董改花，孫榮川，孫立寧，郭秀華DONG Gai-hua， SUN Rong-chuan， SUN Li-ning， GUO Xiu-hua（.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院SOC研發(fā)中心，蘇州 5009；.蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，蘇州 5000）

基于CAN總線的移動(dòng)機(jī)器人超聲波測(cè)距模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

董改花1，2，孫榮川2，孫立寧2，郭秀華1
DONG Gai-hua1，2， SUN Rong-chuan2， SUN Li-ning2， GUO Xiu-hua1
（1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院SOC研發(fā)中心，蘇州 215009；2.蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，蘇州 215000）

面向當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)模塊化及通用接口標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的迫切需求，以TMS320F2812 DSP芯片增強(qiáng)型eCAN為核心，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人常用的超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行通用標(biāo)準(zhǔn)化CAN口設(shè)計(jì)。主要包括eCAN標(biāo)準(zhǔn)化接口硬件電路設(shè)計(jì)及超聲波信號(hào)處理流程等。試驗(yàn)結(jié)果證明，本超聲波測(cè)距模塊標(biāo)準(zhǔn)化接口工作可靠，實(shí)時(shí)性好，滿足控制要求，能與上位機(jī)通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)即插即用，已經(jīng)成功應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)中。

超聲波測(cè)距；標(biāo)準(zhǔn)化接口；DSP芯片；CAN總線；移動(dòng)機(jī)器人

0　引言

對(duì)周?chē)系K物距離地不斷測(cè)量構(gòu)建環(huán)境的二維或三維信息是移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)建環(huán)境地圖、實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航定位與實(shí)現(xiàn)避障的先決條件［1］。超聲波傳感器以其簡(jiǎn)單方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，以及在測(cè)量精度方面完全能夠達(dá)到工業(yè)實(shí)用要求，所以在移動(dòng)機(jī)器人研制上受到了人們?cè)絹?lái)越多地青睞。

目前市場(chǎng)上超聲波傳感器種類(lèi)繁多，其輸出接口信號(hào)不一致，沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致傳感器之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)互操作及即插即用［2］。就最終使用用戶而言，面臨著重復(fù)投入及二次開(kāi)發(fā)問(wèn)題。這樣使得移動(dòng)機(jī)器人研究設(shè)計(jì)人員得花費(fèi)大量的時(shí)間精力在底層傳感器及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的硬件接口通信上，很大程度上延長(zhǎng)了研究周期，增加了研究成本。2015年5月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《中國(guó)制造2025》規(guī)劃，機(jī)器人作為該戰(zhàn)略部署的十個(gè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，其中指出要想突破機(jī)器人技術(shù)瓶頸，機(jī)器人設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展是今后趨勢(shì)［3］。從目前的現(xiàn)狀來(lái)看，隨著移動(dòng)機(jī)器人傳感器系統(tǒng)復(fù)雜程度的加深，涉及到的接口種類(lèi)也越來(lái)越多，傳感器系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)已經(jīng)成為移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)迅速發(fā)展的關(guān)鍵。

目前，超聲波測(cè)距相關(guān)資料及論文不少，但大多數(shù)是用單片機(jī)作為微處理器進(jìn)行測(cè)距，主要呈現(xiàn)出以下不足：一方面，單片機(jī)不足以滿足移動(dòng)機(jī)器人上層算法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集頻率的要求。另一方面，絕大多數(shù)資料都是僅對(duì)超聲波如何測(cè)距進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)其接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容少之又少。在此背景下，設(shè)計(jì)了一款基于DSP的即插即用的具有通用標(biāo)準(zhǔn)化CAN接口的超聲波測(cè)距模塊。

1　總體設(shè)計(jì)方案

目前，清潔機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)器人中的一種，采用超聲波避障的清潔機(jī)器人產(chǎn)品有很多，比如日本夏普公司Cocorobo RX、伊萊克斯三葉蟲(chóng)ZA1和臺(tái)灣微星電子FUNROBOT iCleaner M800等，圖1為FUNROBOT iCleaner M800型號(hào)清潔機(jī)器人，此清潔機(jī)器人前部防撞位置有3組每組2個(gè)共6個(gè)超聲波探測(cè)器。

