陸振林，張明慧，李 亮，李晶皎

(東北大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110004)

在智能控制類競賽中，能夠實時地了解終端平臺各參數(shù)信息進而優(yōu)化控制策略成為取得成功的一個重要因素。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法是使用串口線將PC機和設備終端連接，將設備的性能參數(shù)傳輸回PC機，實現(xiàn)監(jiān)測的目的。這種連接方式由于受到線纜長度和場地等因素的限制，不能滿足終端在長距離、運動狀態(tài)下實現(xiàn)實時數(shù)據傳輸?shù)囊?，在效能上大打折扣。針對以上缺點，本系統(tǒng)以“飛思卡爾”杯智能車大賽為背景，開發(fā)了基于藍牙技術的智能車實時監(jiān)測系統(tǒng)。

1 智能車監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

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，根據對射式光電管原理設計開發(fā)了速度傳感器。

在智能車運動狀態(tài)下，由微控制器對攝像頭采集的路徑信息和測速模塊采集的速度信息進行A/D轉換以及相關處理。在接收到用戶指令后，將相應的數(shù)據通過SCI端口發(fā)送給藍牙模塊，藍牙模塊再將數(shù)據以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到上位機。上位機對數(shù)據進行提取、處理、分析和顯示，實現(xiàn)對智能車的狀態(tài)進行實時監(jiān)控。同時，通過調整相應參數(shù)的指令，達到優(yōu)化自主控制策略的目的。圖1為智能車監(jiān)測系統(tǒng)的整體結構框圖。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體結構圖

2 智能車監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 CCD攝像頭信號的提取

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個端子：電源端、地端和視頻信號端。OV5116有效像素為320×240。CCD攝像頭輸出的是PAL制式的信號，每秒輸出50場(分為偶場和奇場)。為了有效地采樣攝像頭視頻信號，需要提取攝像頭信號中的行同步信號、行消隱信號和場同步信號。否則單片機將無法識別所接收到的視頻信號[1]。

系統(tǒng)采用美國國家半導體公司生產的LM1881芯片實現(xiàn)視頻信號的分離。LM1881視頻同步分離芯片從標準的視頻信號中抽取時間信息，包括復合同步、垂直同步等，其信號幅度為0.5 V～2 V。

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

2.2 速度傳感器的實現(xiàn)

對于速度的采集可以通過車速檢測裝置實現(xiàn)。其原理為：在車輪沒有打滑的情況下，車速與驅動電機的轉數(shù)成正比關系。為了滿足安裝簡便、價格低廉、測速準確等要求，系統(tǒng)根據對射式光電管的導通原理，以測頻法作為計算轉速的方法開發(fā)了測速模塊。該模塊的硬件主要包括：

(1)具有20個凹槽的光柵盤，其直徑與輪子內徑相同，為 4 cm；

(2)U型紅外對射管；

(3)頻/壓轉換芯片 LM2907。

測速模塊的工作原理為：固定光柵盤使其與電動機同軸，當電動機旋轉時，光柵盤同步旋轉。當光柵盤凹槽通過U型對射式紅外管時，紅外對射管接收端導通，輸出高電壓；當光柵盤葉片經過U型紅外對射管時，紅外對射管接收端斷開，輸出低電壓。隨著車輪帶動光柵碼盤旋轉，U型對射式紅外光電傳感器等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干通斷的脈沖信號，將信號連接到頻/壓轉換芯片LM2907，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù),與參考電壓進行比較，便可以得到速度相應的電壓值。

高校對待師生參與的態(tài)度在很大程度上決定了師生對待學校公共事務治理的態(tài)度和潛在心理取向。高校要對師生參與持歡迎的態(tài)度，以積極而開放的心態(tài)促進公民參與廉政文化建設，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，是我國高校廉政文化建設所要探索的道路和承擔的使命。

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 串口通訊模塊的實現(xiàn)

在微控制器中，若使用RS-232總線進行串行通訊，則需要外接電路實現(xiàn)電平轉換。在發(fā)送端需要用驅動電路將TTL電平轉換為RS-232電平，在接收端需要用接收電路將RS-232電平轉化為TTL電平[2]。本系統(tǒng)使用MAX232芯片實現(xiàn)電平轉換。

硬件電路搭建完成后，需要對串口進行初始化。串口初始化主要對各寄存器進行設置，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)設置SCI控制寄存器1(SCI0CR1)。本系統(tǒng)設置為正常操作模式，8位傳送，空閑喚醒，無奇偶校驗，即SCI0CR1=0x00。

(3)設置SCI控制寄存器2(SCI0CR2)。本系統(tǒng)的設置為：允許接收中斷請求，允許產生空閑中斷請求，允許數(shù)據的發(fā)送、接收請求。

2.4 數(shù)據采集及處理的實現(xiàn)

