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基于DSP的多超聲測(cè)距數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)
摘要：介紹了自行設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人CASIA-I中超聲測(cè)距系統(tǒng)的軟、硬件，以及超聲測(cè)距數(shù)據(jù)與上位機(jī)通信的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)以DSP-TMS320LF2407A作為核心處理器，以CAN總線為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了上述功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)距范圍為0.45m～3.5m，系統(tǒng)測(cè)距精度在0.7%以內(nèi)，可以滿足移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航的要求。關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人DSP超聲測(cè)距CAN總線通訊
移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下運(yùn)行，必須具備自動(dòng)導(dǎo)航和避障功能。在移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)中，傳感器起著舉足輕重的作用。視覺、激光、紅外、超聲傳感器等都在實(shí)際系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，超聲波傳感器以其信息處理簡(jiǎn)單、速度快和價(jià)格低，被廣泛用作移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)距傳感器，以實(shí)現(xiàn)避障、定位、環(huán)境建模和導(dǎo)航等功能。
傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用單片機(jī)作為微處理器，以此來(lái)測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人到障礙物的距離，并將距離通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。采用這種設(shè)計(jì)，系統(tǒng)制造簡(jiǎn)單、成本低。但是，對(duì)于多超聲傳感器測(cè)距系統(tǒng)，如果仍采用單片機(jī)來(lái)完成測(cè)距任務(wù)，由于系統(tǒng)中超聲傳感器數(shù)量較多，為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，就需要多個(gè)單片機(jī)才能完成數(shù)據(jù)采集，這使得采集系統(tǒng)不可避免地存在設(shè)計(jì)復(fù)雜和一延續(xù)算法難以實(shí)現(xiàn)等缺陷。隨著微電子工藝的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用領(lǐng)域已從通信行業(yè)拓展到工業(yè)控制領(lǐng)域。TI公司推出的TMS320LF2407A的專門針對(duì)控制領(lǐng)域應(yīng)用的DSP，它具有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)，其指令執(zhí)行速度高達(dá)40MIPS，且大部分的指令都可以在一個(gè)25ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。另外，它還具有非常強(qiáng)大的片內(nèi)I/O端口和其它外圍設(shè)置，可以簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本。正是基于種思想，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所在國(guó)家“863”計(jì)劃的支持下，利用多DSP和嵌入式PC104自動(dòng)設(shè)計(jì)和研制了輪式移動(dòng)機(jī)器人CASIA-I。本文著重介紹其超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)通過CAN總線完成的超聲數(shù)據(jù)與上位機(jī)通訊的原理和設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析說(shuō)明，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖1超聲數(shù)據(jù)采集硬件原理圖
1超聲測(cè)距原理
超聲測(cè)距的原理較簡(jiǎn)單，一般采用渡越時(shí)間法，即：
D=ct/2（1）
其中D為移動(dòng)機(jī)器人與被測(cè)障礙物之間的距離，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。聲波在空氣中傳輸速率為：