圖1　FUNROBOT M800清潔機(jī)器人

開(kāi)發(fā)人員每設(shè)計(jì)一款清潔移動(dòng)機(jī)器人都得重新設(shè)計(jì)底層超聲波測(cè)距功能電路板，浪費(fèi)了很多時(shí)間、精力及成本。因此本文設(shè)計(jì)一款通用型超聲波測(cè)距模塊，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化CAN接口能與各種清潔移動(dòng)機(jī)器人通信連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。此類(lèi)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)大多分為底層驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器控制模塊、上層控制模塊［2］三部分。常見(jiàn)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)如圖2所示。

圖2　移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)

常見(jiàn)通用接口有CAN、SCI、SPI等［4］。CAN總線只有2根線與外部相連，是一種能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的多主串行通信局域網(wǎng)［5］。移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)普遍采用CAN總線與下層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

從圖2中看出，超聲波測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊將超聲波測(cè)距電路信號(hào)經(jīng)微處理器DSP［6］信號(hào)處理后，輸出適合CAN總線的通用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上層控制模塊通過(guò)CAN總線對(duì)各個(gè)下層節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控管理及控制。傳感器控制模塊負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CAN接口向上層模塊匯報(bào)，上層模塊將采集的信息根據(jù)實(shí)時(shí)算法做出決策。

本系統(tǒng)采用了TMS320F2812 DSP芯片，原因是此芯片上集成了兼容CAN2.0協(xié)議的增強(qiáng)型eCAN模塊，它可以使用已制定的CAN2.0協(xié)議在電子噪聲環(huán)境中同上位機(jī)進(jìn)行串口通信［7，8］。

2　超聲波測(cè)距原理

本系統(tǒng)超聲波測(cè)距選用的型號(hào)為HC-SR04，它可提供20mm～4000mm非接觸式距離感測(cè)功能，精度為3mm，完全符合移動(dòng)機(jī)器人避障范圍及精度。

此HC-SR04超聲波測(cè)距電路板有4個(gè)引腳，其中VCC接電源+5V，GND接地，還有2個(gè)信號(hào)引腳Trig和Echo。Trig為觸發(fā)角，要用至少10us的高電平觸發(fā)它，然后電路板會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回到Echo腳，一旦檢測(cè)到有信號(hào)返回，Echo腳將輸出一個(gè)高電平，其高電平持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。其測(cè)量距離見(jiàn)式（1）和式（2）［9］。

式中：L為超聲波到障礙物間的距離（單位：m）；t為超聲波發(fā)射與接收的時(shí)間差（單位：s）；v為超聲波在空氣中的傳播速度（單位：m/s）；T為測(cè)量時(shí)的實(shí)際溫度。式（2）是聲波在空氣中傳播的速度對(duì)實(shí)際環(huán)境溫度的矯正值。

3　超聲波測(cè)距模塊標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)

3.1接口標(biāo)準(zhǔn)化硬件電路

超聲波測(cè)距CAN接口標(biāo)準(zhǔn)化硬件電路如圖3所示。

圖3　超聲波測(cè)距CAN標(biāo)準(zhǔn)化模塊硬件電路

從圖3可知，超聲波測(cè)距HC-SR04的觸發(fā)測(cè)量引腳Trig接TMS320F2812 DSP芯片通用輸入輸出口GPIOA的第11引腳TDIRA，故該引腳應(yīng)設(shè)置為輸出口；反饋引腳Echo接TMS320F2812 DSP芯片通用輸入輸出口GPIOF的第0引腳SPISIMO，故該引腳應(yīng)設(shè)置為輸入口。TMS320F2812 DSP芯片擁有的CAN功能引腳CANRXA 和CANTXA分別和CAN總線收發(fā)器SN65HVD230的R腳和D腳連接，SN65HVD230的CANH和CANL分別接到CAN總線的對(duì)應(yīng)引腳。在CAVH和CANL之間要接一個(gè)120Ω的匹配總線電阻以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

