小型足球機器人無線通信系統的設計與實現

摘 要:提出一種基于ARM和DSP技術，有基礎設施建設的小型足球機器人無線通信系統。分析該通信系統的設計思路，介紹了該無線通信系統的架構。詳述該系統主機端、足球機器人端和空中接口硬件設計的方法。設計了通信各鏈路的數據幀格式和自適應信道編、解碼方案。基于以上的設計，該系統通過協調通信的有效性、可靠性和自適應，給予通信以充分的保障。

關鍵詞:無線通信; 機器人; ARM; DSP

中圖分類號:TN914; TP242.6文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0067-04

Design and Realization on Wireless Communication System of Small Soccer Robot

LIAO Xiao-chun， YAO Yuan-cheng

(School of Information Engineering， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China)

Abstract: An infrastructural wireless communication system of small soccer robot based on ARM and DSP technology is put forward. The design criterion and architecture of the communication system are analyzed. The hardware design methods of host-end， soccer robot-end and air interface in the system are fully presented. The data frame format for separate communication links and the adaptive encoding and decoding schemes are implemented. The system presents full guarantee to communication by balancing the communication's efficiency， reliability and adaptability.

Keywords: wireless communication; robot; ARM; DSP

0 引 言

多智能體系統(Multiagent System，MAS)，作為分布式智能控制研究的一個重要分支，涉及精密機械、機電一體化、傳感、無線通信、圖像處理與識別、決策規劃、多智能體協調和自組織學習等諸多領域的前沿研究和技術融合。而小型足球機器人系統，作為MAS的一個典型應用，工作于動態變化和不斷競爭的環境下，是一種較為復雜的多智能體系統。系統任務的完成需要多個機器人之間的協作。而協作必然就需要在多個機器人之間進行通信[1]。

這種動態變化和強烈競爭的競賽環境，對通信的要求有:實時性:如何高效地進行通信;魯棒性:如何提供系統通信的可靠性和抗干擾能力;可移植性:如何將硬件、軟件進行模塊化設計，以適應硬件和軟件的不同接口，讓無線通信系統具有一定的適應性。

基于以上的需求分析，本文提出了一種基于ARM和DSP技術，有基礎設施建設的小型足球機器人無線通信系統的基本架構，并分別對小型足球機器人系統的主控單元和各個執行體無線通信部分進行了軟、硬件設計。整個系統硬件設計穩定、接口豐富，軟件設計靈活;通信的有效性和可靠性有保障，通信的實時性和自適應性也較好。

1 設計思路與系統架構

1.1 設計思路

機器人通信方式與機器人的應用場合，也即是通信需求密切相關。目前，機器人的通信方式主要分為:

黑板模式 即一段公共的存儲區被多個機器人共享，它們可以對這段存儲區進行寫入和讀取。這塊公共的存儲區，就像黑板一樣被多個機器人所使用。

聯邦模式 多個具有一定共性的機器人組成一個聯邦，再由不同的聯邦構成整個機器人通信系統。聯邦內的通信直接在聯邦內進行傳輸;聯邦間的通信由每個聯邦的中繼點像網關一樣進行轉發。

廣播方式 一個機器人發送，多個機器人接受。

點對點方式(Point to Point) 一個機器人發送，被授權的機器人接收。

黑板模式讓多個機器人共享一段存儲區，簡化了通信模式和控制的設計，但是必然會引起通信競爭，需要信號量對存儲區進行互斥控制和優先級管理。聯邦模式將整個通信系統進行分級管理，可以獲得很高的效率;但是一般只適用于密度較大、分布較廣的多機器人系統。廣播的洪泛常常使得通信阻塞。而點對點方式，通信效率比較高，節省頻帶。此外，通信系統的設計還需考慮最大可能地抑制通信間的干擾，保證通信的高效性和可靠性。這一點，常常通過頻分多址(FDMA)、空分多址(SDMA)、碼分多址(CDMA)技術實現，而不采用時分多址(TDMA)。因為時分多址會引起激烈的競爭[2]。

