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，能夠實時地探測周圍環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)是至關重要的。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、硬件設計和工作原理，以及與上位機通信的設計和實現(xiàn)過程。該系統(tǒng)可以應用于移動機器人、智能輪椅、自動制導車輛等移動智能系統(tǒng)中。

關鍵詞：DSP；超聲波傳感器；PSD

引言

　　在自主移動機器人系統(tǒng)、智能輪椅、自動制導車輛等智能移動系統(tǒng)中，需要實時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、導航、定位等運作，然后進行路徑規(guī)劃等任務。這些任務必須依靠能實時感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)來完成。為了在復雜環(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。激光傳感器價格昂貴，而且在室內的結構化環(huán)境中存在鏡面反射的問題。同時，超聲波傳感器以其性價比高，硬件實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，被廣泛地應用到感知系統(tǒng)中。同時，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。

　　隨著微電子技術和計算機集成芯片制造技術的不斷發(fā)展和成熟，數(shù)字信號處理芯片(DSP)由于其快速的計算能力，不僅廣泛應用于通信與視頻信號處理，也逐漸應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75MIPS，加上獨立的算術邏輯單元，擁有強大的數(shù)字信號處理能力。此外，大容量的RAM被集成到該芯片內，以形成真正的單芯片控制器，可以極大地簡化外圍電路設計，降低系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復雜度，也大大提高了數(shù)據(jù)的存儲處理能力。我們設計的多傳感器數(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、硬件設計和工作原理，并給出實驗結果。

系統(tǒng)的硬件設計

　　整個多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構如圖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主機進行通訊等功能。由于系統(tǒng)對傳感器的信息已經(jīng)進行了集中的預處理，與PC上位機進行通信的數(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)在實時性方面的要求。

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)在運動過程中需要實時地了解環(huán)境信息，常常根據(jù)實際需要將超聲傳感器均勻地布置在系統(tǒng)四周，從而構成環(huán)境探測系統(tǒng)。超聲測距的原理較簡單，一般采用渡越時間法，即：

D=Ct / 2                     (1)  

　　其中D為移動機器人與被測障礙物之間的距離，C為聲波在介質中的傳輸速率，t為渡越時間，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，一般可以認為C為常數(shù)。測量超聲波從發(fā)射到返回的時間間隔t，然后根據(jù)式(1)計算距離。

　　超聲波發(fā)射部分主要由激勵信號發(fā)生電路，緩沖升壓放大和超聲波換能器等環(huán)節(jié)構成。超聲波發(fā)射過程是：首先由DSP控制多路模擬開關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I/O口產生脈寬為25μs的40kHz的調制脈沖波，通過緩沖放大器7406，再經(jīng)變壓器升壓放大電路產生幅度達60V的瞬間高能激勵信號，同時激發(fā)4路超聲換能器產生超聲波信號。ADG438F的最大開啟時間為250ns，不會影響系統(tǒng)的實時性。

　　超聲波的接收與發(fā)射必須協(xié)調一致工作，才能保證信號準確靈敏的接收。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，通過多路模擬開關再接入ADSP-2188M的外部中斷引腳，觸發(fā)DSP的外部中斷。

　　實驗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，重復測距精度在1％以內。

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的識別，可以在一定程度上彌補超聲傳感器盲區(qū)特性的不足。其輸出為0或1的開關量。紅外傳感器一般在靜態(tài)時工作電流為25mA左右，而在動態(tài)工作時可達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)帶來很大的負擔。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，控制紅外傳感器的供電電源，當需要采集紅外傳感器信息時，才接通紅外傳感器的電源。經(jīng)過實驗測定，該電子開關的反應速度達到5.6μs，對系統(tǒng)的實時性幾乎沒有影響。

　　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PSD傳感器組成，用于目標距離的檢測。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可以彌補超聲傳感器方向性差，測量響應時間較長等缺點。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，應該進行適當?shù)难訒r，避免在室內工作環(huán)境下超聲波的余波效應。

實驗結果

　　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的測距性能進行了測試：讓該系統(tǒng)的不同傳感器對同一個目標進行測距，超聲傳感器的實際結果如表1所示。試驗證明兩種傳感器的重復測量精度均在1％之內，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，為了驗證整個多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時性，我們計算了系統(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)，所用的時間約為35.33ms。也就是說，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新頻率能夠達到30Hz左右，證明系統(tǒng)有良好的實時性。

結語

　　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，集中實現(xiàn)多個紅外、超聲和PSD傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸。實驗驗證了硬件系統(tǒng)的可靠性、實時性和算法的有效性。■

參考文獻:

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