劉靜

摘 要：本文基于CAN總線的傳感器網(wǎng)絡(luò)，圍繞智能機器人系統(tǒng)典型傳感器，設(shè)計標準網(wǎng)絡(luò)化傳感器節(jié)點作為機器人感知系統(tǒng)神經(jīng)元，并針對神經(jīng)元節(jié)點所涉及到的負載能力和通訊機制問題進行初步討論。

關(guān)鍵詞：機器人 感知 傳感器 通信

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：A 文章編號：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、上位機接口電路以及必要的外圍器件組成；模擬電路部分由信號調(diào)零電路、運算放大電路、模擬濾波電路以及電源組成。

在傳感器的設(shè)計中使用C8051F040的8路12位ADC中的6路來完成經(jīng)過模擬處理后的傳感器輸出信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，使用C8051F040自帶的CAN控制器配以發(fā)送驅(qū)動模塊與總線隔離模塊作為通訊端口，通過CAN總線接口方便與機器人CAN局部總線連接，實現(xiàn)現(xiàn)場傳感器節(jié)點的即插即用。

1 模擬信號處理與電源電路

模擬信號處理部分的主要功能是對傳感器輸出的信號進行預(yù)處理，對傳感器的信號進行檢測、放大、濾波等。

2 運算放大電路與調(diào)零電路

運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單片機片內(nèi)提供的高精度、低漂移基準電壓，傳感器經(jīng)過放大后的滿度信號輸出約為±1V，這就要求傳感器在無負載時經(jīng)過放大后的輸出為1.25V左右，也就是說調(diào)零電路將1.25V作為虛擬零點，將應(yīng)變橋的信號放大后的電壓調(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模擬信號進行濾波。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單片機的選擇

單片機傳感器數(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個串行接口、5個16位定時器、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)字電源以及硬件報警電路等必要的外圍器件組成；模擬電路部分由信號調(diào)零電路、運算放大電路、模擬濾波電路以及模擬電源組成。機器人傳感器數(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)動模塊電路的原理圖和CAN隔離模塊電路原理圖。

模擬信號處理部分的主要功能是對傳感器輸出的信號進行預(yù)處理，對傳感器的信號進行檢測、放大、濾波等。

運算放大電路中最重要的是放大器的選擇，在選擇放大器時，還要考慮到它的靈敏度、溫漂、抗干擾能力等性能。在我們設(shè)計的機器人傳感器中，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)，并對機器人感知系統(tǒng)神經(jīng)元節(jié)點負載能力與系統(tǒng)實時性能評估方法等相關(guān)問題進行初步的分析。

從實時性的角度考慮，設(shè)計感知系統(tǒng)時有以下建議供參考。

（1）減少系統(tǒng)信號獲取時間：對信號的硬件濾波電路進行優(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)處理時間：優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，將數(shù)據(jù)處理放在計算負載能力強，占用計算時間短的節(jié)點處理器端。

（3）減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時間，用簡潔的方法表示，簡潔的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理可能會減少通信數(shù)據(jù)的數(shù)量，但是要增加處理器的計算。

參考文獻

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