1 機器魚控制系統設計方案

機器魚控制系統總體結構如圖1所示。系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制器，負責指令的發送、接收、數據處理，進而控制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制信號。

2 機器魚控制系統硬件設計

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。而系統內部CC1110無線單片機正常工作電壓范圍是2.0~3.6V，存儲器芯片24AA01正常工作電壓范圍是1.7~5.5V，這里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直流電壓后再提供給CC1110無線單片機和24AA01芯片，以保證系統的正常工作。這里采用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

在機器魚控制系統中，機器魚指令的發送、接收以及指令解析執行是系統的關鍵部分。而現有的無線收發系統很多都是采用單片機和RF收發模塊組成，這樣整個控制電路的體積較大，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，這里采用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構成上電復位電路；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高速時鐘源；Y2、C15以及C16構成CC1110低速時鐘源：JATG接口用于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，用于串口通信；2401_WP（P0.4）、2401_SCL（P0.5）以及2401_SDA（P0.6）接存儲器模塊，控制存儲器的讀寫。

2.4 舵機驅動電路

在機器魚控制系統中，我們利用舵機的擺動來模擬機器魚的游動。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制過程中需要存儲一些參數，因此要有專門的存儲模塊。由于參數的數據量比較小，這里采用I2C接口的24AA01存儲芯片，存儲器電路原理圖如圖6所示。

3 機器魚控制系統軟件設計

在機器魚控制系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、傳輸速率以及調制方式等。由于CC11 10高頻配置較為復雜，這里可以采用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；由于該控制系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；調制方式選擇2-FSK方式。

無線通信程序包括無線發送程序和無線接收程序兩部分。無線發送程序將待發送的數據通過無線的方式發送出去，無線接收程序可以接收同頻率的發射機發送的數據。無線通信程序流程圖如圖8所示。

3.3 指令發送端主程序設計

在機器魚控制系統的指令發送端，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。

指令數據無線發送以后，指令發送端開始等待接收指令執行端反饋的數據。指令發送端接收到反饋數據后調用串口發送程序將反饋數據發回到PC，將反饋數據與指令數據比對，如果反饋數據與發送數據一致，則認為指令數據發送成功，否則重新發送指令數據。如果長時間沒有接收到反饋數據，則重新發送指令數據。

3.4 指令執行端主程序設計

在機器魚控制系統指令執行端，主要包含指令數據的接收、指令數據的反饋發送、存儲器的讀寫以及舵機的控制等。其中，舵機的控制是最為關鍵的部分。在控制舵機前要先對指令數據進行解析，計算出舵機的控制量。由于舵機采用級聯的方式來模仿魚體的擺動，因此舵機間關節的運動規律可以采用以下數學模型：

式中，Ka為振幅系數，Ki為偏斜系數，f為擺動頻率，φi為關節滯后角，Aimax為關節擺動幅度，t為時間。以上參數即為舵機的主要控制參數。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制量。指令執行端主程序流程圖如圖10所示。


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