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1、 基于移动网络控制机器人的设计与实现摘 要机器人在现代化生产过程中有着重要的作用，可以减低劳动了强度，提高效率，并可以把人们从危险恶劣的生产环境中解放出来。机器人技术是一门综合性的科学，涉及到计算机、通信、传感技术、机械结构、人工智能等多门学科。因此，机器人技术在一定程度上反应了一个国家的整体技术水平。遥控和网络控制机器人有着更加广泛的应用。通过网络，人们可以忽略人和机器人的空间距离，实现远程操控，这在生产实践中有着重大的意义。现有的移动网络具有覆盖范围广，永远在线的特点，可让我们随时随地对机器人进行远程控制。本论文使用有6自由度的机械手臂，在ARM9嵌入式开发板上，用GSM模块发送控制指令，
2、再通过接收端的GSM模块把信号传输给小车的ATMEGA168主控芯片，然后驱动手臂上的MG945舵机，达到控制手臂的目的。关键词：ARM9嵌入式平台,GSM/GPRS Modem，ATMEGA168单片机，6自由度机械臂，远程控制The design and implementation of controlling robot based on the mobile network AbstractRobot in modern production plays an important role in reducing intensity of labor, increasing effi
3、ciency of manufacturing, and liberating people from the dangerous production environment. Robotics is an integrated science, involving the computer, communications, sensor technology, mechanical structure, artificial intelligence and other disciplines. Therefore, the robot technology reflects a coun
4、trys overall technological level to some extent.The remote and network control robot has wider applications. Through the network, people can ignore the distance and the space between them and robots to implement remote control, which is great significant in the production. Existing mobile network ha
5、s wide coverage, always-on line features, allowing us to remotely control the robot at any time.This project aims to control a 6-DOF robotic arm. The control commands are generated on the ARM9 development board with a GSM module embedded and sent to the ATMEGA168 control chip of the vehicle through
6、the network by using another GSM module to receive the signal. The received commends are used to drive servo MG945 to control the arm.Key Words: ARM9 embedded platform; GSM/GPRS Modem; ATMEGA168 MCU; 6-DOF manipulator; Remote Control目 录摘 要iAbstractii第1章 绪论11.1 机器人研究的历史、现状及发展趋势11.1.1 机器人的发展历程11.1.2 机
7、器人技术的现状和发展11.2 遥控机器人的研究现状与存在问题21.3 课题的意义与任务2第2章 移动网络简介42.1 GSM短信服务4第3章 遥控系统的开发63.1 嵌入式系统63.2 无线通信方式的选择83.2.1 无线通信方式的要求83.2.2 无线通信方式的选择83.3 远程控制的原理9第4章 遥控系统的硬件设计114.1 远程控制平台114.2 GSM/GPRS通信模块124.2.1 发送端124.2.2 接收端124.3 RS-232串行接口及MAX232电平转换电路134.4 ATmega168单片机144.4.1 ATmega168简介144.4.2 最小系统174.5 控制伺服
