張芳，張震強(qiáng)
(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）
摘要：電腦鼠競賽自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)由傳感器、延時(shí)電路、電平轉(zhuǎn)換電路、串口通信電路和PC組成，包括了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件界面和控制程序的設(shè)計(jì)。通過將軟硬件系統(tǒng)相結(jié)合，本系統(tǒng)能夠滿足競賽對(duì)高精度時(shí)間統(tǒng)計(jì)的要求，并且能夠克服環(huán)境、人為等因素的影響。按照IEEE的比賽規(guī)則，能夠準(zhǔn)確地測量和計(jì)算電腦鼠的運(yùn)行時(shí)間，在比賽過程中自動(dòng)地對(duì)成績進(jìn)行大屏幕顯示和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)。本系統(tǒng)電路簡單，測量精度和靈敏度高，調(diào)試方便，能夠充分發(fā)揮自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)在比賽中的實(shí)時(shí)觀測、現(xiàn)場監(jiān)督的作用。本系統(tǒng)已通過迷宮現(xiàn)場測試，期望應(yīng)用于正式比賽。
關(guān)鍵詞：電腦鼠競賽；自動(dòng)；計(jì)時(shí)
0引言
“電腦鼠”，英文名叫做 MicroMouse，是使用嵌入式微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成的一種智能行走裝置，可以在復(fù)雜迷宮中精確定位，自動(dòng)記憶和選擇路徑，規(guī)避障礙，尋找出口，采用相應(yīng)的算法，最終快速地達(dá)到所設(shè)定的目的地［1］。
首場電腦鼠迷宮競賽于1979年在紐約舉行。 2009年由中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)嵌入式系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)主辦了首屆全國電腦鼠走迷宮競賽，拉開了中國電腦鼠競賽的大幕。
競賽的得分用“時(shí)間”來衡量，時(shí)間越短，所獲得的成績也越高。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)非接觸式的比賽自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)就顯得尤為重要。本系統(tǒng)能夠克服環(huán)境、人為等因素的影響，按照IEEE的比賽規(guī)則要求，準(zhǔn)確地測量和計(jì)算電腦鼠的比賽時(shí)間。此外，該系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程傳送和大屏幕顯示的能力，便于實(shí)時(shí)觀測，現(xiàn)場監(jiān)督。
1電腦鼠走迷宮競賽主要規(guī)則
本系統(tǒng)以IEEE電腦鼠走迷宮競賽規(guī)則為設(shè)計(jì)依據(jù)［2］。主要規(guī)則如下：
電腦鼠的基本功能是從起點(diǎn)開始走到終點(diǎn)，比賽中，每一次的成績都由運(yùn)行時(shí)間、迷宮時(shí)間和碰觸獎(jiǎng)懲三部分組成。競賽使用這3個(gè)參數(shù)，從速度﹑求解迷宮的效率和電腦鼠的可靠性三方面進(jìn)行評(píng)分。
（1）運(yùn)行時(shí)間。電腦鼠每次從迷宮起點(diǎn)走到終點(diǎn)所用時(shí)間稱為“運(yùn)行時(shí)間”。競賽中，電腦鼠在迷宮中的總時(shí)間不可超過15 min。
?。?）迷宮時(shí)間。從電腦鼠的第一次激活到每次運(yùn)行開始所用時(shí)間稱為“迷宮時(shí)間”。
?。?）碰觸獎(jiǎng)懲。電腦鼠啟動(dòng)運(yùn)行后出現(xiàn)故障，允許操作員手動(dòng)電腦鼠使其繼續(xù)行走或?qū)㈦娔X鼠從迷宮取出，放到起點(diǎn)重新啟動(dòng)運(yùn)行，該動(dòng)作稱為“碰觸”，但不能超過3次。
（4）成績的計(jì)算。得分通過計(jì)算每次“排障時(shí)間”來衡量：排障時(shí)間=迷宮時(shí)間/30+運(yùn)行時(shí)間+碰觸獎(jiǎng)懲。
電腦鼠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)允許運(yùn)行多次，取最短排障時(shí)間作為最好成績。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
