我們制作的軌跡傳感器外形如下：
3.1 硬件設(shè)計(jì)
3.1.1 采樣器設(shè)計(jì)
為了便于準(zhǔn)確的判斷出軌跡的情況，考慮用4個(gè)光電采樣器對軌跡進(jìn)行采樣，4個(gè)采樣器的布置如下：
圖中1、2號采樣器負(fù)責(zé)檢測是否脫離軌跡，3、4號采樣器負(fù)責(zé)檢測軌跡的交叉。這樣布置的要求是：
- 1、2號采樣器間距小于軌跡寬度，同時(shí)要平行；
- 3、4號采樣器間距要大于線寬1.5 - 2 倍，也要平行；
- 同時(shí)，前后兩組的采樣平行線間距要小于軌跡寬度。
因?yàn)椴蓸悠髦饕康氖潜O(jiān)測軌跡，所以在采樣電路上作了一些處理，以減小環(huán)境光的干擾。
采樣器的電路如下：
采樣器解剖圖：
采樣器外形：
3.1.2 CPU的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)為了簡化系統(tǒng)的硬件，縮小體積，便于封裝在LEGO積木塊中，選用了PHILIP的LPC917 單片機(jī)作為處理芯片。
LPC917 具有：
- 4路AD輸入；
- 2路PWM輸出；
- 256字節(jié)RAM；
- 2K字節(jié)FALSH ROM，支持ICP，更新程序十分方便；
- FLASH ROM還支持IAP，可以作為備份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；
- 內(nèi)置上電復(fù)位、RC振蕩器，可實(shí)現(xiàn)零外部器件工作；
- 2周期高速51內(nèi)核，彌補(bǔ)了原來51系列單片機(jī)慢的缺陷；
- 16腳小體積封裝，只有5 X 6 mm ,便于縮小PCB。
之所以選擇LPC900 系列單片機(jī)，首先是因?yàn)樗?1系列單片機(jī)，51系列在國內(nèi)是一個(gè)最普及的單片機(jī)品種，涉及51的資源最為豐富，選用51系列為使用者二次開發(fā)提供了方便。
其次是LPC900系列速度快，是原來標(biāo)準(zhǔn)51的6倍。
第三是LPC900系列均支持ICP方式編程，而使用USB的ICP下載線成本不高，零售價(jià)只有120元，這對于追求小體積而不得不使用表貼器件的用戶來說，應(yīng)該是個(gè)不錯(cuò)的選擇。ICP方式相對于IAP更可靠一些。
程序下載示意圖：
第四就是LPC900系列的品種比較齊全，對于單一功能性的應(yīng)用均可以找到合適的規(guī)格，我們所選的917就是看中了其4路AD輸入和2路PWM輸出。
3.1.3 電路設(shè)計(jì)
因?yàn)镽CX輸入口的電源負(fù)載能力有限，為避免不可靠，軌跡傳感器自供電，一方面減少了不確定因素，另一方面可以使用RCX的通用輸入模式，增加輸入的分辨率，RCX的通用輸入數(shù)值范圍為 0 - 1024 （10位AD）。
為了減小體積，采用了升壓電路，將一節(jié)7號電池的電壓升高到5V，作為傳感器的電源。
所有的功能均由LPC917 完成，使用其4路AD輸入將采樣器的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，經(jīng)內(nèi)部軟件處理后，根據(jù)結(jié)果用PWM方式轉(zhuǎn)換為模擬量輸出給RCX。
因?yàn)橄到y(tǒng)的可靠性、速度要求不高，所以使用了LPC917的內(nèi)部復(fù)位電路和內(nèi)部的RC振蕩器，工作頻率為7.3MHz。CPU工作無外部器件。
(點(diǎn)擊放大)
電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)電源及工作狀態(tài)指示燈，用于指示傳感器的工作狀態(tài)。
為了實(shí)現(xiàn)對采樣器的調(diào)試，設(shè)計(jì)了一個(gè)按鍵，控制進(jìn)入和退出調(diào)試。
對于采樣器，為了減小環(huán)境光的干擾，每路均增加了一個(gè)控制信號。
為了和RCX的輸入匹配，做到無極性連接，輸出經(jīng)放大后接了全橋整流，雖然損失了一部分信號幅度，但是方便了使用。為減小幅度損失，全橋選用肖特基二極管組成。
處理部分解剖圖：
處理部分外形：
3.2 軟件設(shè)計(jì)
3.2.1 資源分配
- 使用LPC917的4路AD輸入對采樣信號進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，工作在直接觸發(fā)、單次掃描模式；
- 使用Timer0 產(chǎn)生 1ms時(shí)基，控制采樣和輸出；