8、电机17第5章 遥控系统的软件设计205.1 ARM9嵌入式系统程序开发205.1.1 软件系统开发逻辑图205.1.2 宿主机开发环境的建立205.1.3 NFS的配置215.1.4 交叉编译环境的建立235.2 GPRS通信程序设计255.2.1 程序设计流程255.2.2 短信发送程序的编译及调试过程295.2.3 短信接收过程315.2.4 单片机指令的提取过程325.3 UART串口通信程序335.3.1 程序设计流程335.3.2 程序调试355.4 机械臂控制程序设计38第6章 结束语40参 考 文 献41致 谢42 图 录图 2-1 SMS体系结构4图 3-1 基于移动网络控制
9、机械臂的系统原理图10图 4-1 SemitARM9200 开发板实物图及接口示意图11图 4-2 SemitARM9200开发板核心板11图 4-3 GSM/GPRS modem功能示意图12图 4-4 SIM卡电路示意图13图 4-5 短信服务流程图13图 4-6 RS232接口13图 4-7 RS232转TTL电平14图 4-8 AVR单片机基本组成结构15图 4-9 ATmega168最小系统原理17图 4-10 MG945舵机18图 4-11 舵机的工作原理示意图18图 4-12 控制信号脉冲宽度与输出轴转角的关系图19图 5-1 软件系统开发逻辑图20图 5-2 交叉编译环境21毕
10、业设计论文v 第1章 绪论1.1 机器人研究的历史、现状及发展趋势1.1.1 机器人的发展历程自60年代初，第一台工业机器人的诞生至今，机器人的发展大概可以分为三个阶段：（1） 第一阶段：机器人只能按照事先编写的程序不断重复完成规定动作，显然是不够灵活的，很多情况下不能满足要求。（2） 第二阶段：可以有一台或多台主机控制，运行不同的程序，完成多种任务，以一种机器人就可以在工业上大展拳脚了。（3） 第三阶段：科技的进步和任务的复杂性大幅度的增加，要求机器人拥有很强的自主能力，第二阶段的机器人就显得不能满足要求了，于是就有了智能机器人。智能机器人具有模拟的人类的感觉器官及大脑，可以根据周围的环境和
11、自身的实际状态，结合任务要求，采取不同的行动及作业方式。智能机器人要通过传感器获得环境信息，用人工智能技术进行信息的整合，进而完成任务。1.1.2 机器人技术的现状和发展现在的机器人一般都具有一定的智能功能，按其智能化程度可分为外部受控机器人（本实验中的机械手）、半自主式机器人和全自主式机器人。从其功能上分类可分为工业机器人和娱乐服务机器人。按照机器人的工作场合的不同，又分为水下机器人，空间机器人和农、林、牧、医机器人等。按其运动方式可分为轮式移动机器人、步行移动机器人、履带式机器人、爬行机器人和空气推进、水下推进等。目前，在机器人技术上美国，西欧和日本走在各国的前面，1987年美国人工智能中
12、心首次进行了移动机器人的越野实验。90年代以后，美国卡内基梅隆大学的NavLab系列的室外移动机器人又向着实用性方面前进了一大步。日本的机器人技术方面非常先进，尤其是在仿人机器人方面最为先进，本田公司的仿人机器人ASIMO，身高1.2m，体重52kg，行走速度为0-1.6kg/h。ASIMO的行走可以比早期的机器人更加灵活，可以通过预测技术提前改变重心。我国的机器人研究起步较晚，但经过一大批科研单位和高校的努力取得了一批可喜的成绩，有些达到了国际先进行列。如中科院开发的我国第一代智能轮椅平台，具有超声、红外等多传感器融合的导航系统，可以进行简单的口令控制；清华大学的THMR-V自动驾驶小车，自
13、由行走于一定的环境中；哈工大的迎宾机器人具有无缆行走、自动壁障、语音识别等功能；中科院沈阳自动化研究所研制的基于非结构化环境移动机器人，可以在非常复杂的环境中使用，等等。目前，机器人的研究朝着智能化多样化发展，主要集中在以下方面：（1）工业机器人操作机结构的优化设计技术，探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展；（2）机器人控制技术，重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中；（3）多传感系统，为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键；（4）机器人遥控及监控技术，是机器人自主技术的基础，通
14、过网络实现大范围类机器人的控制；（5）多智能体调控技术；（6）微型和小型机器人；（7）仿人仿生技术，这是理想中的机器人所具有的技术，目前进展不大。1.2 遥控机器人的研究现状与存在问题在机器人所涉及的各种技术中，控制技术最为重要。在机器人的发展中，机器人逐步朝智能化发展，其特点是机器人自主获得外部信息，进行协调。这就要求机器人确定自身与周围环境位置关系，还涉及到导航、自动控制路径规划、定位、多传感器融合等技术。但是机器人的智能化的遥控程度和灵活程度并不高，有待进一步发展。遥控需要数据交换系统保证实时性和可靠性。在远程监控时，由于网络的延时，和数据在传输中可能的丢失问题，会导致控制系统不稳定，因