本系統(tǒng)根據(jù)競賽規(guī)則要求，選用PC代替單片機(jī)作為控制器，PC既是顯示器件同時(shí)也是控制器件，對(duì)PC的利用率大大提高，將上位機(jī)的控制作為主導(dǎo)，整個(gè)系統(tǒng)盡可能少地使用元器件，簡化硬件電路。
系統(tǒng)采用激光管及其接收電路采集計(jì)時(shí)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理部分，將輸出的電平信號(hào)直接輸入PC串口的特定引腳，PC采用Visual Basic編程語言構(gòu)建計(jì)時(shí)系統(tǒng)界面，同時(shí)利用軟件編寫串行口通訊程序，通過對(duì)串行口引腳狀態(tài)的判斷，執(zhí)行相應(yīng)的計(jì)時(shí)控制程序。利用鼠標(biāo)對(duì)上位機(jī)系統(tǒng)界面進(jìn)行操作，并在大屏幕上顯示當(dāng)前內(nèi)容和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)參賽電腦鼠的運(yùn)行時(shí)間、迷宮時(shí)間、碰觸次數(shù)、本次成績、最好成績的實(shí)時(shí)顯示、控制及存儲(chǔ)。
系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
3硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件部分的整體框圖如圖2所示。
3.1傳感器的安裝及其工作電路
由圖2所示，在迷宮起點(diǎn)單元，一面墻壁內(nèi)部嵌入激光管，該激光管使用+3 V紐扣電池驅(qū)動(dòng)發(fā)光。發(fā)出的激光照射到迷宮單元格的對(duì)面墻壁上，在該墻壁上激光所照的點(diǎn)處嵌入光敏電阻，該光敏電阻連入比較器電路中。
當(dāng)沒有電腦鼠經(jīng)過迷宮起點(diǎn)單元，即有激光照射到光敏電阻上時(shí)，光敏電阻阻值很小，比較器輸出+10 V電壓；當(dāng)電腦鼠經(jīng)過起點(diǎn)單元，即激光被阻斷，沒有激光照射到光敏電阻上時(shí)，光敏電阻阻值很大，比較器輸出0 V電壓。通過高低電平的變換實(shí)現(xiàn)對(duì)起點(diǎn)單元信號(hào)的檢測。
迷宮終點(diǎn)的傳感器安裝方式及其工作電路同理。
3.2信號(hào)處理電路
由于傳感器響應(yīng)周期很短，若參加比賽的電腦鼠車體形狀不規(guī)則，小車經(jīng)過計(jì)時(shí)區(qū)時(shí)，很可能觸發(fā)傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次采集。本系統(tǒng)采用555定時(shí)器連接而成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)延時(shí)消抖，將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行一定的延時(shí)處理，從而保證車體每經(jīng)過一次，傳感器僅采集一次開關(guān)量信號(hào)。
3.3串口電路
串口電路的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的難點(diǎn)，同時(shí)也是本設(shè)計(jì)的一項(xiàng)創(chuàng)新點(diǎn)。
不同于一般的單片機(jī)與PC的串行通訊［3-4］，由于本系統(tǒng)為PC控制，采集到的開關(guān)量信號(hào)直接從PC串口的某一針腳輸入，通過檢測串口針腳的狀態(tài)來得到計(jì)時(shí)脈沖信號(hào)。
RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上信號(hào)有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）為+3 V～+15 V ，信號(hào)無效（斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)為-3 V～-15 V。本系統(tǒng)傳感器電路的輸出無車經(jīng)過時(shí)為高電平+10 V，有車經(jīng)過時(shí)為低電平0 V，而該電平是串口針腳所不能識(shí)別的。
因此，利用了OP07作為比較器構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，將輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為串口可識(shí)別的±12 V電壓，再從RS232C輸入計(jì)算機(jī)。DB9的CTS腳接起點(diǎn)信號(hào)的輸出端，DCD腳接終點(diǎn)信號(hào)的輸出端，GND腳接地。具體連線方法如圖3所示。