對于運動狀態(tài)信息的采集和處理，以及上位機控制指令的接收和發(fā)送的實現(xiàn)，都是以中斷形式進行的[3]。具體的流程如下。

(2)在場中斷中開啟IRQ中斷，即行中斷，并開始計數(shù)。由實驗測得一場圖像數(shù)據中前13行為消隱區(qū)，為無效數(shù)據。當計數(shù)器大于13行時，代表有效行開始，此時，在IRQ中斷函數(shù)中啟動定時器，定時6 μs，以便屏蔽行消隱，時間到，ATD0中斷，進行攝像頭數(shù)據的采集。

(3)在ATD0中斷中，對攝像頭數(shù)據進行A/D轉換，轉換后，對行標進行讀取，當行標達到 28行時，此時一幅圖像數(shù)據采集完畢，關閉ATD0中斷，開啟用于測速的ATD1中斷。

(4)在ATD1中斷中，對速度傳感器輸入的速度值進行A/D轉換，轉換完成后，關閉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,首先對指令進行判斷，然后根據指令的要求傳輸相應的數(shù)據或修改相應的參數(shù)。

2.5 藍牙通訊模塊的實現(xiàn)

由于藍牙具有傳輸距離遠，抗干擾能力強、功耗低、傳輸速率高的優(yōu)點，所以系統(tǒng)采用藍牙技術實現(xiàn)數(shù)據的無線通訊[4-6]。

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

圖4 藍牙模塊配置圖

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

2.6 藍牙模塊與上位機通訊的實現(xiàn)

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

圖5 上位機程序流程圖

需要注意的是，MSComm控件的Input和Output屬性接收和發(fā)送數(shù)據時，都需要通過一個OleVariant類作為中介。OleVariant類包括一個聯(lián)合體及一個變量，聯(lián)合體由各種類型的數(shù)據成員構成，而該變量則用來指明聯(lián)合體中目前起作用的數(shù)據類型。接收或發(fā)送的數(shù)據就存儲在該聯(lián)合體的某個數(shù)據成員中。在接收到OleVariant類型數(shù)據后，只有將數(shù)據轉化為用戶需要的類型，才可以對數(shù)據進行處理。

監(jiān)測系統(tǒng)對于智能車終端平臺有著不同的功能需求，包括控制智能車的啟動、停止，控制攝像頭數(shù)據傳輸、速度傳輸以及設置PID等。為了使智能車終端平臺能夠識別出不同的操作，需要對指令進行編碼，使控制臺和智能車終端平臺達成固定的通訊協(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：智能車啟動指令、PID設置指令。

考慮到指令的個數(shù)以及上位機中OleVariant數(shù)據類型的原因，為了減少傳輸過程的復雜性，本系統(tǒng)采用ASCII碼小于128的字符碼作為控制指令。對于控制指令中的參數(shù)，則以二進制編碼的方式傳遞。本文以PID參數(shù)設置指令為例，給出對應的指令格式，其中0x4D即M表示 PID設置指令，0x90即 Z表示結束指令，0x51、0x52、0x53分別表示 P、I、D參數(shù)設置起始標識符。具體表示如表1所示。

表1 PID控制指令格式

3 系統(tǒng)測試

在實時監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)完畢后，對系統(tǒng)進行了測試。系統(tǒng)測試是在封閉的實驗室環(huán)境中進行的，賽道采用智能車大賽專用賽道，光源為普通日光燈。

系統(tǒng)測試主要檢驗以下兩方面性能：(1)對智能車運動狀態(tài)下，賽道信息、速度信息的采集，在PC機上位機中顯示。(2)對智能車參數(shù)進行修改，并通過相應的圖像數(shù)據將修改前后的結果進行顯示、對比。

如圖6所示，在上位機中點擊“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顯示了智能車運動狀態(tài)下理想速度和測得的實時速度對照曲線。其中，實線為理想速度曲線，虛線為實測速度曲線。

圖7 速度曲線

圖8顯示了通過設置不同的AD閾值參數(shù)后，所對應的二值化圖像。

圖8 不同閾值二值化圖像

本文首先對智能車實時監(jiān)測系統(tǒng)總體架構設計進行了簡要的介紹，然后根據系統(tǒng)需求對整個系統(tǒng)進行了功能模塊的劃分，詳細闡述了系統(tǒng)各模塊的設計與實現(xiàn)，并對最終的系統(tǒng)進行了功能測試。通過測試的結果可以看到，該系統(tǒng)具有界面友好、功能完善等特點，完全滿足智能車輔助調試的需求。同時，基于藍牙技術實現(xiàn)的無線數(shù)據采集系統(tǒng)可以推廣多個領域。如工業(yè)控制領域、醫(yī)療領域、家居智能化領域。所以此系統(tǒng)的技術有著較為廣闊的應用前景。

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