15、此设计控制系统时要考虑这方面的问题，但在目前的网络环境中还不可避免。另外，机器人的可扩展性是影响机器人潜力发挥的重要因素，也是保证低成本和高性能的前提。可扩展性强的机器人可以重复应用于不同的环境，并根据需要添加不同的功能。1.3 课题的意义与任务 遥控机器人是研究的一个热点。无线遥控技术应用于机器人可以提高其远程控制能力。本课题设计目标是通过移动网络控制小车的机械臂，使其完成基本的动作。课题中设计并实现了一种基于移动网络的移动机器人远程控制系统，即在本地计算机发出指令通过移动网络对远端移动机器人进行控制。本课题的主要意义在于： (1)就目前的机器人发展水平而言，实现完全的机器人自主控制还不现实
16、，即使当今世界最先进的机器人所能独立完成任务的能力与人的能力相比还是非常有限的。因此，需要人与移动机器人交互，以便完成更加复杂的工作，而利用网络则能以较小的代价来实现人机交互。(2)利用无线网络解决了有线网络中存在的一系列问题，而且移动网络具有使用便捷、成本低、开发周期短等优点。(3)综合考虑了本课题的当前任务与今后实验室二次开发的要求，在软硬件平台的设计上，硬件结构采用了上、下位机二级分布式结构，软件采用了嵌入式Linux操作系统，实现了稳定性、可扩展性、易调试等几大特点，为下一步的深入研究做了很好的铺垫。第2章 移动网络简介GPRS通用分组无线服务技术（General Packet Rad
17、io Service)的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。2.1 GSM短信服务 GPRS网络供面向字符的短信服务(SMS，Short Message Service)。SMS占用信道的时间短、费用小，可使得用户方便地进行点对点通信。SMS 是一种存储和转发服务，即短消息不是直接从发送方发送到接收方，而始终通过 SMS 中心进行转发的。如果接收方
18、处于未连接状态（可能电话已关闭），则消息将在接收人再次连接时发送。 GPRS标准中定义的点-点短消息服务使得短消息能在移动台和短消息服务中心之间传递，这些服务中心是通过称为SMS- GMSC的特定MSC同GSM网络联系的。图 2-1 SMS体系结构SME：Short Messaging Entity，短消息实体。它可以接收或改善短消息，位于固话系统、移动基站或其他服务中心内；SMSC：Short Message Service Center，短消息服务中心，负责在基站和SME间中继、储存或转发短消息；移动台（ME）到SMSC的协议能传输来自移动台或朝向移动台的短消息，协议名为SMTP（Shor
19、t Message Transmission Protocol）；SMCGWMS或SMCGMSC：SMS-Gateway MSC，SMS网关。接收由SMSC发送的短消息，向HLR查询路由信息，并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心；HLR：Home Location Register，归属位置寄存器。用于永久储存管理用户和服务记录的数据库，由SMSC产生。SMS网关与HLR之间的协议使前者可以要求HLR搜索可找到的用户地址。它与MSC与HLR之间的协议一起，能在移动台因超出覆盖区而丢失报文、随后又可找到时加以提示。MSC：Mobile Switching Center，移动交换中心。负责系统
20、切换管理并控制来自或发向其他电话或数据系统的拔叫。VLR：Visitor Location Register，访问位置寄存器。含有用户临时信息的数据库。交换中心服务访问用户时需要这些信息。AT 指令是在手机上运行的指令。一般的 GSM/GPRS Modem都支持 GSM07.05 所定义的 AT 命令集的指令。可以用 AT 指令控制GSM/GPRS MODEM 连接电脑发送短信， 并且要针对短信终端设备兼容的编码规范，对收发的短信息进行编码和解码操作，通过使用队列技术来保证正常的并发访问。对短消息的控制共有3种实现途径: Block Mode、基于A T 命令的 Text Mode 和基于A
21、T 命令的 PDU Mode。使用Block Mode 需要手机生产厂家提供驱动支持。Text Mode 比较简单，但这种模式只能发送 ASCII 码，不能发送中文。PDU 模式是发送或接收手机 SMS 信息的一种方法，短信息正文经过十六进制编码后被传送。 与短信相关的 AT 指令AT+CMGC Send an SMS command（发出一条短消息命令） AT+CMGD Delete SMS message（删除 SIM 卡内存的短消息） AT+CMGF Select SMS message formate （选择短消息信息收发格式： 0-PDU;1-文本）AT+CMGL List SMS
