基于FPGA的無(wú)線(xiàn)通信安全協(xié)議

　　0 引言

　　小型機器人足球融合機械設計、自動(dòng)控制、無(wú)線(xiàn)通信、圖像識別、智能體設計等多項技術(shù)，已成為機器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)十分引人注目的熱點(diǎn)。機器人足球比賽系統是一個(gè)閉環(huán)控制系統，它一般由決策、機器人小車(chē)、視覺(jué)和無(wú)線(xiàn)通信四個(gè)子系統組成。其中，無(wú)線(xiàn)通信系統是銜接主機和底層機器人之間聯(lián)系的不可缺少的一環(huán)，其主要任務(wù)是將決策系統的控制命令實(shí)時(shí)準確地傳送給每個(gè)機器人，機器人按照決策系統的指令做出相應的動(dòng)作，其通信性能好壞，將嚴重影響機器人的運動(dòng)和比賽的順利進(jìn)行。由于機器人足球比賽是一個(gè)動(dòng)態(tài)、快速的實(shí)時(shí)系統，要求無(wú)線(xiàn)通信系統有較高的通信速率、穩定性和抗干擾性。另外，通信模塊的大小也要適應足球機器人小車(chē)小型化的要求。因而，開(kāi)發(fā)出通信速率高、集成度好、可靠性高、抗干擾能力強的無(wú)線(xiàn)通信系統對于贏(yíng)得比賽具有重要的意義。本文為提高通信系統的性能，設計開(kāi)發(fā)了一種基于PTR6000的高速無(wú)線(xiàn)通信系統。

　　1 足球機器人無(wú)線(xiàn)通信機理及通信硬件的選用

　　根據比賽規則，主機和機器人小車(chē)之間的通信采用無(wú)線(xiàn)方式，且兩支球隊的無(wú)線(xiàn)頻道不同。無(wú)線(xiàn)通信系統負責將主機決策機構形成的控制命令通過(guò)計算機控制串行數據輸出至無(wú)線(xiàn)發(fā)射器，經(jīng)調制后發(fā)射出去，機器人小車(chē)上的接收模塊解調出無(wú)線(xiàn)信號上所載的命令信息，然后傳送給車(chē)載微處理器進(jìn)一步處理，各機器人必須根據自身的程序去篩選屬于自己的命令信息。

　　作為無(wú)線(xiàn)通信的空中接口，通信芯片的選型會(huì )直接影響到系統通信的高效性和可靠性。根據本系統對無(wú)線(xiàn)通信裝置提出的頻率可選、通信速率高、性能可靠、體積小等要求，本系統選定挪威Nordic公司nRF2401芯片的PTR6000模塊作為無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)模塊。其工作在全球開(kāi)發(fā)的2.4 GHz ISM頻段，通信速率高達2 Mb/s，有125個(gè)頻道，滿(mǎn)足多頻及跳頻需要;另外半雙工無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體，因而通信方式比較靈活;體積小，所需外圍元件少，接口電路簡(jiǎn)單，因此特別適合于足球機器人小型化的要求;可直接連接單片機串口，也可接PC機RS 232串口，軟件編程非常方便;抗干擾能力強;功耗小。

　　2 無(wú)線(xiàn)通信系統硬件電路的設計

　　2.1 發(fā)射器的設計

　　在無(wú)線(xiàn)發(fā)射器中，核心部件采用了AT89LS52單片機和PTR6000的超高頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，配合電平轉換電路及邏輯電路而成，其電路圖如圖1所示。從圖中可以看出，AT89LS52的RXD口接收來(lái)自PC機的數據信號，通過(guò)對PTR6000的初始化，使它工作在發(fā)射狀態(tài)，ShockBurst模式定義數據包格式，同時(shí)通過(guò)CE，CLK和DATA三線(xiàn)接口將數據發(fā)射出去，實(shí)現數據的發(fā)送。

