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(jìng)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(guò)將軟硬件系統(tǒng)相結(jié)合，本系統(tǒng)能夠滿足競(jìng)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(cè)量和計(jì)算電腦鼠的運(yùn)行時(shí)間，在比賽過(guò)程中自動(dòng)地對(duì)成績(jī)進(jìn)行大屏幕顯示和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)。本系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，測(cè)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(cè)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督的作用。本系統(tǒng)已通過(guò)迷宮現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，期望應(yīng)用于正式比賽。

　　關(guān)鍵詞：電腦鼠競(jìng)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(chǎng)電腦鼠迷宮競(jìng)賽于1979年在紐約舉行。 2009年由中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)嵌入式系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主辦了首屆全國(guó)電腦鼠走迷宮競(jìng)賽，拉開(kāi)了中國(guó)電腦鼠競(jìng)賽的大幕。

　　競(jìng)賽的得分用“時(shí)間”來(lái)衡量，時(shí)間越短，所獲得的成績(jī)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(cè)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(cè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督。

1電腦鼠走迷宮競(jìng)賽主要規(guī)則

　　本系統(tǒng)以IEEE電腦鼠走迷宮競(jìng)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(kāi)始走到終點(diǎn)，比賽中，每一次的成績(jī)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(jìng)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。

　?。?）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(jìng)賽中，電腦鼠在迷宮中的總時(shí)間不可超過(guò)15 min。

　?。?）迷宮時(shí)間。從電腦鼠的第一次激活到每次運(yùn)行開(kāi)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(guò)3次。

　?。?）成績(jī)的計(jì)算。得分通過(guò)計(jì)算每次“排障時(shí)間”來(lái)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(jī)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　本系統(tǒng)根據(jù)競(jìng)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(jiǎn)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(guò)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(yǔ)言構(gòu)建計(jì)時(shí)系統(tǒng)界面，同時(shí)利用軟件編寫(xiě)串行口通訊程序，通過(guò)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(jī)、最好成績(jī)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(méi)有電腦鼠經(jīng)過(guò)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(guò)起點(diǎn)單元，即激光被阻斷，沒(méi)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(guò)高低電平的變換實(shí)現(xiàn)對(duì)起點(diǎn)單元信號(hào)的檢測(cè)。

　　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(chē)體形狀不規(guī)則，小車(chē)經(jīng)過(guò)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(chē)體每經(jīng)過(guò)一次，傳感器僅采集一次開(kāi)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(kāi)關(guān)量信號(hào)直接從PC串口的某一針腳輸入，通過(guò)檢測(cè)串口針腳的狀態(tài)來(lái)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(wú)效（斷開(kāi)，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(wú)車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)為高電平+10 V，有車(chē)經(jīng)過(guò)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?gòu)腞S232C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(chē)經(jīng)過(guò)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(chē)經(jīng)過(guò)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(xiě)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(yǔ)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(jī)、碰觸次數(shù)和最好成績(jī)共六部分；按鍵控制部分包括開(kāi)始、碰觸和清零共三部分。

　　4.3工作過(guò)程

　　裁判員單擊“開(kāi)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(cè)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(kāi)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(cè)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(jī)。

　　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(jī)由電腦鼠新一次的情況給出，選擇各次成績(jī)中最短用時(shí)作為最好成績(jī)。

　　比賽過(guò)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(chǎng)測(cè)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(chǎng)計(jì)時(shí)。迷宮現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

　　由測(cè)試結(jié)果可以看出，電腦鼠競(jìng)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(cè)量和計(jì)算電腦鼠的運(yùn)行時(shí)間，在比賽過(guò)程中自動(dòng)對(duì)成績(jī)進(jìn)行測(cè)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(jiǎn)單、測(cè)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(cè)、現(xiàn)場(chǎng)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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