22、message from preferred store（列出 SIM 卡中的短消息AT+CMGR Read SMS message（读短消息） AT+CMGS Send SMS message（发送短消息） AT+CMGW Write SMS message to memory（向 SIM 内存中写入待发的短消息）AT+CMSS Send SMS message from storage（从 SIN |M 内存中发送短消息）AT+CNMI New SMS message indications（显示新收到的短消息） AT+CPMS Preferred SMS message storage（
23、选择短消息内存） AT+CSCA SMS service center address（短消息中心地址） AT+CSCB Select cell broadcast messages（选择蜂窝广播消息） AT+CSMP Set SMS text mode parameters（设置短消息文本模式参数）AT+CSMS Select Message Service（选择短消息服务）第3章 遥控系统的开发3.1 嵌入式系统何谓嵌入式系统，嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统应用的领域无处
24、不在，现在市场上的手机，PDA，MP3播放器等消费电子产品都是嵌入式系统。嵌入式系统还有应用于很多领域如电信网络控制（路由器，交换机，网关），工业医疗控制（监控设备）等。嵌入式系统通常包括构成软件的基本运行环境的硬件和操作系统两部分。嵌入式系统的运行环境和应用场合决定了嵌入式系统具有区别于其它操作系统的一些特点。 （1）嵌入式处理器嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP（Digital Signal Processor）。嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可
25、，这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包括：PowerPC、Motorola 68000、ARM系列等等。嵌入式微控制器又称为单片机，它将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有8051。嵌入式DSP专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译效率和执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析、图像处理的分析等领域，DSP正在大量进入嵌入式市场。 （2）微内核结构大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两个层次。内核只提供基本的功能，如建立和管理进程、提供文件系统、管理设备等，这些功能以系统调用方式提供给用户。一些桌
26、面操作系统，如Windows、Linux等，将许多功能引入内核，操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用的资源增多，剪裁起来很麻烦。大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，比如：任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其它的应用组件，比如网络功能、文件系统、GUI系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。 （3）任务调度嵌入式系统为多任务多进程的操作系统。多任务运行的实现实际是靠CPU在多个任务之间切换、调度。每个任务都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。任务的调度有三种
27、方式：可抢占式调度、不可抢占式调度和时间片轮转调度。不可抢占式调度是指，一个任务一旦获得CPU就独占CPU运行，除非由于某种原因，它决定放弃CPU的使用权；可抢占式调度是基于任务优先级的，当前正在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处于就绪态的其它任务；当两个或两个以上任务有同样的优先级，不同任务轮转地使用CPU，直到系统分配的CPU时间片用完，这就是时间片轮转调度。目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。 （4）硬实时和软实时有些嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。有两种类型的实时系统：硬实时系统和软实时系统