本模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)將障礙物距離通過(guò)CAN總線采集到上位機(jī)進(jìn)行決策控制外，還設(shè)計(jì)了將實(shí)際距離以七段數(shù)碼管的形式顯示出來(lái)。超聲波電路板HC-SR04測(cè)距范圍為20mm～4000mm，故選用四位七段共陰數(shù)碼管，DSP通過(guò)3128A CPLD為4位數(shù)碼管分別分配了地址0x80000、0x90000、0xa0000、0xb0000，DSP的D0到D6分別對(duì)應(yīng)A-G，D7對(duì)應(yīng)DP小數(shù)點(diǎn)。

3.2模塊標(biāo)準(zhǔn)化軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的DSP為T(mén)I公司TMS320F2812型號(hào)，其內(nèi)嵌eCAN模塊擁有32個(gè)郵箱。本超聲波測(cè)距模塊主要任務(wù)是由DSP將超聲波現(xiàn)場(chǎng)采集的距離值通過(guò)CAN總線發(fā)送至上位機(jī)，故本系統(tǒng)僅需1個(gè)郵箱存儲(chǔ)距離值，且要求是具有發(fā)送功能，本傳感器控制模塊選擇0#郵箱的發(fā)送功能。

1）配置GPIO端口eCAN功能

eCAN模塊初始化首先要將TMS30F2812 DSP芯片引腳CANTX和CANRX設(shè)置為CAN功能端口。設(shè)置程序?yàn)椋?/p>

GpioMuxRegs.GPFMUX.bit.CANRXA_GPIOF7=1；

GpioMuxRegs.GPFMUX.bit.CANTXA_GPIOF6=1；

對(duì)超聲波傳感器模塊中使用的GPIO口TDIRA和SPISIMO進(jìn)行初始化，將TDIRA設(shè)置為輸出普通IO口，將SPISIMO設(shè)置為輸入普通IO口，程序如下：

GpioMuxRegs.GPAMUX.bit.TDIRA_GPIOA11=0；

GpioMuxRegs.GPFMUX.bit.SPISIMOA_GPIOF0=0；

GpioMuxRegs.GPADIR.bit.GPIOA11=1；

GpioMuxRegs.GPFDIR.bit.GPIOF0=0；

GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA11=0；

2）eCAN波特率的配置

eCAN波特率設(shè)置是成功完成通訊的關(guān)鍵，根據(jù)公式（3）［5］：

其中系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置SYSCLK=150MHz，BRPreg=9，TSEG1reg=10，TSEG2reg=2。代入式（3），本模塊CAN波特率設(shè)置為1MHz。

3）eCAN信息的發(fā)送

eCAN信息發(fā)送首先要清除CANTRS寄存器，然后是對(duì)郵箱的初始化。本模塊選用0#郵箱，設(shè)為發(fā)送郵箱且標(biāo)識(shí)符為0x80C80000。初始化完成后，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入指定的郵箱數(shù)據(jù)區(qū)，對(duì)應(yīng)CANTRS寄存器置位，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，等待CANTA寄存器對(duì)應(yīng)位置位，則郵箱數(shù)據(jù)完成發(fā)送任務(wù)。當(dāng)此次信息發(fā)送完畢后，要復(fù)位CANTA及CANTRS對(duì)應(yīng)位，注意只有對(duì)其對(duì)應(yīng)位寫(xiě)1才能清零。為下次的信息發(fā)送做好準(zhǔn)備。主要發(fā)送程序：

ECanaRegs.CANTRS.all = 0x00000001；

While（ECanaRegs.CANTA.all = = 0）；

ECanaRegs.CANTA.all = 0x00000001；

4）超聲波測(cè)距程序

本超聲波測(cè)距模塊采用DSP芯片內(nèi)定時(shí)器T0中斷進(jìn)行處理。本系統(tǒng)選用的超聲波電路板HC-SR04測(cè)量距離范圍為20mm～4000mm，精度為3mm。經(jīng)計(jì)算所能測(cè)量距離的時(shí)間范圍為117us～23.5ms，精確到3mm所需測(cè)量時(shí)間大約為17us，所以選擇DSP定時(shí)器T0的計(jì)時(shí)時(shí)間為10us，保證能達(dá)到超聲波測(cè)距的精度要求。具體T0定時(shí)器中斷程序如下：