- 使用Timer1 作為 PWM 輸出，產(chǎn)生RCX所要的模擬信號；
- 借用ICP的端口P0.5 作為進(jìn)入調(diào)試模式的控制端。
3.2.2 程序?qū)崿F(xiàn)的功能
- 4路A/D采樣；
- 計(jì)算出模型在軌跡上的位置；
- 輸出模擬量結(jié)果；
- 調(diào)試功能，實(shí)現(xiàn)軌跡判斷值的建立以及光電采樣器的安裝調(diào)整；
3.2.3 程序架構(gòu)
程序分為以下幾個(gè)模塊：
☆采樣模塊 —— 實(shí)現(xiàn)每 1ms 對4路信號的AD轉(zhuǎn)換一次，并根據(jù)判斷域值換算為邏輯值保存，定義采樣邏輯值為：
在軌跡上為“1”，不在軌跡上為“0”。
☆位置計(jì)算模塊 —— 根據(jù)轉(zhuǎn)換后的4個(gè)采樣器邏輯值計(jì)算出目前的位置信息，并轉(zhuǎn)換為定義的模擬量。
輸出模擬量定義如下：
輸出的軌跡特征 內(nèi)部的輸出值 RCX的輸入中值（判斷值）
一共是11種狀態(tài)，為了避免信息混亂，所有特殊的軌跡狀態(tài)（判斷值小于3，大于7的）均是在走過后輸出，輸出維持 100 ms ,以確保RCX能可靠獲取。
對于偏離軌跡的判斷，如果沒有經(jīng)過特殊軌跡，偏離后只會(huì)維持3或7 輸出，必須糾偏后回到狀態(tài)5，才繼續(xù)判斷其它狀態(tài)。
☆判斷值建立和采樣器安裝調(diào)試模塊 —— 為了建立軌跡和背景之間的判斷值和變化方向，需要有一個(gè)調(diào)試狀態(tài)，同時(shí)完成對采樣器安裝的調(diào)試。
進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)借用 ICP 口中的P0.5，正常工作時(shí)P0.5 浮空（芯片內(nèi)部上拉），為高電平，對地接一個(gè)按鈕，按一下進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)。在調(diào)試狀態(tài)下，輸出為采樣器的實(shí)際值，可以通過RCX的VIEW功能對采樣器的安裝位置進(jìn)行調(diào)試。
具體操作模式為：第一次按時(shí)，進(jìn)入調(diào)試模式，輸出1號采樣值，可根據(jù)此值調(diào)試采樣器安裝位置，再按依次輸出2、3、4號采樣值，第五次按前將1、2 號采樣器置于軌跡上，3、4置于背景上（軌跡外），輸出的是判斷域值，此時(shí)再按下按鈕將保存判斷域值，并返回到工作模式，完成調(diào)試過程。
在上述過程中，電源指示的閃爍方式為：在調(diào)試1號時(shí)，閃一下，滅1秒；調(diào)試2號時(shí)，閃2下，滅1秒；依次到輸出判斷域值時(shí)，閃5下，滅1秒。回到正常工作時(shí)連續(xù)閃爍。
程序完成紀(jì)錄軌跡及背景的采樣值，計(jì)算出判斷值以及變化方向，并寫入FLASH中保存，不再次進(jìn)入調(diào)試不會(huì)被修改。
采樣在1ms 中斷中完成，建立標(biāo)志。主程序根據(jù)標(biāo)志啟動(dòng)計(jì)算或調(diào)試模塊，輸出對應(yīng)的結(jié)果。
四、使用方法
連接示意圖：
ROBOLAB 程序：
以上程序只是一個(gè)示例，對于特殊軌跡沒有處理，具體應(yīng)用時(shí)可根據(jù)需求添加。
上述采樣器的布置方案不是唯一的，可能有更好的模式，我們提供的只是一種思路，希望能起到拋磚引玉的作用。
五、擴(kuò)展應(yīng)用
上述模式也可用于其它的應(yīng)用，如在青少年機(jī)器人足球項(xiàng)目中，用于對灰色漸變場地的監(jiān)測，本采樣器在LEGO 提供的練習(xí)紙上測試，最黑處約為180，最亮處約為 920，紅灰測試塊的灰色約為480。而用原配的光感，最黑處約為35，最亮處約為55，紅灰測試塊的灰色約為 44。
我沒有在足球場地紙上試過，但根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以初步推論：用于監(jiān)測足球場地的灰度變化會(huì)比原來大有改善，而且，如果使用者有能力用C51編程的話，肯定會(huì)使足球水平大有提高。
如果將現(xiàn)在用于監(jiān)測軌跡的反射采樣器換為檢測紅外球的采樣器，那么用在守門員或進(jìn)攻機(jī)器人上，對找球?qū)?huì)有很大的好處，這樣RCX可以專注于策略。而且，用LEGO參加足球賽的學(xué)校也可以體現(xiàn)出水平了，因?yàn)閭鞲衅鞯男阅堋⒐δ芸梢愿鶕?jù)自己的需要改變，而非統(tǒng)一提供的，大家指標(biāo)差異有限。