28、。软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。 （5）内存管理针对有内存管理单元（MMU）的处理器设计的一些桌面操作系统，如Windows、Linux，使用了虚拟存储器的概念。虚拟内存地址被送到MMU。在这里，虚拟地址被映射为物理地址，实际存储器被分割为相同大小的页面，采用分页的方式载入进程。一个程序在运行之前，没有必要全部装入内存，而是仅将那些当前要运行的部分页面装入内存运行。 大多数嵌入式系统针对没有MMU的处理器设计，不能使用处理
29、器的虚拟内存管理技术，采用的是实存储器管理策略。因而对于内存的访问是直接的，它对地址的访问不需要经过MMU，而是直接送到地址线上输出，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址；而且，大多数嵌入式操作系统对内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在执行前，系统必须为它分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间。 由此可见，对于没有MMU嵌入式系统的开发人员不得不参与系统的内存管理。从编译内核开始，开发人员必须告诉系统这块开发板到底拥有多少内存；在开发应用程序时，必须考虑内存的分配情况并关注应用程序需要运行空间的大小。另外，由于采用实存储器管理策略，用户程序同内核以及其
30、它用户程序在一个地址空间，程序开发时要保证不侵犯其它程序的地址空间，以使得程序不至于破坏系统的正常工作，或导致其它程序的运行异常；因而，嵌入式系统的开发人员对软件中的一些内存操作要格外小心。（6）内核加载方式嵌入式操作系统内核可以在Flash上直接运行，也可以加载到内存中运行。Flash的运行方式，是把内核的可执行映像烧写到Flash上，系统启动时从Flash的某个地址开始执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法。内核加载方式是把内核的压缩文件存放在Flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行。这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快，因为RAM的存取速率要比Fla
31、sh高。 由于嵌入式系统的内存管理机制，嵌入式操作系统对用户程序通常采用静态链接的形式。在嵌入式系统中，应用程序和操作系统内核代码编译、链接生成一个二进制影像文件来运行。 3.2 无线通信方式的选择3.2.1 无线通信方式的要求通信系统是机器人控制的核心，通信系统主要分为有线和无线两种，现代机器人的控制多用无线方式，本实验由于模拟的是探月车的控制，采用无线方式，具体要求有：可靠，低功耗，设备体积小，具有较长的通信距离。可靠性，是因为数据传输的准确性决定了后续的控制精度；低功耗，节约能源，减少电池的负担；设备体积小，减少负载，增加机器人的灵活性；较长的通信距离，增加了机器人的活动范围。3.2.2
32、 无线通信方式的选择（1）GPRS网络GPRS是一种基于包的无线通信服务，它使得通信速率从56Kb/s一直上升到114Kb/s，支持多计算机和移动用户的持续连接。有如下优点： 1)资源利用率高 GPRS引入了分组交换的传输模式，改变了原来采用电路交换模式GSM传输数据方式。按电路交换模式来说在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道；而对于分组交换模式，用户占有在发送和接收数据的时候才占用资源，这意味着多用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。2) 传输速率高 GPRS提供高达115Kb/s的传输速率（最高之为171.2Kb/s，不包括FEC）。这意味这通过便携式
33、电脑，GPRS用户能和ISDN用户一样快速的上网浏览，同时也使一些对传速率敏感的移动多媒体应用成为可能。3)接入时间短分组交换接入时间缩短为不到1秒，能提供快速即时的连接，可大幅提高一些事务。4）支持IP协议和X.25协议GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议；而且GSM网络覆盖面广，可以在任何无线接入。（2） 蓝牙蓝牙是一种短距离的无线连接技术标准的代称，其实质内容就是建立通用的无线电空接口及其控制软件的公开标准。蓝牙主要面向网络中各类数据及语音设备，如PC、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话、家电设备等，建立一个微微网，把他们连接起来，多个微微网之间也
34、可以互联，从而实现设备之间的通信。蓝牙支持点对点和点对多点的通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，其数据速率为1Mb/s，采用时分双工传输方案实现双工传输。蓝牙的体积小、结构紧凑、安装方便、输出功率低、通话设计精密、支持移动终端并且确保消耗最小的电能。但是，蓝牙技术依有效通信距离较短，约为10米，干扰性能差，产品较贵，因此并不适于在本实验中使用。（3）IEEE 802.11b 无线通信方式IEEE 802.11b 是无线局域网的一个标准。其载波的频率为2.4GHz,传送速度为11Mbit/s。符合IEEE 80211b标准的无线局域网安全性能强、扩展能力强、抗干
