基于藍(lán)牙技術(shù)的智能車實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究*

陸振林，張明慧，李 亮，李晶皎

(東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004)

在智能控制類競(jìng)賽中，能夠?qū)崟r(shí)地了解終端平臺(tái)各參數(shù)信息進(jìn)而優(yōu)化控制策略成為取得成功的一個(gè)重要因素。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法是使用串口線將PC機(jī)和設(shè)備終端連接，將設(shè)備的性能參數(shù)傳輸回PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的目的。這種連接方式由于受到線纜長(zhǎng)度和場(chǎng)地等因素的限制，不能滿足終端在長(zhǎng)距離、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，在效能上大打折扣。針?duì)以上缺點(diǎn)，本系統(tǒng)以“飛思卡爾”杯智能車大賽為背景，開發(fā)了基于藍(lán)牙技術(shù)的智能車實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 智能車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用Freescale公司的MC9S12DG128作為智能車主控芯片，采用CCD OV5116單板攝像頭作為路況信息采集傳感器，根據(jù)對(duì)射式光電管原理設(shè)計(jì)開發(fā)了速度傳感器。

在智能車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，由微控制器對(duì)攝像頭采集的路徑信息和測(cè)速模塊采集的速度信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以及相關(guān)處理。在接收到用戶指令后，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過SCI端口發(fā)送給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊再將數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理、分析和顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，通過調(diào)整相應(yīng)參數(shù)的指令，達(dá)到優(yōu)化自主控制策略的目的。圖1為智能車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 智能車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 CCD攝像頭信號(hào)的提取

系統(tǒng)采用CCD OV5116單板攝像頭作為路徑采集傳感器。OV5116單板攝像頭有3個(gè)端子：電源端、地端和視頻信號(hào)端。OV5116有效像素為320×240。CCD攝像頭輸出的是PAL制式的信號(hào)，每秒輸出50場(chǎng)(分為偶場(chǎng)和奇場(chǎng))。為了有效地采樣攝像頭視頻信號(hào)，需要提取攝像頭信號(hào)中的行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)。否則單片機(jī)將無法識(shí)別所接收到的視頻信號(hào)[1]。

系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM1881芯片實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的分離。LM1881視頻同步分離芯片從標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)中抽取時(shí)間信息，包括復(fù)合同步、垂直同步等，其信號(hào)幅度為0.5 V～2 V。

圖2為視頻信號(hào)分離的電路原理圖。視頻信號(hào)通過一個(gè)電容接至LM1881的2腳，即可以得到啟動(dòng)A/D采樣的控制信號(hào)。系統(tǒng)將CSO作為行同步信號(hào)。將7腳輸出的奇/偶場(chǎng)同步信號(hào)O/E與PH0口連接，作為場(chǎng)中斷的觸發(fā)信號(hào)。

2.2 速度傳感器的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于速度的采集可以通過車速檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)。其原理為：在車輪沒有打滑的情況下，車速與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)成正比關(guān)系。為了滿足安裝簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、測(cè)速準(zhǔn)確等要求，系統(tǒng)根據(jù)對(duì)射式光電管的導(dǎo)通原理，以測(cè)頻法作為計(jì)算轉(zhuǎn)速的方法開發(fā)了測(cè)速模塊。該模塊的硬件主要包括：

(1)具有20個(gè)凹槽的光柵盤，其直徑與輪子內(nèi)徑相同，為 4 cm；

(2)U型紅外對(duì)射管；

(3)頻/壓轉(zhuǎn)換芯片 LM2907。

測(cè)速模塊的工作原理為：固定光柵盤使其與電動(dòng)機(jī)同軸，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)光柵盤凹槽通過U型對(duì)射式紅外管時(shí)，紅外對(duì)射管接收端導(dǎo)通，輸出高電壓；當(dāng)光柵盤葉片經(jīng)過U型紅外對(duì)射管時(shí)，紅外對(duì)射管接收端斷開，輸出低電壓。隨著車輪帶動(dòng)光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，U型對(duì)射式紅外光電傳感器等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干通斷的脈沖信號(hào)，將信號(hào)連接到頻/壓轉(zhuǎn)換芯片LM2907，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù),與參考電壓進(jìn)行比較，便可以得到速度相應(yīng)的電壓值。

高校對(duì)待師生參與的態(tài)度在很大程度上決定了師生對(duì)待學(xué)校公共事務(wù)治理的態(tài)度和潛在心理取向。高校要對(duì)師生參與持歡迎的態(tài)度，以積極而開放的心態(tài)促進(jìn)公民參與廉政文化建設(shè)，支持師生歷練組織生活理性和參與公共生活技能。探索師生理性參與的渠道，尋求有效的公民參與手段，是我國(guó)高校廉政文化建設(shè)所要探索的道路和承擔(dān)的使命。

