一種基于ADSP-2188M的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2004年5月A版

摘  要：在移動智能體的研制中，能夠?qū)崟r(shí)地探測周圍環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)是至關(guān)重要的。本文介紹了一種以DSP-ADSP-2188M為核心的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)和工作原理，以及與上位機(jī)通信的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于移動機(jī)器人、智能輪椅、自動制導(dǎo)車輛等移動智能系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：DSP；超聲波傳感器；PSD

引言

　　在自主移動機(jī)器人系統(tǒng)、智能輪椅、自動制導(dǎo)車輛等智能移動系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)地采集未知和不確定環(huán)境中的信息，以完成避障、環(huán)境地圖繪制、導(dǎo)航、定位等運(yùn)作，然后進(jìn)行路徑規(guī)劃等任務(wù)。這些任務(wù)必須依靠能實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)來完成。為了在復(fù)雜環(huán)境中獲取有效的信息，這些系統(tǒng)往往安裝有種類各異的傳感器。目前，常用的有視覺、激光、紅外、超聲等傳感器。激光傳感器價(jià)格昂貴，而且在室內(nèi)的結(jié)構(gòu)化環(huán)境中存在鏡面反射的問題。同時(shí)，超聲波傳感器以其性價(jià)比高，硬件實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到感知系統(tǒng)中。同時(shí)，超聲傳感器也面臨鏡面反射的問題，方向性上也有欠缺。所以，在眾多傳感器采集系統(tǒng)中還實(shí)現(xiàn)了紅外傳感器和相位敏感器件(PSD)的數(shù)據(jù)采集。

　　隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)集成芯片制造技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，數(shù)字信號處理芯片(DSP)由于其快速的計(jì)算能力，不僅廣泛應(yīng)用于通信與視頻信號處理，也逐漸應(yīng)用在各種高級的控制系統(tǒng)中。AD公司的ADSP-21xx系列提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力和解決方案。其中的ADSP-2188M指令執(zhí)行速度高達(dá)75MIPS，加上獨(dú)立的算術(shù)邏輯單元，擁有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力。此外，大容量的RAM被集成到該芯片內(nèi)，以形成真正的單芯片控制器，可以極大地簡化外圍電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，也大大提高了數(shù)據(jù)的存儲處理能力。我們設(shè)計(jì)的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以ADSP-2188M為核心控制器。本文著重介紹該系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)和工作原理，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)由DSP主控制器、超聲波環(huán)境探測電路、紅外傳感器數(shù)據(jù)采集電路、PSD數(shù)據(jù)采集電路和通信模塊等部分組成。系統(tǒng)的核心為ADSP 2188M，主要完成對各種傳感器的控制，信號的發(fā)射與接收，信息的融合及與上位PC主機(jī)進(jìn)行通訊等功能。由于系統(tǒng)對傳感器的信息已經(jīng)進(jìn)行了集中的預(yù)處理，與PC上位機(jī)進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)量將得到很大的降低，RS232串口通信方式已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性方面的要求。

超聲波環(huán)境探測電路

　　超聲波探測電路主要由16路超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路等模塊組成。移動智能系統(tǒng)在運(yùn)動過程中需要實(shí)時(shí)地了解環(huán)境信息，常常根據(jù)實(shí)際需要將超聲傳感器均勻地布置在系統(tǒng)四周，從而構(gòu)成環(huán)境探測系統(tǒng)。超聲測距的原理較簡單，一般采用渡越時(shí)間法，即：

D=Ct / 2                     (1)  

　　其中D為移動機(jī)器人與被測障礙物之間的距離，C為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率，t為渡越時(shí)間，聲波在空氣中傳輸速率為：

       (2)

　　其中，Ｔ為絕對溫度。在不要求測距精度很高的情況下，一般可以認(rèn)為C為常數(shù)。測量超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間間隔t，然后根據(jù)式(1)計(jì)算距離。

　　超聲波發(fā)射部分主要由激勵(lì)信號發(fā)生電路，緩沖升壓放大和超聲波換能器等環(huán)節(jié)構(gòu)成。超聲波發(fā)射過程是：首先由DSP控制多路模擬開關(guān)ADG438F，選擇性地啟動16路發(fā)射電路中的4路。然后由ADSP2188M的一個(gè)I/O口產(chǎn)生脈寬為25μs的40kHz的調(diào)制脈沖波，通過緩沖放大器7406，再經(jīng)變壓器升壓放大電路產(chǎn)生幅度達(dá)60V的瞬間高能激勵(lì)信號，同時(shí)激發(fā)4路超聲換能器產(chǎn)生超聲波信號。ADG438F的最大開啟時(shí)間為250ns，不會影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　超聲波的接收與發(fā)射必須協(xié)調(diào)一致工作，才能保證信號準(zhǔn)確靈敏的接收。接收部分主要由接收換能器、放大濾波、整形觸發(fā)輸出等環(huán)節(jié)組成，如圖2所示。由于超聲波在傳播中，其能量會隨傳輸距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離障礙物反射的回波信號一般比較弱(為mv級)，所以需要經(jīng)過多級信號放大處理。本系統(tǒng)采用了三級放大處理，將信號放大約150萬倍，然后經(jīng)整形電路輸出。4路超聲傳感器接收電路將經(jīng)過整形以后的信號作為中斷申請信號，通過多路模擬開關(guān)再接入ADSP-2188M的外部中斷引腳，觸發(fā)DSP的外部中斷。

