一種基于ADSP-2188M的多傳感器數據采集系統

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境信息的傳感器系統是至關重要的。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現過程。該系統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中。

關鍵詞：DSP；超聲波傳感器；PSD

引言

　　在自主移動機器人系統、智能輪椅、自動制導車輛等智能移動系統中，需要實時地采集未知和不確定環境中的信息，以完成避障、環境地圖繪制、導航、定位等運作，然后進行路徑規劃等任務。這些任務必須依靠能實時感知環境信息的傳感器系統來完成。為了在復雜環境中獲取有效的信息，這些系統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，硬件實現簡單等優點，被廣泛地應用到感知系統中。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中還實現了紅外傳感器和相位敏感器件(PSD)的數據采集。

　　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。本文著重介紹該系統的軟、硬件設計和工作原理，并給出實驗結果。

系統的硬件設計

　　整個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。由于系統對傳感器的信息已經進行了集中的預處理，與PC上位機進行通信的數據量將得到很大的降低，RS232串口通信方式已經能夠滿足系統在實時性方面的要求。

超聲波環境探測電路

　　超聲波探測電路主要由16路超聲波發生電路和超聲波接收電路等模塊組成。移動智能系統在運動過程中需要實時地了解環境信息，常常根據實際需要將超聲傳感器均勻地布置在系統四周，從而構成環境探測系統。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。測量超聲波從發射到返回的時間間隔t，然后根據式(1)計算距離。

　　超聲波發射部分主要由激勵信號發生電路，緩沖升壓放大和超聲波換能器等環節構成。超聲波發射過程是：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，不會影響系統的實時性。

　　超聲波的接收與發射必須協調一致工作，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、整形觸發輸出等環節組成，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)，所以需要經過多級信號放大處理。本系統采用了三級放大處理，將信號放大約150萬倍，然后經整形電路輸出。4路超聲傳感器接收電路將經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時工作電流為25mA左右，而在動態工作時可達60mA。因而，紅外傳感器陣列的使用將會對系統的供電系統帶來很大的負擔。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。經過實驗測定，該電子開關的反應速度達到5.6μs，對系統的實時性幾乎沒有影響。

　　8路紅外傳感器的數據通過光電耦合電路直接連接到ADSP2188M的高8位數據線上，實現并行采集。

PSD數據采集電路

　　PSD數據采集電路由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�郵薄Ｑ郵幣院缶涂梢鑰�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，應該進行適當的延時，避免在室內工作環境下超聲波的余波效應。

實驗結果

　　首先，我們對多傳感器數據采集系統中的超聲傳感器和PSD的測距性能進行了測試：讓該系統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的要求。

　　同時，為了驗證整個多傳感器數據采集系統的實時性，我們計算了系統的主循環模塊在最差條件下(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，系統數據的更新頻率能夠達到30Hz左右，證明系統有良好的實時性。

結語

　　本文研究了一種高性能、低成本、低功耗多傳感器數據采集系統的硬、軟件實現和工作原理。系統以高性能的數字信號處理器ADSP2188M為核心處理器，集中實現多個紅外、超聲和PSD傳感器數據的采集和傳輸。實驗驗證了硬件系統的可靠性、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