需要注意的是，必須抬高11引腳（參考電壓端）的電壓，否則將不能得到與輸入頻率相應(yīng)的輸出電壓值。圖3為速度傳感器原理圖。

2.3 串口通訊模塊的實(shí)現(xiàn)

在微控制器中，若使用RS-232總線進(jìn)行串行通訊，則需要外接電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。在發(fā)送端需要用驅(qū)動(dòng)電路將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，在接收端需要用接收電路將RS-232電平轉(zhuǎn)化為TTL電平[2]。本系統(tǒng)使用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

硬件電路搭建完成后，需要對(duì)串口進(jìn)行初始化。串口初始化主要對(duì)各寄存器進(jìn)行設(shè)置，所涉及到的寄存器有 SCI0BDL、SCI0CR1、SCI0CR2。 具體過程如下：

(1)定義波特率。本系統(tǒng)總線頻率為f=32 MHz。MC9S12DG128的SCI端口最高速率為115 200 b/s，分別將總線時(shí)鐘和波特率115 200 b/s代入公式Bt=BUS_CLK/(16×BR)，可以得到 SCI0BDL=17,即 SCI0BDL=0xD0，SCI0DH=0x00。

(2)設(shè)置SCI控制寄存器1(SCI0CR1)。本系統(tǒng)設(shè)置為正常操作模式，8位傳送，空閑喚醒，無奇偶校驗(yàn)，即SCI0CR1=0x00。

(3)設(shè)置SCI控制寄存器2(SCI0CR2)。本系統(tǒng)的設(shè)置為：允許接收中斷請(qǐng)求，允許產(chǎn)生空閑中斷請(qǐng)求，允許數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收請(qǐng)求。

2.4 數(shù)據(jù)采集及處理的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的采集和處理，以及上位機(jī)控制指令的接收和發(fā)送的實(shí)現(xiàn)，都是以中斷形式進(jìn)行的[3]。具體的流程如下。

(2)在場(chǎng)中斷中開啟IRQ中斷，即行中斷，并開始計(jì)數(shù)。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)中前13行為消隱區(qū)，為無效數(shù)據(jù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器大于13行時(shí)，代表有效行開始，此時(shí)，在IRQ中斷函數(shù)中啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)6 μs，以便屏蔽行消隱，時(shí)間到，ATD0中斷，進(jìn)行攝像頭數(shù)據(jù)的采集。

(3)在ATD0中斷中，對(duì)攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后，對(duì)行標(biāo)進(jìn)行讀取，當(dāng)行標(biāo)達(dá)到 28行時(shí)，此時(shí)一幅圖像數(shù)據(jù)采集完畢，關(guān)閉ATD0中斷，開啟用于測(cè)速的ATD1中斷。

(4)在ATD1中斷中，對(duì)速度傳感器輸入的速度值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，關(guān)閉ATD1中斷，開啟用于接收指令的SCI0串口中斷。

(5)在SCI0串口中斷中，如果接收到控制指令,首先對(duì)指令進(jìn)行判斷，然后根據(jù)指令的要求傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)或修改相應(yīng)的參數(shù)。

2.5 藍(lán)牙通訊模塊的實(shí)現(xiàn)

由于藍(lán)牙具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)，所以系統(tǒng)采用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通訊[4-6]。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾屎透呖煽啃?，并縮短開發(fā)周期，本系統(tǒng)選用金甌公司生產(chǎn)的搭載CSR公司DC219159BL藍(lán)牙芯片的模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)的協(xié)議有LMP、HCI、LZCAP、SDP、RFCOMM、 藍(lán)牙串行協(xié)議(Bluetooth Serial Port Profile)。同時(shí)該模塊具有如下特點(diǎn)：內(nèi)置天線、有效距離 10 m、工作溫度-25℃～+85℃，標(biāo)準(zhǔn) UART接口；支持多種波特率，最大可達(dá)到1.384 Mb/s；自動(dòng)節(jié)能模式；支持低功耗工作模式/高速工作模式。

圖4 藍(lán)牙模塊配置圖

藍(lán)牙模塊使用前，需要對(duì)其進(jìn)行配置，其配置界面如圖4所示。具體的配置步驟為：(1)將Cmd/Data開關(guān)撥到Cmd一側(cè)；(2)選擇計(jì)算機(jī)與藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊通訊的串口，并保證底板正確接到串口，同時(shí)該串口沒有被其他軟件占用；(3)選擇流控制方式；(4)設(shè)置內(nèi)嵌模塊的名稱，只支持英文名稱；(5)設(shè)置藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊作為主設(shè)備，若沒有選中，則為從設(shè)備，當(dāng)雙方都使用藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊時(shí)，必須是一個(gè)作為主設(shè)備、一個(gè)作為從設(shè)備；(6)判定是否綁定對(duì)方設(shè)備地址，打勾表示在此次連接匹配以后，將不能與其他設(shè)備再進(jìn)行連接，而只能限制連接該設(shè)備地址。反之，則允許連接匹配任何設(shè)備；(7)設(shè)備的類別，主從設(shè)備必須相同，或主設(shè)備使用0x000000，從設(shè)備可以任意；(8)參數(shù)設(shè)置完畢后，請(qǐng)將Cmd/Data開關(guān)撥到Data一側(cè)，使修改后的參數(shù)生效。