其中，T為絕對(duì)溫度，c0=331.4m/s。在不要求測(cè)距精度很高的情況下，一般可以認(rèn)為c為常數(shù)。渡越時(shí)間法主要是測(cè)量超聲發(fā)射到超聲返回的時(shí)間間隔t，即“渡越時(shí)間”，然后根據(jù)式（1）計(jì)算距離。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在距地面高度為45cm、相隔為22.5°的同一環(huán)上均勻分布著16個(gè)Polaroid生產(chǎn)的超聲傳感器，其編號(hào)為1#～16#（逆時(shí)針安排），超聲傳感器波束角為30°，超聲傳感器的最小作用距離為0.45m。超聲數(shù)據(jù)采集板主要有兩大模塊：一是16路超聲器的超聲波發(fā)射和回波的接收模塊，二是與上位（機(jī)器人中央控制器）的CAN總線通訊模塊。其硬件結(jié)構(gòu)見圖1。
TMS320LF2407向I/O端口發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。此控制信號(hào)功率放大后作為超聲傳感驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)信號(hào)（INIT），超聲傳感器產(chǎn)生的、遇到障礙物時(shí)返回的高頻振蕩信號(hào)經(jīng)放大（為彌補(bǔ)傳播過程中信號(hào)的衰減）使超聲傳感驅(qū)動(dòng)電路的ECHO端產(chǎn)生高電平脈沖。ECHO電平變化經(jīng)過門電路后引起TMS320LF407A外部中斷，在中斷程序內(nèi)獲取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，根據(jù)式（1）計(jì)算距離；否則，認(rèn)為傳感器前方探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)障礙物。
圖2超聲測(cè)距數(shù)據(jù)采集程序框圖
因?yàn)槌晜鞲衅髦g的安裝位置相差22.5°，而超聲傳感器的波束角為30°，如果超聲波同時(shí)發(fā)射，必須會(huì)有干擾。如果采用輪循方式，即一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射超聲波，雖然可以消除串?dāng)_回波的影響，但是16個(gè)超聲傳感器輪循一次周期較長(zhǎng)，降低了采集頻率。為了在不降低采集頻率的同時(shí)消除超聲的相互干擾，本系統(tǒng)將16個(gè)超聲傳感器分成A（1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#）和B（2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#）兩組，因?yàn)橥唤M內(nèi)的兩個(gè)超聲傳感器安裝位置相差45°，通過計(jì)算可以知道，這種情況下超聲傳感器同時(shí)工作不會(huì)產(chǎn)生干擾，因而每一組里的超聲傳感器同時(shí)工作，組與組之間則采用輪循方式工作。這樣既可以到很高的采集頻率，同時(shí)也滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。每組8個(gè)超聲傳感器的ECHO端分別連接到一門電路，然后通過門電路連接DSP的XINT1和XINT2端。XINT1/2引腳電平發(fā)生跳變時(shí)會(huì)產(chǎn)生外部中斷，通過I/O口可以知道是哪個(gè)或哪幾個(gè)傳感器引起中斷。
TMS320LF2407A內(nèi)部集成了CAN控制器，通過它可以方便地構(gòu)成CAN控制局域網(wǎng)絡(luò)。TMS320LF2407A的CANTX和CANRX接口與CAN收發(fā)器SN65HVD230相連，通過SN65HVD230連接CAN總線。SN65HVD230是TI公司生產(chǎn)的專門針對(duì)240X系列DSP內(nèi)CAN控制器與物理總線的接口。它的供電電壓和TMS320LF2407A一樣，僅為3.3V。由于CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，最高傳感速率可達(dá)到1Mbps。超聲采集板的數(shù)據(jù)能夠快速、可靠地傳給中央控制器。
3軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件主要由兩部分構(gòu)成，即超聲數(shù)據(jù)采集與處理模塊、CAN總線通訊模塊。
3.1多路超聲傳感器數(shù)據(jù)采集模塊
超聲傳感器被分為兩組，兩組循環(huán)交替工作。軟件設(shè)計(jì)上采用兩個(gè)定時(shí)器依次工作，分別對(duì)兩組傳感器進(jìn)行計(jì)時(shí)。選擇定時(shí)器的周期比超聲傳感器探測(cè)最大距離所需的渡越時(shí)間稍長(zhǎng)。在每個(gè)定時(shí)器周期開始時(shí)，觸發(fā)一組超聲傳感器同時(shí)開始工作。在定時(shí)器周期內(nèi)，每個(gè)回波返回，都會(huì)觸發(fā)一次外部中斷（XINT1或XINT2中斷），在外部中斷處理程序內(nèi)，將超聲波返回時(shí)間進(jìn)行紀(jì)錄，并將相應(yīng)的超聲傳感器關(guān)閉。