　　實(shí)驗(yàn)測得該超聲傳感器的靈敏范圍大約為30度，測距范圍為0.30~3m，重復(fù)測距精度在1％以內(nèi)。

紅外傳感器數(shù)據(jù)采集電路

　　紅外傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要由8路紅外傳感器、光電隔離電路和電子開關(guān)組成。紅外傳感器的探測距離一般比較短，通常被用作近距離障礙目標(biāo)的識別，可以在一定程度上彌補(bǔ)超聲傳感器盲區(qū)特性的不足。其輸出為0或1的開關(guān)量。紅外傳感器一般在靜態(tài)時(shí)工作電流為25mA左右，而在動態(tài)工作時(shí)可達(dá)60mA。因而，紅外傳感器陣列的使用將會對系統(tǒng)的供電系統(tǒng)帶來很大的負(fù)擔(dān)。為此，在紅外傳感器數(shù)據(jù)采集模塊中引入三極管的電子開關(guān)，控制紅外傳感器的供電電源，當(dāng)需要采集紅外傳感器信息時(shí)，才接通紅外傳感器的電源。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測定，該電子開關(guān)的反應(yīng)速度達(dá)到5.6μs，對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性幾乎沒有影響。

　　8路紅外傳感器的數(shù)據(jù)通過光電耦合電路直接連接到ADSP2188M的高8位數(shù)據(jù)線上，實(shí)現(xiàn)并行采集。

PSD數(shù)據(jù)采集電路

　　PSD數(shù)據(jù)采集電路由4個(gè)PSD傳感器組成，用于目標(biāo)距離的檢測。它的工作原理就是通過測量發(fā)射和反射紅外光之間的相位差來測量反射物體的距離，被測物體的顏色也不會影響其測距精度。PSD可以彌補(bǔ)超聲傳感器方向性差，測量響應(yīng)時(shí)間較長等缺點(diǎn)。我們使用的是Sharp公司的GP2Y0A02YK紅外測距器件。該器件能夠把相位差的變化轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化，可以連續(xù)的讀出距離。測量范圍為20~150cm，輸出電壓范圍0~2.7V。

系統(tǒng)的軟件描述

　　系統(tǒng)軟件主要由主循環(huán)模塊、超聲回波中斷接收模塊、通訊模塊等組成。具體流程圖如圖3所示。

　　隙鍆獾氖奔淅醋槌擅で�郵?。燕]幣院缶涂梢鑰�敉獠恐卸希�⒀�返卻©超聲回波信號。最后，不管有沒有接收到回波，應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，避免在室內(nèi)工作環(huán)境下超聲波的余波效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　首先，我們對多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的超聲傳感器和PSD的測距性能進(jìn)行了測試：讓該系統(tǒng)的不同傳感器對同一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測距，超聲傳感器的實(shí)際結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)證明兩種傳感器的重復(fù)測量精度均在1％之內(nèi)，兩者之間的誤差也不超過2％，精度完全能夠滿足一般移動智能系統(tǒng)的要求。

　　同時(shí)，為了驗(yàn)證整個(gè)多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，我們計(jì)算了系統(tǒng)的主循環(huán)模塊在最差條件下(即所有的超聲傳感器都沒有探測到回波信號)，所用的時(shí)間約為35.33ms。也就是說，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新頻率能夠達(dá)到30Hz左右，證明系統(tǒng)有良好的實(shí)時(shí)性。

結(jié)語

　　本文研究了一種高性能、低成本、低功耗多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬、軟件實(shí)現(xiàn)和工作原理。系統(tǒng)以高性能的數(shù)字信號處理器ADSP2188M為核心處理器，集中實(shí)現(xiàn)多個(gè)紅外、超聲和PSD傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了硬件系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和算法的有效性?！?/P>

參考文獻(xiàn):

1. Gregory Dudek, Michael Jenkin, "Computational Principles of Mobile Robotics", Cambridge University Press, 2000

2. H. R. Beom, H. S. Cho, "Sonar-Based Navigation Experiments on a Mobile Robot in Indoor Environments", Proc. of the 15th IEEE Int. Symposium on Intelligent Control (ISIC 2000), pp: 395-401, 2000