EALLOW；

PieVectTable.TINT0 = &ISRTimer0；

EDIS；

ConfigCpuTimer（&CpuTimer0， 150， 10）；

CpuTimer0Regs.TCR.bit.TSS = 0；

IER |= M_INT1；

PieCtrl.PIEIER1.bit.INTx7=1；

EINT；

ERTM；

在定時(shí)T0中斷服務(wù)程序中，將超聲波至少10us觸發(fā)脈沖發(fā)送至Trig腳，同時(shí)檢測(cè)反饋腳Echo腳為高電平的時(shí)刻，其高電平持續(xù)的時(shí)間，通過(guò)式（1）及式（2），即可獲取超聲波與被測(cè)物之間距離。為防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響，測(cè)量周期至少為60ms以上，本系統(tǒng)設(shè)置為1s采集一次，本模塊還可以根據(jù)用戶要求，只要改變程序數(shù)據(jù)即可隨意設(shè)置采樣周期。

4　超聲波測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上層控制模塊主要完成圖像采集、路徑規(guī)劃、地圖分析及多處理器之間通信等工作。目前常用處理器有工控機(jī)、ARM等。為驗(yàn)證超聲波傳感器標(biāo)準(zhǔn)化模塊與上層控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用。將其安裝在本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有清潔機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的正前方進(jìn)行試驗(yàn)，如圖4所示。

圖4　清潔機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)

本系統(tǒng)采用的USB to CAN適配器選擇了德國(guó)IXXAT公司USB-to-CAN Compact型號(hào)，它是一種用于連接CAN總線的低功耗、主動(dòng)CAN接口。實(shí)時(shí)測(cè)量值用CAN總線下層節(jié)點(diǎn)超聲波測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)化模塊通過(guò)四位數(shù)碼管實(shí)時(shí)采集，清潔移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)在移動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量與周邊障礙物的距離，此時(shí)采集距離值為443mm，如圖5所示。

圖5　超聲波模塊測(cè)距

同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)脚c其通信的上位機(jī)上，數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖6所示。

圖6　上位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

超聲波測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)化模塊測(cè)距結(jié)果通過(guò)DSP芯片0#郵箱進(jìn)行發(fā)送，由圖6看出在0#郵箱標(biāo)識(shí)符為0x80C80000，郵箱寄存器有CANMDL和CANMDH，各32位。而超聲波測(cè)距范圍為20mm～4000mm，轉(zhuǎn)成十六進(jìn)制數(shù)為14H～FA0H。本系統(tǒng)中高32位CANMDH寄存器存放傳感器測(cè)得距離字符值，通過(guò)圖6發(fā)現(xiàn)此時(shí)障礙物實(shí)際距離測(cè)量值為443mm，與圖5中數(shù)碼管顯示一致。低32位CANMDL寄存器存放傳感器實(shí)際距離測(cè)量值，顯示出的結(jié)果已經(jīng)將其轉(zhuǎn)為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，443mm轉(zhuǎn)成十六進(jìn)制數(shù)為1BBH，與圖6顯示結(jié)果一致。由此該超聲波測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊通過(guò)CAN總線能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集到上位機(jī)。

2　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上常用的超聲波測(cè)距電路，采用TMS320F2812 DSP芯片為核心微處理器，將其模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化CAN接口設(shè)計(jì)，并利用現(xiàn)有清潔移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明此模塊與上位機(jī)CAN總線通信可靠，實(shí)時(shí)性好。

此超聲波標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊還可推廣應(yīng)用到避障距離在4m范圍內(nèi)的任何移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中?？蓪⒋讼到y(tǒng)裝于一個(gè)黑盒子內(nèi)，移動(dòng)機(jī)器人研發(fā)設(shè)計(jì)人員只需拿來(lái)直接通過(guò)CAN總線與上層平臺(tái)搭接，即可采集到想要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不需要再去花費(fèi)時(shí)間和精力去研究超聲波傳感器輸出信號(hào)處理的硬軟件設(shè)計(jì)，節(jié)約了研究成本，縮短了研究周期。

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A CAN bus standardized design of ultrasonic distance measuring module in mobile robots

TP336

A

1009-0134（2016）08-0041-04

2016-06-24

江蘇省高等職業(yè)院校國(guó)內(nèi)高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015FX068）；蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（KY-ZR1508）

董改花（1977 -），女，山西太谷人，副教授，碩士，主要從事機(jī)電控制方面的教學(xué)與研究。