　　由于PC機串口采用RS 232電平，而無(wú)線(xiàn)通信模塊PTR6000以及單片機AT89LS52均使用TTL/CMOS電平，所以要進(jìn)行電平轉換。本系統中采用MAX232芯片，它是一種電平轉換芯片，可以將TTL轉換為RS 232，或將RS 232轉換為T(mén)TL，能滿(mǎn)足單片機或普通計算機的通信電平轉換要求

　　2.2 接收器的設計

　　接收器電路圖如圖2所示。接收端裝在每個(gè)機器人小車(chē)上，由于機器人小車(chē)的控制采用DSP控制器TMS320LF2407A，因而在接收端PTR6000無(wú)線(xiàn)通信模塊就采用TMS320LF2407A來(lái)控制。因PTR6000模塊與單片機采用的電平標準同為T(mén)TL/CMOS電平，所以在接收端直接將兩者連接。上電以后TMS320LF2407A首先配置PTR6000模塊，先將CS，CE設為配置模式，TMS320LF2407A通過(guò)PTR6000的CLKI，DATA將120 b配置數據移入PTR6 000模塊，完成無(wú)線(xiàn)模塊寄存器配置后，由TMS320LF2407A控制CS，CE啟動(dòng)接收模式。當接收數據的地址與本機地址一致時(shí)，通過(guò)DRI輸出中斷指示(高電平有效)，DSP通過(guò)DATA，CLKI接收數據。

　　另外，在本系統設計中增加了跳頻撥碼開(kāi)關(guān)，與之對應的發(fā)射電路也設置了跳頻撥碼開(kāi)關(guān)，通過(guò)調整撥碼開(kāi)關(guān)的位置輸入不同的電平組合信號便可由軟件跳轉到相應頻道，以適應比賽時(shí)更換頻率的需要。

　　3 無(wú)線(xiàn)通信系統軟件設計

　　3.1 無(wú)線(xiàn)通信方式與協(xié)議

　　由于足球機器人的活動(dòng)空間有限，通常采用單向通信方式。為了實(shí)現一對多的通信，采用廣播方式，所有的機器人采用與發(fā)射器相同的通信頻率。每個(gè)控制周期無(wú)線(xiàn)發(fā)射器發(fā)射一幀數據給本方所有機器人，各機器人根據自身編號讀取數據幀的不同字段，獲得自己的運動(dòng)控制指令。

　　本系統的足球機器人采用兩輪差動(dòng)方式驅動(dòng)，因此，機器人的運動(dòng)控制指令就是該機器人的左右輪速度設定值。足球機器人系統命令格式如表1所示。賽場(chǎng)上的機器人小車(chē)首先接收機器人標識字節，并與自身的標志相比較。當比較匹配時(shí)，則認定后面的2個(gè)字節是發(fā)送給本機的指令，準備接收;否則，屏蔽掉后面的2個(gè)字節的指令，等待下一組的指令信息。

　　3.2 收發(fā)器的軟件設計

　　通信系統的軟件主要有兩部分：一是AT89LS52上的從RS 232接收和往PTR6000發(fā)射數據;二是DSP2407A從PTR6000接收數據。圖3給出它們的流程框圖。

　　發(fā)射器中的單片機AT89LS52接收到上位機的通信指令后，將接收到的數據按照通信協(xié)議打包，然后通過(guò)對CLK1引腳和DATA引腳編程按照數據手冊上的時(shí)序圖將數據按位寫(xiě)入PTR6000并以廣播形式發(fā)送給各個(gè)足球機器人。

　　足球機器人的接收程序則由機器人上的DSP2407A執行，每個(gè)機器人根據各自設定的編號，從接收緩沖區取出相應左右輪速度值。接收端的PTR6000在收到與本機地址相同的數據包后將DR1數據就緒引腳置為高電平，由于本設計將此引腳連接到了DSP的XINT2中斷引腳，因此DR1的上升沿將導致DSP轉入執行中斷服務(wù)程序，通過(guò)對CLK1和DATA引腳編程以數據手冊提供的時(shí)序讀取接收數據。