一种基于ADSP-2188M的多传感器数据采集系统
摘 要： 在移动智能体的研制中，能够实时地探测周围环境信息的传感器系统是至关重要的。本文介绍了一种以dsp-adsp-2188m为核心的传感器数据采集系统的软、硬件设计和工作原理，以及与上位机通信的设计和实现过程。该系统可以应用于移动机器人、智能轮椅、自动制导车辆等移动智能系统中。
引言
在自主移动机器人系统、智能轮椅、自动制导车辆等智能移动系统中，需要实时地采集未知和不确定环境中的信息，以完成避障、环境地图绘制、导航、定位等运作，然后进行路径规划等任务。这些任务必须依靠能实时感知环境信息的传感器系统来完成。为了在复杂环境中获取有效的信息，这些系统往往安装有种类各异的传感器。目前，常用的有视觉、激光、红外、超声等传感器。激光传感器价格昂贵，而且在室内的结构化环境中存在镜面反射的问题。同时，超声波传感器以其性价比高，硬件实现简单等优点，被广泛地应用到感知系统中。同时，超声传感器也面临镜面反射的问题，方向性上也有欠缺。所以，在众多传感器采集系统中还实现了红外传感器和相位敏感器件(psd)的数据采集。
随着微电子技术和计算机集成芯片制造技术的不断发展和成熟，数字信号处理芯片(dsp)由于其快速的计算能力，不仅广泛应用于通信与视频信号处理，也逐渐应用在各种高级的控制系统中。ad公司的adsp-21xx系列提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力和解决方案。其中的adsp-2188m指令执行速度高达75mips，加上独立的算术逻辑单元，拥有强大的数字信号处理能力。此外，大容量的ram被集成到该芯片内，以形成真正的单芯片控制器，可以极大地简化外围电路设计，降低系统成本和系统复杂度，也大大提高了数据的存储处理能力。我们设计的多传感器数据采集系统以adsp-2188m为核心控制器。本文着重介绍该系统的软、硬件设计和工作原理，并给出实验结果。
图1 多传感器数据采集系统方框图
图2 超声波接收电路
图3 系统软件流程图
系统的硬件设计
整个多传感器数据采集系统的结构如图1所示。从图中可以看出，系统由dsp主控制器、超声波环境探测电路、红外传感器数据采集电路、psd数据采集电路和通信模块等部分组成。系统的核心为adsp 2188m，主要完成对各种传感器的控制，信号的发射与接收，信息的融合及与上位pc主机进行通讯等功能。由于系统对传感器的信息已经进行了集中的预处理，与pc上位机进行通信的数据量将得到很大的降低，rs232串口通信方式已经能够满足系统在实时性方面的要求。
超声波环境探测电路
超声波探测电路主要由16路超声波发生电路和超声波接收电路等模块组成。移动智能系统在运动过程中需要实时地了解环境信息，常常根据实际需要将超声传感器均匀地布置在系统四周，从而构成环境探测系统。超声测距的原理较简单，一般采用渡越时间法，即：
d=ct / 2 (1)
其中d为移动机器人与被测障碍物之间的距离，c为声波在介质中的传输速率，t为渡越时间，声波在空气中传输速率为：
(2)
其中，ｔ为绝对温度。在不要求测距精度很高的情况下，一般可以认为c为常数。测量超声波从发射到返回的时间间隔t，然后根据式(1)计算距离。
超声波发射部分主要由激励信号发生电路，缓冲升压放大和超声波换能器等环节构成。超声波发射过程是：首先由dsp控制多路模拟开关adg438f，选择性地启动16路发射电路中的4路。然后由adsp2188m的一个i/o口产生脉宽为25μs的40khz的调制脉冲波，通过缓冲放大器7406，再经变压器升压放大电路产生幅度达60v的瞬间高能激励信号，同时激发4路超声换能器产生超声波信号。adg438f的最大开启时间为250ns，不会影响系统的实时性。
超声波的接收与发射必须协调一致工作，才能保证信号准确灵敏的接收。接收部分主要由接收换能器、放大滤波、整形触发输出等环节组成，如图2所示。由于超声波在传播中，其能量会随传输距离的增大而减小，从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱(为mv级)，所以需要经过多级信号放大处理。本系统采用了三级放大处理，将信号放大约150万倍，然后经整形电路输出。4路超声传感器接收电路将经过整形以后的信号作为中断申请信号，通过多路模拟开关再接入adsp-2188m的外部中断引脚，触发dsp的外部中断。