正是基于以上的設計思路，一個高效、可靠的小型足球機器人無線通信系統要求其物理層盡可能降低干擾;同時為了實現所需的通信模式，要求通信系統硬件接口豐富、軟件設計實現靈活;通信系統的實時性能滿足小型足球機器人競賽的要求[3]。

1.2 系統架構

系統框圖如圖1所示。小型足球機器人系統包括:主機端:完成機器視覺和決策規劃;通信部分:保障無線通信的高效性和可靠性;足球機器人端:識別和分析接受到的命令數據，完成比賽動作。

圖1 小型足球機器人系統框圖

這種無線通信系統架構的優點如下:

(1) 主機通信功能的實現采用了ARM7-LPC2114芯片，其體積小、功耗低;運行時鐘較高;片上外設和接口豐富，便于系統功能的擴展;軟件開發支持C語言，便于程序的模塊化設計，提高軟件設計的速度，并從軟件上提高系統的健壯性;支持在其上移植嵌入式操作系統(如μC/OS，μCLinux，VxWorks等)，可以更方便地嵌入現有的網絡通信協議和應用程序，降低了嵌入式系統設計實現的復雜度，增強了系統的可擴展性和穩定性[4]。

(2) 足球機器人本體通信功能的實現采用了DSP-LF2704芯片，其數字信號處理能力較強，便于進行實時處理，甚至可以進行簡單的視頻編、解碼，以實現要求不太復雜的機器視覺實時處理;片內流水線作業，多個控制和運算部件并行工作;片上接口比較豐富，甚至可以將足球機器人通信和電機驅動、控制的功能在一片DSP-LF2704中完成，使得系統復雜度降低，穩定性得到提高[5]。

這兩種系統協同工作，發揮各自的優點，以達到整體系統的最優設計，滿足比賽對足球機器人通信系統的要求。

2 系統硬件設計

2.1 通信模塊的選型

作為無線通信的空中接口，通信芯片的選型會直接地影響到系統通信的高效性和可靠性。通過對系統無線通信需求的分析，本系統選定板載Nordic公司nRF2401芯片的PTR4000模塊作為無線數據收發模塊[6]。

PTR4000無線數據收發模塊，工作于2.4 GHz全球開放ISM頻段;采用GMSK調制，抗干擾能力強;125個頻道，滿足多頻點通信和跳頻通信的要求;內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址的控制[7]。

硬件設計方面，PTR4000工作電壓范圍為19~36 V，與ARM7-LPC2114，DSP-LF2704的I/O口33 V TTL電平是兼容的。此外，為了提高PTR4000引腳的驅動能力，采用了一片74HC244緩沖器作為隔離。PTR4000的四種工作方式由引腳PWR，CE，CS控制，如表1所示[8]。

表1 PTR4000工作模式控制表

工作模式PWRCECS

發射/接收模式110

配置模式101

待機模式100

掉電模式0XX

使用PTR4000之前，需要在配置模式下對它的120 b的配置字進行配置。此后，便可使其進入發射/接收模式，進行正常的數據發射和接收。不需要進行數據發射和接收時，可以使之工作在待機模式或掉電模式。PTR4000的配置以及數據的發射和接收都可通過SPI接口完成。

此外，PTR4000的工作頻率為2 400~2 524 MHz，有125個頻道可選。射頻工作頻率的計算公式為:

Channel Frequency=2 400 MHz+RF_CH*1 MHz

其中:RF_CH為所選的頻道號，取值范圍為[0，124]的整數。據此，本系統便存在兩種可選的通信方案。

(1) 頻分多址方式:不同足球機器人的通信模塊采用不同的頻道。多個足球機器人同時不同頻地工作，提高的通信的效率而不會產生信道上的沖突。在頻道資源的允許下，隔頻使用，加寬使用頻道間的隔離帶，可以進一步降低信道間的干擾。

(2) 跳頻方式:根據系統要求，設計合適的跳頻圖案，降低外來干擾。足球機器人在競賽過程中，難免有各種各樣的人為和非人為的干擾。跳頻系統的擴頻處理增益和抗干擾的概率或效率公式為:

