智能機(jī)器人感知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

劉靜

摘 要：本文基于CAN總線的傳感器網(wǎng)絡(luò)，圍繞智能機(jī)器人系統(tǒng)典型傳感器，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)化傳感器節(jié)點(diǎn)作為機(jī)器人感知系統(tǒng)神經(jīng)元，并針對(duì)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)所涉及到的負(fù)載能力和通訊機(jī)制問(wèn)題進(jìn)行初步討論。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 感知 傳感器 通信

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（b）-0009-02

傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件由數(shù)字電路和模擬電路兩部分構(gòu)成，其中數(shù)字電路部分由C8051F040單片機(jī)、上位機(jī)接口電路以及必要的外圍器件組成；模擬電路部分由信號(hào)調(diào)零電路、運(yùn)算放大電路、模擬濾波電路以及電源組成。

在傳感器的設(shè)計(jì)中使用C8051F040的8路12位ADC中的6路來(lái)完成經(jīng)過(guò)模擬處理后的傳感器輸出信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，使用C8051F040自帶的CAN控制器配以發(fā)送驅(qū)動(dòng)模塊與總線隔離模塊作為通訊端口，通過(guò)CAN總線接口方便與機(jī)器人CAN局部總線連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的即插即用。

1 模擬信號(hào)處理與電源電路

模擬信號(hào)處理部分的主要功能是對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、放大、濾波等。

2 運(yùn)算放大電路與調(diào)零電路

運(yùn)算放大電路中最重要的是放大器的選擇，在系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換中，選擇C8051F040單片機(jī)片內(nèi)提供的高精度、低漂移基準(zhǔn)電壓，傳感器經(jīng)過(guò)放大后的滿度信號(hào)輸出約為±1V，這就要求傳感器在無(wú)負(fù)載時(shí)經(jīng)過(guò)放大后的輸出為1.25V左右，也就是說(shuō)調(diào)零電路將1.25V作為虛擬零點(diǎn)，將應(yīng)變橋的信號(hào)放大后的電壓調(diào)整到適合作為AD輸入的范圍。

3 模擬濾波電路

本文采用了巴特沃斯四階低通濾波器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波。根據(jù)要求選擇合適的截止頻率，圖2是用史密特觸發(fā)器振蕩器自定時(shí)的單電源工作的濾波器的連接使用電路原理圖。

4 C8051F040單片機(jī)的選擇

單片機(jī)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，芯片選擇尤其重要，C8051F040單片機(jī)具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它具有64 kB Flash、4352B RAM、CAN2.0控制器、2個(gè)串行接口、5個(gè)16位定時(shí)器、8路12位A/D轉(zhuǎn)換器、8位A/D轉(zhuǎn)換器及12位D/A轉(zhuǎn)換器等，內(nèi)部同時(shí)帶有JTAG接口，使調(diào)試變得非常方便。

5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路分為數(shù)字電路部分和模擬電路部分，其中數(shù)字電路部分由C8051F040單片機(jī)最小系統(tǒng)和CAN通信接口電路、JTAG調(diào)試電路以及數(shù)字電源以及硬件報(bào)警電路等必要的外圍器件組成；模擬電路部分由信號(hào)調(diào)零電路、運(yùn)算放大電路、模擬濾波電路以及模擬電源組成。機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖4、圖5分別給出了CAN驅(qū)動(dòng)模塊電路的原理圖和CAN隔離模塊電路原理圖。

模擬信號(hào)處理部分的主要功能是對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、放大、濾波等。

運(yùn)算放大電路中最重要的是放大器的選擇，在選擇放大器時(shí)，還要考慮到它的靈敏度、溫漂、抗干擾能力等性能。在我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人傳感器中，放大器選擇單電源、滿電源幅度輸出的儀表放大器，增益選擇為800左右，放大后的滿度信號(hào)輸出大約為±1V。圖7給出了模擬放大部分的電路原理圖。

本文的主要內(nèi)容是采用基于CAN總線的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并對(duì)機(jī)器人感知系統(tǒng)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)負(fù)載能力與系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能評(píng)估方法等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行初步的分析。

從實(shí)時(shí)性的角度考慮，設(shè)計(jì)感知系統(tǒng)時(shí)有以下建議供參考。

（1）減少系統(tǒng)信號(hào)獲取時(shí)間：對(duì)信號(hào)的硬件濾波電路進(jìn)行優(yōu)化，比如選擇合適的AD模塊并合理配置AD的工作方式。

（2）減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理時(shí)間：優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，將數(shù)據(jù)處理放在計(jì)算負(fù)載能力強(qiáng)，占用計(jì)算時(shí)間短的節(jié)點(diǎn)處理器端。

（3）減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，用簡(jiǎn)潔的方法表示，簡(jiǎn)潔的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理可能會(huì)減少通信數(shù)據(jù)的數(shù)量，但是要增加處理器的計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣新松.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994，1.

[2] 羅志增，蔣靜坪，機(jī)器人感覺(jué)與多信息融合[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002，6：12-13，137-139.

[3] 蔣新松.機(jī)器人與工業(yè)自動(dòng)化[M].石家莊：河北教育出版社，2003，4：317-319.

[4] MSI公司.機(jī)器人傳感皮膚中的智敏傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].傳感器世界，1998，2.endprint