35、扰性强、工程周期短、组网速度快。无线网络的接入方式简单、易维护，无线网卡体积小、耗能少、工艺成熟，有很稳定的质量保证。但其传输距离只有400米，不符合实验的背景要求。要达到随时随地的控制目的，本实验选用GPRS网络。3.3 远程控制的原理如下图所示,通讯系统为GPRS移动网络,整个控制系统分为上位机和下位机两个部分。上位机为远程控制平台，有PC和基于Linux的嵌入式开发平台组成。PC和开发平台通过串行接口相连，运行终端程序，在Arm9的Linux系统下编程，通过驱动平台上的GSM模块发送信息。图 3-1 基于移动网络控制机械臂的系统原理图下位机为驱动控制平台，信号接收由GSM模块完成，主控芯
36、片为ATmega168单片机，通过异步通信串口和接收端的GSM模块，取得信号后，换成控制命令，发送给MG945伺服电机，就可以驱动小车。远程控制的主要任务是，根据现场传感器采集到的信息和任务的要求实时的发送控制指令，调整电机的转速，从而达到控制机械手臂的目的。 第4章 遥控系统的硬件设计4.1 远程控制平台远程控制端使用一台PC，通过串行总线和SemitARM9200开发板相连，通过开发板上的GSM/GPRS模块进行命令的发送。图 4-1 SemitARM9200 开发板实物图及接口示意图图 4-2 SemitARM9200开发板核心板核心板各个部分的构成： 内存部分：1片168M位数据宽度的
37、FLASH，共16M 字节 Flash（intel28F128J3C，如有不同型号，则是完全兼容的器件），速度150ns； 两片16M16位数据宽度的SDRAM（HY 57V561620B T，如有不同型号，则是完全兼容的器件）构成，共64M 字节SDRAM。 数据通讯口和外部输入输出口：底板实现了按键、LCD显示、UART、USB和百兆以太网等功能。 核心板和底板配合即构成一个最小的完整应用系统。系统具有体积小、耗电低、处理能力强、等特点，能够装载和运行嵌入式Linux 操作系统。用户可以在这个系统平台上进行自主软件开发。4.2 GSM/GPRS通信模块4.2.1 发送端 在ARM9开发板上
38、集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，模块提供标准的RS-232串行接口，可以通过串行接口使用AT命令完成对模块的操作，通过模块的GPRS功能实现无线网络功能。模块自带的接口板集成了模块的供电接口、语音接口，SIM卡卡座以及RS-232电平的电平转换电路。4.2.2 接收端 接收端采用以wavecom为核心模块的北京华腾宇通公司的GSM/GPRS modem。图 4-3 GSM/GPRS modem功能示意图是一种双频调制解调器件，是一种基于无线GSM技术的工业级的MODEM配件，是一种内嵌GSM无线通信模块，插入移动运营商的手机SIM卡，可以与移动运营商的短信中心建立无线连接，本地可以通
39、过与PC的连接可以实现计算机控制应用系统实现自由的短信收发。GSM Modem能提供短消息语音通讯和数据通讯三大功能。其中，短消息业务使它获得最广泛的应用，所以也将GSM Modem简称为短信猫。GSM/GPRS Modem配件由主机、天线、数据线（串口线/USB连接线）、电源适配器等组成。GSM/GPRS Modem电路主要由GSM模块和其外围电路组成。GSM模块将GSM射频芯片，基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。外围电路由电阻、电容、二极管、三极管、电感、MCU、稳压IC、电平转换芯片、SIM卡座、DC
40、座、串口、USB等组成。图 4-4 SIM卡电路示意图GSM/GPRS Modem通过RS232串口和单片机相连，之间要经过MAX232电平转换电路，把RS232的电平转换成TTL电平。单片机通过发送AT指令来接收短信，短信开发流程如下：图 4-5 短信服务流程图4.3 RS-232串行接口及MAX232电平转换电路RS232接口是个人计算机上通用的通讯接口之一，一般的台式机上都有两组RS232接口，分别为COM1,COM2。如图：图 4-6 RS232接口各引脚定义如下：1 DCD 载波检测 2 RXD 接收数据 3 TXD 发送数据 4 DTR 数据终端准备好 5 SG 信号地 6 DSR
41、 数据准备好 7 RTS 请求发送 8 CTS 允许发送 9 RI 振铃提示RS232采用负逻辑电平：-15-3：逻辑1；+15+3：逻辑0；电压值通常在7V左右。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V，信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V-15V。计算机处理器控制的设备内部使用的是TTL电平，就是+5V表示逻辑“1”，0V表示逻辑“0”，本次使用的单片机内部就是以这种方式工作的，显然，RS232串口和单片机不可以直接相连，需要进行电平转换。可以使用MAX232芯片进行电平转换，电路图如下：图 4-7 RS232转TTL电平