实验测得该超声传感器的灵敏范围大约为30度，测距范围为0.30~3m，重复测距精度在1％以内。
红外传感器数据采集电路
红外传感器数据采集模块主要由8路红外传感器、光电隔离电路和电子开关组成。红外传感器的探测距离一般比较短，通常被用作近距离障碍目标的识别，可以在一定程度上弥补超声传感器盲区特性的不足。其输出为0或1的开关量。红外传感器一般在静态时工作电流为25ma左右，而在动态工作时可达60ma。因而，红外传感器阵列的使用将会对系统的供电系统带来很大的负担。为此，在红外传感器数据采集模块中引入三极管的电子开关，控制红外传感器的供电电源，当需要采集红外传感器信息时，才接通红外传感器的电源。经过实验测定，该电子开关的反应速度达到5.6μs，对系统的实时性几乎没有影响。
8路红外传感器的数据通过光电耦合电路直接连接到adsp2188m的高8位数据线上，实现并行采集。
psd数据采集电路
psd数据采集电路由4个psd传感器组成，用于目标距离的检测。它的工作原理就是通过测量发射和反射红外光之间的相位差来测量反射物体的距离，被测物体的颜色也不会影响其测距精度。psd可以弥补超声传感器方向性差，测量响应时间较长等缺点。我们使用的是sharp公司的gp2y0a02yk红外测距器件。该器件能够把相位差的变化转化为输出电压的变化，可以连续的读出距离。测量范围为20~150cm，输出电压范围0~2.7v。
系统的软件描述
系统软件主要由主循环模块、超声回波中断接收模块、通讯模块等组成。具体流程图如图3所示。
隙钔獾氖奔淅醋槌擅で?邮薄ｑ邮币院缶涂梢钥?敉獠恐卸希?⒀?返却©超声回波信号。最后，不管有没有接收到回波，应该进行适当的延时，避免在室内工作环境下超声波的余波效应。
实验结果
首先，我们对多传感器数据采集系统中的超声传感器和psd的测距性能进行了测试：让该系统的不同传感器对同一个目标进行测距，超声传感器的实际结果如表1所示。试验证明两种传感器的重复测量精度均在1％之内，两者之间的误差也不超过2％，精度完全能够满足一般移动智能系统的要求。
同时，为了验证整个多传感器数据采集系统的实时性，我们计算了系统的主循环模块在最差条件下(即所有的超声传感器都没有探测到回波信号)，所用的时间约为35.33ms。也就是说，系统数据的更新频率能够达到30hz左右，证明系统有良好的实时性。
结语
本文研究了一种高性能、低成本、低功耗多传感器数据采集系统的硬、软件实现和工作原理。系统以高性能的数字信号处理器adsp2188m为核心处理器，集中实现多个红外、超声和psd传感器数据的采集和传输。实验验证了硬件系统的可靠性、实时性和算法的有效性。
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随着微电子技术和计算机集成芯片制造技术的不断发展和成熟，数字信号处理芯片(dsp)由于其快速的计算能力，不仅广泛应用于通信与视频信号处理，也逐渐应用在各种高级的控制系统中。ad公司的adsp-21xx系列提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力和解决方案。其中的adsp-2188m指令执行速度高达75mips，加上独立的算术逻辑单元，拥有强大的数字信号处理能力。此外，大容量的ram被集成到该芯片内，以形成真正的单芯片控制器，可以极大地简化外围电路设计，降低系统成本和系统复杂度，也大大提高了数据的存储处理能力。我们设计的多传感器数据采集系统以adsp-2188m为核心控制器。本文着重介绍该系统的软、硬件设计和工作原理，并给出实验结果。
图1 多传感器数据采集系统方框图
图2 超声波接收电路
图3 系统软件流程图
系统的硬件设计
整个多传感器数据采集系统的结构如图1所示。从图中可以看出，系统由dsp主控制器、超声波环境探测电路、红外传感器数据采集电路、psd数据采集电路和通信模块等部分组成。系统的核心为adsp 2188m，主要完成对各种传感器的控制，信号的发射与接收，信息的融合及与上位pc主机进行通讯等功能。由于系统对传感器的信息已经进行了集中的预处理，与pc上位机进行通信的数据量将得到很大的降低，rs232串口通信方式已经能够满足系统在实时性方面的要求。
超声波环境探测电路
超声波探测电路主要由16路超声波发生电路和超声波接收电路等模块组成。移动智能系统在运动过程中需要实时地了解环境信息，常常根据实际需要将超声传感器均匀地布置在系统四周，从而构成环境探测系统。超声测距的原理较简单，一般采用渡越时间法，即：
