3七彩LED控制

主控单片机产生三个不同PWM信号实现对七彩LED的控制，最终达到灯光秀的效果。

PWM信号是数字方波，其中频率是恒定的，但信号接通时间的一小部分（占空比）可以在0和100％之间变化。（点击文末阅读原文，查找参考代码）

4触摸功能

三根触须使用的是金属材料，人摸触须时，由于端口电平的改变触发中断，执行相应的操作。

中断设置代码如下：

pinMode( pinInterrupt, INPUT);//设置管脚为输入

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pinInterrupt),onChange,CHANGE);

 //Enable中断管脚, 中断服务程序为onChange(), 监视引脚变化

5语音交互功能

将语音以数组的形式存到SD卡中，每次进行语音互动时，提取相应的数据，产生音频输出信号，经过滤波后通过喇叭播放相应的语音。（点击文末阅读原文，查找参考代码）

6SD卡模块

SD卡模块读写可以采用SPI模式或者SDIO模式读写数据。

SD库允许读取和写入SD卡，例如在Arduino以太网盾上。该库支持标准SD卡和SDHC卡上的FAT16和FAT32文件系统。它使用简短的8.3名称作为文件。传递给SD库函数的文件名可以包含用正斜杠分隔的路径，例如“directory / filename.txt”。

由于工作目录始终是SD卡的根目录，因此无论是否包含前导斜杠（例如，“/file.txt”等同于“file.txt”），名称都是指同一个文件。从版本1.0开始，该库支持打开多个文件。

微控制器和SD卡之间的通信使用SPI，它发生在数字引脚11,12和13（在大多数Arduino板上）或50,51和52（Arduino Mega）上。另外，必须使用另一个引脚来选择SD卡。

这可以是硬件SS引脚 - 引脚10（在大多数Arduino板上）或引脚53（在Mega上） - 或调用SD.begin（）时指定的另一个引脚。请注意，即使您不使用硬件SS引脚，也必须将其保留为输出或SD库不起作用。

这些模块的代码都比较简单、网上也有大量的例程。需要什么程序，大家自由组合就好了。

下期预告

想知道手机如何与小π建立连接吗？怎么用手机控制小π吗？下周一我们将会给出小π系列的最后部分——手机操作的解读。敬请期待吧！