2.6 藍(lán)牙模塊與上位機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上位機(jī)的軟件是在C++builder6.0編譯環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的。通過調(diào)用C++buider中MSComm(Microsoft Communications Control)控件，采用事件觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)串口通訊[7]。上位機(jī)通訊流程如圖5所示。

圖5 上位機(jī)程序流程圖

需要注意的是，MSComm控件的Input和Output屬性接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都需要通過一個(gè)OleVariant類作為中介。OleVariant類包括一個(gè)聯(lián)合體及一個(gè)變量，聯(lián)合體由各種類型的數(shù)據(jù)成員構(gòu)成，而該變量則用來指明聯(lián)合體中目前起作用的數(shù)據(jù)類型。接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)在該聯(lián)合體的某個(gè)數(shù)據(jù)成員中。在接收到OleVariant類型數(shù)據(jù)后，只有將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為用戶需要的類型，才可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于智能車終端平臺(tái)有著不同的功能需求，包括控制智能車的啟動(dòng)、停止，控制攝像頭數(shù)據(jù)傳輸、速度傳輸以及設(shè)置PID等。為了使智能車終端平臺(tái)能夠識(shí)別出不同的操作，需要對(duì)指令進(jìn)行編碼，使控制臺(tái)和智能車終端平臺(tái)達(dá)成固定的通訊協(xié)議。所建立的通訊協(xié)議都是基于可靠無線傳輸?shù)摹?/p>

本系統(tǒng)的操作指令分為無參數(shù)的指令和有參數(shù)的指令。無參數(shù)指令包括：攝像頭數(shù)據(jù)傳輸指令、速度值傳輸指令、智能車停止指令；有參數(shù)的指令包括：智能車啟動(dòng)指令、PID設(shè)置指令。

考慮到指令的個(gè)數(shù)以及上位機(jī)中OleVariant數(shù)據(jù)類型的原因，為了減少傳輸過程的復(fù)雜性，本系統(tǒng)采用ASCII碼小于128的字符碼作為控制指令。對(duì)于控制指令中的參數(shù)，則以二進(jìn)制編碼的方式傳遞。本文以PID參數(shù)設(shè)置指令為例，給出對(duì)應(yīng)的指令格式，其中0x4D即M表示 PID設(shè)置指令，0x90即 Z表示結(jié)束指令，0x51、0x52、0x53分別表示 P、I、D參數(shù)設(shè)置起始標(biāo)識(shí)符。具體表示如表1所示。

表1 PID控制指令格式

3 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)完畢后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試是在封閉的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的，賽道采用智能車大賽專用賽道，光源為普通日光燈。

系統(tǒng)測(cè)試主要檢驗(yàn)以下兩方面性能：(1)對(duì)智能車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，賽道信息、速度信息的采集，在PC機(jī)上位機(jī)中顯示。(2)對(duì)智能車參數(shù)進(jìn)行修改，并通過相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)將修改前后的結(jié)果進(jìn)行顯示、對(duì)比。

如圖6所示，在上位機(jī)中點(diǎn)擊“原始圖像采集”按鈕后，就可以看到原始圖像。

圖6 圖像采集與顯示界面

圖7顯示了智能車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下理想速度和測(cè)得的實(shí)時(shí)速度對(duì)照曲線。其中，實(shí)線為理想速度曲線，虛線為實(shí)測(cè)速度曲線。

圖7 速度曲線

圖8顯示了通過設(shè)置不同的AD閾值參數(shù)后，所對(duì)應(yīng)的二值化圖像。

圖8 不同閾值二值化圖像

本文首先對(duì)智能車實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，然后根據(jù)系統(tǒng)需求對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了功能模塊的劃分，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并對(duì)最終的系統(tǒng)進(jìn)行了功能測(cè)試。通過測(cè)試的結(jié)果可以看到，該系統(tǒng)具有界面友好、功能完善等特點(diǎn)，完全滿足智能車輔助調(diào)試的需求。同時(shí)，基于藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以推廣多個(gè)領(lǐng)域。如工業(yè)控制領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、家居智能化領(lǐng)域。所以此系統(tǒng)的技術(shù)有著較為廣闊的應(yīng)用前景。

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