當(dāng)小車經(jīng)過起點(diǎn)傳感器時(shí)，起點(diǎn)信號(hào)輸出為+12 V，CTS有效，獲得起點(diǎn)的計(jì)時(shí)脈沖信號(hào)，同理，當(dāng)小車經(jīng)過終點(diǎn)傳感器時(shí)，終點(diǎn)信號(hào)輸出為+12 V，DCD有效，獲得終點(diǎn)的計(jì)時(shí)脈沖信號(hào)，從而控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)時(shí)。
4軟件設(shè)計(jì)
軟件是控制電路的靈魂，上位機(jī)程序的編寫是本設(shè)計(jì)研究的核心，也是本計(jì)時(shí)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)使用可視化編程語言Visual Basic進(jìn)行操作界面和控制程序的設(shè)計(jì)［5］。
4.1流程圖
軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖4所示。
4.2界面模塊
界面模塊由標(biāo)題欄、計(jì)時(shí)顯示、按鍵控制、參賽組提示4個(gè)主要部分組成，如圖5所示。
其中，計(jì)時(shí)顯示部分包括本次運(yùn)行時(shí)間、本次迷宮時(shí)間、總時(shí)間、本次成績、碰觸次數(shù)和最好成績共六部分；按鍵控制部分包括開始、碰觸和清零共三部分。
4.3工作過程
裁判員單擊“開始”按鍵，激活比賽計(jì)時(shí)系統(tǒng)。
控制程序以查詢方式每隔一段時(shí)間檢測起點(diǎn)信號(hào)狀態(tài)，當(dāng)CTS線為高電平時(shí)，表示電腦鼠進(jìn)入迷宮起點(diǎn)，計(jì)時(shí)程序開始執(zhí)行，同時(shí)，在界面模塊上實(shí)時(shí)顯示本次運(yùn)行時(shí)間、迷宮時(shí)間和總時(shí)間，并將該時(shí)間值存入相應(yīng)數(shù)組中。
電腦鼠繼續(xù)在迷宮中運(yùn)行，控制程序檢測終點(diǎn)信號(hào)的狀態(tài)，當(dāng)DCD線為高電平時(shí)，表示電腦鼠進(jìn)入迷宮終點(diǎn)，獲取當(dāng)前時(shí)間，計(jì)算并顯示本次成績。
電腦鼠允許在規(guī)定的15 min內(nèi)運(yùn)行任意次，因此，電腦鼠回到起點(diǎn)再次進(jìn)入迷宮后，本次運(yùn)行時(shí)間、本次迷宮時(shí)間和本次成績由電腦鼠新一次的情況給出，選擇各次成績中最短用時(shí)作為最好成績。
比賽過程中，電腦鼠每發(fā)生一次碰觸事件，裁判員單擊“碰觸”按鍵，顯示碰觸次數(shù)加1，相應(yīng)地碰觸獎(jiǎng)懲時(shí)間改變，當(dāng)碰觸次數(shù)達(dá)到4次時(shí)，顯示“停賽！”。
當(dāng)前組比賽停止后，裁判員單擊“清零”按鍵，清除本輪比賽記錄，當(dāng)前組號(hào)和將要參賽的組號(hào)各加1，為進(jìn)行下一組比賽做準(zhǔn)備。
5現(xiàn)場測試及結(jié)論
同時(shí)使用人工秒表和自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)兩種方案進(jìn)行迷宮現(xiàn)場計(jì)時(shí)。迷宮現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如表1所示。
由測試結(jié)果可以看出，電腦鼠競賽自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)，克服了人工秒表計(jì)時(shí)人力資源浪費(fèi)大、計(jì)時(shí)誤差大、不能實(shí)時(shí)顯示等缺點(diǎn)，對(duì)資源的利用更為合理。按照比賽規(guī)則，可準(zhǔn)確測量和計(jì)算電腦鼠的運(yùn)行時(shí)間，在比賽過程中自動(dòng)對(duì)成績進(jìn)行測定、顯示與存儲(chǔ)，具有遠(yuǎn)距離傳送和大屏幕顯示的能力，并且滿足電路簡單、測量精度和靈敏度高、調(diào)試方便的要求，能夠充分發(fā)揮非接觸式自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)在比賽中的實(shí)時(shí)觀測、現(xiàn)場監(jiān)督的作用。本系統(tǒng)已經(jīng)用于校內(nèi)的電腦鼠比賽中，工作穩(wěn)定。
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