d=ct / 2 (1)
其中d为移动机器人与被测障碍物之间的距离，c为声波在介质中的传输速率，t为渡越时间，声波在空气中传输速率为：
(2)
其中，ｔ为绝对温度。在不要求测距精度很高的情况下，一般可以认为c为常数。测量超声波从发射到返回的时间间隔t，然后根据式(1)计算距离。
超声波发射部分主要由激励信号发生电路，缓冲升压放大和超声波换能器等环节构成。超声波发射过程是：首先由dsp控制多路模拟开关adg438f，选择性地启动16路发射电路中的4路。然后由adsp2188m的一个i/o口产生脉宽为25μs的40khz的调制脉冲波，通过缓冲放大器7406，再经变压器升压放大电路产生幅度达60v的瞬间高能激励信号，同时激发4路超声换能器产生超声波信号。adg438f的最大开启时间为250ns，不会影响系统的实时性。
超声波的接收与发射必须协调一致工作，才能保证信号准确灵敏的接收。接收部分主要由接收换能器、放大滤波、整形触发输出等环节组成，如图2所示。由于超声波在传播中，其能量会随传输距离的增大而减小，从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱(为mv级)，所以需要经过多级信号放大处理。本系统采用了三级放大处理，将信号放大约150万倍，然后经整形电路输出。4路超声传感器接收电路将经过整形以后的信号作为中断申请信号，通过多路模拟开关再接入adsp-2188m的外部中断引脚，触发dsp的外部中断。
实验测得该超声传感器的灵敏范围大约为30度，测距范围为0.30~3m，重复测距精度在1％以内。
红外传感器数据采集电路
红外传感器数据采集模块主要由8路红外传感器、光电隔离电路和电子开关组成。红外传感器的探测距离一般比较短，通常被用作近距离障碍目标的识别，可以在一定程度上弥补超声传感器盲区特性的不足。其输出为0或1的开关量。红外传感器一般在静态时工作电流为25ma左右，而在动态工作时可达60ma。因而，红外传感器阵列的使用将会对系统的供电系统带来很大的负担。为此，在红外传感器数据采集模块中引入三极管的电子开关，控制红外传感器的供电电源，当需要采集红外传感器信息时，才接通红外传感器的电源。经过实验测定，该电子开关的反应速度达到5.6μs，对系统的实时性几乎没有影响。
8路红外传感器的数据通过光电耦合电路直接连接到adsp2188m的高8位数据线上，实现并行采集。
psd数据采集电路
psd数据采集电路由4个psd传感器组成，用于目标距离的检测。它的工作原理就是通过测量发射和反射红外光之间的相位差来测量反射物体的距离，被测物体的颜色也不会影响其测距精度。psd可以弥补超声传感器方向性差，测量响应时间较长等缺点。我们使用的是sharp公司的gp2y0a02yk红外测距器件。该器件能够把相位差的变化转化为输出电压的变化，可以连续的读出距离。测量范围为20~150cm，输出电压范围0~2.7v。
系统的软件描述
系统软件主要由主循环模块、超声回波中断接收模块、通讯模块等组成。具体流程图如图3所示。
隙钔獾氖奔淅醋槌擅で?邮薄ｑ邮币院缶涂梢钥?敉獠恐卸希?⒀?返却©超声回波信号。最后，不管有没有接收到回波，应该进行适当的延时，避免在室内工作环境下超声波的余波效应。
实验结果
首先，我们对多传感器数据采集系统中的超声传感器和psd的测距性能进行了测试：让该系统的不同传感器对同一个目标进行测距，超声传感器的实际结果如表1所示。试验证明两种传感器的重复测量精度均在1％之内，两者之间的误差也不超过2％，精度完全能够满足一般移动智能系统的要求。
同时，为了验证整个多传感器数据采集系统的实时性，我们计算了系统的主循环模块在最差条件下(即所有的超声传感器都没有探测到回波信号)，所用的时间约为35.33ms。也就是说，系统数据的更新频率能够达到30hz左右，证明系统有良好的实时性。
结语
本文研究了一种高性能、低成本、低功耗多传感器数据采集系统的硬、软件实现和工作原理。系统以高性能的数字信号处理器adsp2188m为核心处理器，集中实现多个红外、超声和psd传感器数据的采集和传输。实验验证了硬件系统的可靠性、实时性和算法的有效性。
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