外部中斷處理程序非常簡(jiǎn)短，本系統(tǒng)只用了不到20條指令，并且TMS320LF2407A指令執(zhí)行速度很快，因而即使因進(jìn)入外部中斷處理程序而延誤了對(duì)后來(lái)回波的處理，但這種延誤的時(shí)間根據(jù)計(jì)算不大于0.5μs，由此引入的距離誤差根據(jù)（1）式計(jì)算小于83.5×10-6m。可見誤差非常小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)定時(shí)器中斷時(shí)，對(duì)于距離大于最大超聲探測(cè)范圍的，沒有相應(yīng)的時(shí)間記錄，給它們加上超出測(cè)距范圍的標(biāo)志。其它的時(shí)鐘數(shù)據(jù)都有記錄，根據(jù)（1）式計(jì)算距離，然后啟動(dòng)下一個(gè)定時(shí)器工作，并觸發(fā)下一組超聲傳感器。本文的超傳感器的最大探測(cè)距離為3.5m，因而超聲波探測(cè)的最長(zhǎng)時(shí)間為20.58ms。所以每個(gè)定時(shí)器的周期選為20.6ms。圖2只畫出了一組超聲傳感器的處理框圖，另一組與此相，不再多述。
表1超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際值單位：cm
實(shí)際值456075100125150175200測(cè)量值43.2661.4774.76100.17125.20149.84174.63200.78實(shí)際值225250275300325350測(cè)量值224.11251.7276.9297.8322.7352.5
由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測(cè)量值與實(shí)際值總有一些誤差，表1列出了本超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際值。采用最小二乘法對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果為：
y=0.9986x+0.2111
式中，x為測(cè)量值，y為實(shí)際值。
3.2基于CAN總線的數(shù)據(jù)通信
超聲數(shù)據(jù)采集板發(fā)送測(cè)距數(shù)據(jù)以中斷的方式完成。TMS320LF2407A有專門的mailbox中斷，用于響應(yīng)發(fā)送/接收中斷。每個(gè)超聲傳感器的測(cè)距值在DSP內(nèi)用兩個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)，而CAN總線傳輸標(biāo)準(zhǔn)要求每個(gè)數(shù)據(jù)幀最多只能傳輸8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)共有16個(gè)超聲傳感器，共有32個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)所有測(cè)距值。CAN總線傳輸所有測(cè)距值需要4個(gè)數(shù)據(jù)幀才能傳送完。本系統(tǒng)的通訊過程為：中央控制器發(fā)送遠(yuǎn)程請(qǐng)求，超聲數(shù)據(jù)采集板進(jìn)入接收中斷，在中斷服務(wù)程序內(nèi)，采用查詢方式發(fā)送4幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)包含4個(gè)超聲傳感器的測(cè)距值。本系統(tǒng)采用的濾特率是500kbps。TMS320LF2407A用mailbox0接收中央控制器的遠(yuǎn)程請(qǐng)求帖，用mailbox2發(fā)送測(cè)距數(shù)據(jù)值。圖3是超聲數(shù)據(jù)采集板的發(fā)送數(shù)據(jù)中斷服務(wù)程序框圖。其中，TA2是對(duì)應(yīng)mailbox2發(fā)送數(shù)據(jù)幀完成標(biāo)志位，RMP0是對(duì)應(yīng)mailbox0接收數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志位。關(guān)于TMS320LF2407A的CAN模塊的具體說(shuō)明。
圖4中央控制器接收子程序框圖
中央控制器接收子程序由VC++編寫。當(dāng)機(jī)器人需要新的測(cè)距值時(shí)，即調(diào)用此子程序。程序框圖見圖4。接收程序收到一幀數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)，若有錯(cuò)，則向采集板發(fā)送命令，要求重發(fā)此幀數(shù)據(jù)；若正確，發(fā)送確認(rèn)命令，要求采集板發(fā)送下一組數(shù)據(jù)，直到所有的超聲測(cè)距數(shù)據(jù)都接收完。
本文介紹的超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用TMS320LF2407A為核心處理器，可以達(dá)到很高的采集速率和精度。通過CAN總線通訊，可以將測(cè)距值以很高的濾特率可靠地發(fā)送給機(jī)器人中央控制器。此系統(tǒng)已經(jīng)在自行設(shè)計(jì)的智能移動(dòng)機(jī)器人CASIA-I上得到了實(shí)際應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了硬件系統(tǒng)的可靠性和算法的有效性。
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