Gain=B2/B1=N;P=1/N;

式中:B1，B2分別為跳頻前后的帶寬。由此可知，跳頻技術能夠大大提高通信系統抗干擾的能力。綜合比較兩種方案:第一種頻分多址方式實現簡便;第二種跳頻方式性能好，但是其實現的系統開銷也大，可能會影響通信的實時性。所以，本文選擇第一種方案作為主要的通信方式，第二種方案為備用方案。

2.2 主機端通信硬件設計

主機端通信硬件設計，采用了Philips推出的LPC2114作為主控芯片。該芯片采用ARM7內核，基于精簡指令集(Reduced Instruction Set Computing，RISC)，總線寬度為32位。時鐘可通過PLL(Phase Lock Loop)對外部時鐘進行倍頻，可實現最大為60 MHz的CPU工作頻率。片上通信外設有2個標準的UART，2個SPI接口和1個I2C接口。該芯片支持“在系統編程”和“在應用編程”兩種編程模式。此外，該芯片采用雙電源設計，CPU內核電壓范圍是:165~195 V，I/O操作電壓范圍是30~36 V;支持空閑和掉電兩種低功耗模式，功耗非常低[9]。因此，采用LPC2114作為主機端通信的主控芯片，外圍電路簡單，系統可靠性高。

主機端通信硬件系統，作為聯系主機和底層足球機器人的紐帶，其主要任務是接受、緩沖主機發給底層足球機器人的數據;監控和測試通信的信道;根據信道的特性，對緩沖的數據進行成幀處理，進行信道編碼，以保證傳輸的可靠性。

主機端通信嵌入式系統的總體框圖如圖2所示。主控芯片采用雙電源低功耗設計，所以電源上使用L7805，LM1117T-33和LM1117T-18三種穩壓芯片，以滿足系統對I/O口和內核電壓的不同要求。系統時鐘由外接無源11 MHz晶振通過片內的PLL倍頻后產生。芯片編程下載ISP方式，通過UART串口即可完成，節約開發成本。系統的人機接口，使用數碼管顯示和行列式鍵盤輸入。數碼管顯示用戶自定義的數字信息，可以讓用戶了解通信系統是否工作正常，以及系統的工作狀態如何;行列式鍵盤輸入，在調試時，可以讓用戶進入特定的調試狀態，輸入所需的命令，切換通信系統的工作狀態，已達到現場快速調試的目的。通信部分:主機發送來的信號為典型的232電平，須經MAX3232轉換為33 V的TTL電平后，才能由主控芯片的UART接受。其次，經過主控芯片成幀、信道編碼后的數據，需要通過數據收發模塊PTR4000，發送給各個底層足球機器人。數據發送模塊PTR4000與主控芯片的SPI接口都工作于33 V的TTL電平，兩者兼容，可以直接相連。但是為了提高PTR4000引腳的驅動能力，所以在它們兩者之間用74HC244加以緩沖，以保證通信的可靠性。

圖2 主機端通信嵌入式系統總體框圖

2.3 足球機器人端通信硬件的設計

足球機器人端通信硬件的設計，采用TI公司推出的TMS320LF2407作為主控芯片。該芯片采用低功耗設計，片內有32 KB FLASH程序存儲器，片上外設豐富，有串行通信接口(SCI)、串行外圍接口(SPI)、PWM波發生器、模/數轉換接口等，非常適合既涉及通信又涉及控制的應用場合。

足球機器人端通信硬件系統，主要負責對主機發送的數據進行接收，其包括對接收到的數據進行信道解碼;對解碼后的數據進行拆幀處理，提取有效的信息;必要時，需要向主機應答。

足球機器人端通信的硬件系統，與主機端通信系統基本類似。其采用了+5 V和+33 V的雙電源設計;外接15 MHz有源晶振倍頻;外擴64 KB程序存儲器，64 KB數據存儲器;使用SPI接口，經74HC244緩沖，從PTR4000模塊接收數據。此外，因為LF2407片上有豐富的控制外設，所以電機運動控制算法也可以在LF2407上完成。這樣可以使得外圍電路設計簡化，系統復雜度降低，穩定性提高。

