一種基于A(yíng)DSP-2188M的多傳感器數據采集系統

2004年5月A版

摘  要：在移動(dòng)智能體的研制中，能夠實(shí)時(shí)地探測周?chē)h(huán)境信息的傳感器系統是至關(guān)重要的。本文介紹了一種以DSP-ADSP-2188M為核心的傳感器數據采集系統的軟、硬件設計和工作原理，以及與上位機通信的設計和實(shí)現過(guò)程。該系統可以應用于移動(dòng)機器人、智能輪椅、自動(dòng)制導車(chē)輛等移動(dòng)智能系統中。

關(guān)鍵詞：DSP；超聲波傳感器；PSD

引言

　　在自主移動(dòng)機器人系統、智能輪椅、自動(dòng)制導車(chē)輛等智能移動(dòng)系統中，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、導航、定位等運作，然后進(jìn)行路徑規劃等任務(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來(lái)完成。為了在復雜環(huán)境中獲取有效的信息，這些系統往往安裝有種類(lèi)各異的傳感器。目前，常用的有視覺(jué)、激光、紅外、超聲等傳感器。激光傳感器價(jià)格昂貴，而且在室內的結構化環(huán)境中存在鏡面反射的問(wèn)題。同時(shí)，超聲波傳感器以其性?xún)r(jià)比高，硬件實(shí)現簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應用到感知系統中。同時(shí)，超聲傳感器也面臨鏡面反射的問(wèn)題，方向性上也有欠缺。所以，在眾多傳感器采集系統中還實(shí)現了紅外傳感器和相位敏感器件(PSD)的數據采集。

　　隨著(zhù)微電子技術(shù)和計算機集成芯片制造技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，數字信號處理芯片(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指令執行速度高達75MIPS，加上獨立的算術(shù)邏輯單元，擁有強大的數字信號處理能力。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(jiǎn)化外圍電路設計，降低系統成本和系統復雜度，也大大提高了數據的存儲處理能力。我們設計的多傳感器數據采集系統以ADSP-2188M為核心控制器。本文著(zhù)重介紹該系統的軟、硬件設計和工作原理，并給出實(shí)驗結果。

系統的硬件設計

　　整個(gè)多傳感器數據采集系統的結構如圖1所示。從圖中可以看出，系統由DSP主控制器、超聲波環(huán)境探測電路、紅外傳感器數據采集電路、PSD數據采集電路和通信模塊等部分組成。系統的核心為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(jìn)行通訊等功能。由于系統對傳感器的信息已經(jīng)進(jìn)行了集中的預處理，與PC上位機進(jìn)行通信的數據量將得到很大的降低，RS232串口通信方式已經(jīng)能夠滿(mǎn)足系統在實(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(dòng)智能系統在運動(dòng)過(guò)程中需要實(shí)時(shí)地了解環(huán)境信息，常常根據實(shí)際需要將超聲傳感器均勻地布置在系統四周，從而構成環(huán)境探測系統。超聲測距的原理較簡(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，一般可以認為C為常數。測量超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間間隔t，然后根據式(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)節構成。超聲波發(fā)射過(guò)程是：首先由DSP控制多路模擬開(kāi)關(guān)ADG438F，選擇性地啟動(dòng)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的調制脈沖波，通過(guò)緩沖放大器7406，再經(jīng)變壓器升壓放大電路產(chǎn)生幅度達60V的瞬間高能激勵信號，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(kāi)啟時(shí)間為250ns，不會(huì )影響系統的實(shí)時(shí)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)節組成，如圖2所示。由于超聲波在傳播中，其能量會(huì )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(guò)多級信號放大處理。本系統采用了三級放大處理，將信號放大約150萬(wàn)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(guò)整形以后的信號作為中斷申請信號，通過(guò)多路模擬開(kāi)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?xún)取?/P>

紅外傳感器數據采集電路

　　紅外傳感器數據采集模塊主要由8路紅外傳感器、光電隔離電路和電子開(kāi)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的識別，可以在一定程度上彌補超聲傳感器盲區特性的不足。其輸出為0或1的開(kāi)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(dòng)態(tài)工作時(shí)可達60mA。因而，紅外傳感器陣列的使用將會(huì )對系統的供電系統帶來(lái)很大的負擔。為此，在紅外傳感器數據采集模塊中引入三極管的電子開(kāi)關(guān)，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(shí)，才接通紅外傳感器的電源。經(jīng)過(guò)實(shí)驗測定，該電子開(kāi)關(guān)的反應速度達到5.6μs，對系統的實(shí)時(shí)性幾乎沒(méi)有影響。

　　8路紅外傳感器的數據通過(guò)光電耦合電路直接連接到ADSP2188M的高8位數據線(xiàn)上，實(shí)現并行采集。

PSD數據采集電路

　　PSD數據采集電路由4個(gè)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(guò)測量發(fā)射和反射紅外光之間的相位差來(lái)測量反射物體的距離，被測物體的顏色也不會(huì )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(shí)間較長(cháng)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化為輸出電壓的變化，可以連續的讀出距離。測量范圍為20~150cm，輸出電壓范圍0~2.7V。

系統的軟件描述

　　系統軟件主要由主循環(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(méi)有接收到回波，應該進(jìn)行適當的延時(shí)，避免在室內工作環(huán)境下超聲波的余波效應。

實(shí)驗結果

　　首先，我們對多傳感器數據采集系統中的超聲傳感器和PSD的測距性能進(jìn)行了測試：讓該系統的不同傳感器對同一個(gè)目標進(jìn)行測距，超聲傳感器的實(shí)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(guò)2％，精度完全能夠滿(mǎn)足一般移動(dòng)智能系統的要求。

　　同時(shí)，為了驗證整個(gè)多傳感器數據采集系統的實(shí)時(shí)性，我們計算了系統的主循環(huán)模塊在最差條件下(即所有的超聲傳感器都沒(méi)有探測到回波信號)，所用的時(shí)間約為35.33ms。也就是說(shuō)，系統數據的更新頻率能夠達到30Hz左右，證明系統有良好的實(shí)時(shí)性。

結語(yǔ)

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

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