智能機器人感知網絡節點設計

劉靜

摘 要：本文基于CAN總線的傳感器網絡，圍繞智能機器人系統典型傳感器，設計標準網絡化傳感器節點作為機器人感知系統神經元，并針對神經元節點所涉及到的負載能力和通訊機制問題進行初步討論。

關鍵詞：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

傳感器數據采集系統的硬件由數字電路和模擬電路兩部分構成，其中數字電路部分由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。

在傳感器的設計中使用C8051F040的8路12位ADC中的6路來完成經過模擬處理后的傳感器輸出信號的模數轉換，使用C8051F040自帶的CAN控制器配以發送驅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，實現現場傳感器節點的即插即用。

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 運算放大電路與調零電路

運算放大電路中最重要的是放大器的選擇，在系統的模數轉換中，選擇C8051F040單片機片內提供的高精度、低漂移基準電壓，傳感器經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過放大后的輸出為1.25V左右，也就是說調零電路將1.25V作為虛擬零點，將應變橋的信號放大后的電壓調整到適合作為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。根據要求選擇合適的截止頻率，圖2是用史密特觸發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

單片機傳感器數據采集系統的核心，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轉換器、8位A/D轉換器及12位D/A轉換器等，內部同時帶有JTAG接口，使調試變得非常方便。

5 系統硬件結構

機器人傳感器數據采集系統硬件電路分為數字電路部分和模擬電路部分，其中數字電路部分由C8051F040單片機最小系統和CAN通信接口電路、JTAG調試電路以及數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。機器人傳感器數據采集系統的硬件構成如圖3所示。

圖4、圖5分別給出了CAN驅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。

本文的主要內容是采用基于CAN總線的傳感器網絡技術，并對機器人感知系統神經元節點負載能力與系統實時性能評估方法等相關問題進行初步的分析。

從實時性的角度考慮，設計感知系統時有以下建議供參考。

（1）減少系統信號獲取時間：對信號的硬件濾波電路進行優化，比如選擇合適的AD模塊并合理配置AD的工作方式。

（2）減少系統數據處理時間：優化數據處理算法，將數據處理放在計算負載能力強，占用計算時間短的節點處理器端。

（3）減少系統數據傳輸時間，用簡潔的方法表示，簡潔的通信協議進行數據傳輸，數據處理可能會減少通信數據的數量，但是要增加處理器的計算。

參考文獻

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