42、4.4 ATmega168单片机 4.4.1 ATmega168简介ATmega168是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega48/88/168 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。图 4-8 AVR单片机基本组成结构A
43、Tmega168有如下特点: 4K/8K/16K字节的系统内可编程Flash(具有在编程过程中还可以读的能力，RWW)；256/512/512 字节 EEPROM；512/1K/1K 字节 SRAM；23 个通用I/O 口线； 32 个通用工作寄存器；三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C)； 片内/ 外中断；可编程串行USART；面向字节的两线串行接口；一个SPI 串行端口；一个 6 路10 位ADC (TQFP 与MLF 封装的器件具有8 路10 位ADC)； 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器；以及五种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时CPU 停止工作，而SRAM、T/C、
44、USART、两线串行接口、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态； ADC 噪声抑制模式时CPU 和所有的I/O 模块停止运行，而异步定时器和ADC 继续工作，以减少ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。ATmega48/88/168 是以Atmel 的高密度非易失性内存技术生产的。片内 ISP Flash 可以通过SPI 接口、通用编程
45、器，或引导程序进行多次编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序来下载到应用Flash 存储区。在更新应用Flash 存储区时引导程序区的代码继续运行，从而实现了FLASH 的RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内， ATmega48/88/168 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。ATmega48/88/168 AVR 有整套的开发工具，包括C 编译器，宏汇编，程序调试器/ 仿真器和评估板。由于采用了高性能的MCU,省掉了大量的外围器件,如外扩RAM、ROM存储器等,使硬件结构大大简化,提高了系统的可靠性。它与51单片机、PIC单片
46、机相比具有一系列的优点：1：在相同的系统时钟下AVR运行速度最快；2: 芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大；3：所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写(ISP)；4：多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；5：每个IO口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；6：内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、SPI、USART、TWI、I2C通信口、丰富的中断源等。目前支持AVR单片机编译器的语言主要有汇编语言、C语言、BASIC语言等。其中C编译器主要有CodeVisionAVR、A
47、VRGCC、IAR、ICCAVR等，C语言编译器由于它具有功能强大、 运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点，使得它在专业程序设计上具有不可代替的地位。4.4.2 最小系统图 4-9 ATmega168最小系统原理（1） 电源电路AVR单片机最常用的是5V和3V的电压。图中利用三端稳压芯片的到5V和3.3V的电压。（2） 复位电路ATmega168内置了上电复位电路，当AVR工作时，按下S1开关，复位脚变低电平，触发AVR芯片。（3） ISP座子用于程序的下载，通过USBISP下载线，把写好的程序烧写到单片机中。4.5 控制伺服电机实验中使用辉盛公司生产的12公斤大扭力全金属齿轮舵机MG945。MG945全金属齿轮12公斤大扭力舵机，适合制作双足机器人，机械手