3 系統軟件成幀和信道編碼設計

嵌入式系統軟件的設計，首先需要調試所要使用的片上、片外硬件資源的功能和性能;其次，將基本的硬件操作代碼，封裝成基本的驅動庫，供高層的算法所調用。本系統主機端和足球機器人端的軟件都采用C語言開發，方便代碼的維護和移植。其重點在于如何設計各通信鏈路的幀格式，以提高傳輸的高效性;如何設計簡單的信道編、解碼方法，以在實時性得以保證的情況下，提高傳輸的可靠性。

3.1 各通信鏈路的幀格式設計

本系統通信鏈路基本分為三個部分:從主機到ARM7-LPC2114主控芯片;從ARM7-LPC2114主控芯片到無線通信模塊;從ARM7無線通信裝置的無線通信模塊到DSP無線通信裝置的無線通信模塊。各鏈路的幀格式如圖3所示。

圖3 通信各鍵路的幀格式

第一部分鏈路都是有線通信，通信環境較好，加以屏蔽措施后，還可以進一步減少外界的干擾。此外，因為主機端的通信命令是不斷產生的，所以即使存在極少量的通信差錯，也是可以忍受的。據此，為了降低系統的復雜度，未對這部分鏈路的通信進行信道編碼。

第三部分無線通信模塊之間空中接口的通信環境，會因為無線信道的變化和足球機器人的運動而變得十分得惡劣。因此，這一部分的信道編碼是必要的。首先，PTR4000無線通信模塊板載硬件8/16位CRC(Cyclic Redundancy Check)功能;其次，ARM7-LPC2114主控芯片完成用戶自定義的軟件編碼的工作。如果使用PTR4000的硬件CRC功能只能對第三部分鏈路進行信道編碼;如果使用ARM7-LPC2114主控芯片進行軟件編碼，信道編碼的對象是第二、三兩個部分的鏈路。

3.2 信道編碼的設計

由于無線通信模塊PTR4000具有硬件CRC功能，通信信道軟件編碼方案為一種自適應編碼方式:當通信環境較好時，只依靠硬件CRC進行差錯的校驗，或者在硬件CRC的基礎上加入簡單的奇偶校驗;當通信環境較為惡劣時，在ARM7無線通信端采用(7，4)線性組合碼和奇偶校驗，進行信道編碼。對于第二種方法，如果信源序列為:

S7S6S5S4S3S2S1S0

分別對高4位和低4位進行(7，4)線性組合編碼和奇偶校驗后，產生如下的編碼:

S7S6S5S4A5A4A3X1

S3S2S1S0A2A1A0X2

A5~A3是對S7~S4的線性組合編碼，X1是對它們的奇偶校驗;A2~A0是對S3~S0的線性組合編碼，X2是對它們的奇偶校驗。接收端接收到數據后，采用與生成矩陣相對應的檢驗矩陣進行解碼和糾錯。這樣一種自適應編碼方式是對編碼有效性和可靠性之間矛盾的一種有效的協調。

4 結 語

基于ARM和DSP技術，有基礎設施建設的小型足球機器人無線通信系統，融合了ARM處理器外設接口豐富、系統功能設計實現靈活和擴展能力強，以及DSP處理器數字信號處理能力強、便于實時處理的特點;為實現通信的有效性和可靠性，為通信各條鏈路設計了合理的數據幀格式和自適應信道編、解碼方案。此套小型足球機器人無線通信系統的足球機器人端通信設備已成功于中國科技大學F-180 Robocup小型足球機器人系統中，在調試和比賽環境中均表現出了較高的通信質量和可靠性，幫助球隊取得了不錯的成績。

參考文獻

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[9] Philips Semiconductors. LPC2114 user manual[R]. [2004-03-04]. http://www.zlgmcu.com.