智能机器人感知网络节点设计

刘静

摘 要：本文基于CAN总线的传感器网络，围绕智能机器人系统典型传感器，设计标准网络化传感器节点作为机器人感知系统神经元，并针对神经元节点所涉及到的负载能力和通讯机制问题进行初步讨论。

关键词：机器人 感知 传感器 通信

中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0009-02

传感器数据采集系统的硬件由数字电路和模拟电路两部分构成，其中数字电路部分由C8051F040单片机、上位机接口电路以及必要的外围器件组成；模拟电路部分由信号调零电路、运算放大电路、模拟滤波电路以及电源组成。

在传感器的设计中使用C8051F040的8路12位ADC中的6路来完成经过模拟处理后的传感器输出信号的模数转换，使用C8051F040自带的CAN控制器配以发送驱动模块与总线隔离模块作为通讯端口，通过CAN总线接口方便与机器人CAN局部总线连接，实现现场传感器节点的即插即用。

1 模拟信号处理与电源电路

模拟信号处理部分的主要功能是对传感器输出的信号进行预处理，对传感器的信号进行检测、放大、滤波等。

2 运算放大电路与调零电路

运算放大电路中最重要的是放大器的选择，在系统的模数转换中，选择C8051F040单片机片内提供的高精度、低漂移基准电压，传感器经过放大后的满度信号输出约为±1V，这就要求传感器在无负载时经过放大后的输出为1.25V左右，也就是说调零电路将1.25V作为虚拟零点，将应变桥的信号放大后的电压调整到适合作为AD输入的范围。

3 模拟滤波电路

本文采用了巴特沃斯四阶低通滤波器对模拟信号进行滤波。根据要求选择合适的截止频率，图2是用史密特触发器振荡器自定时的单电源工作的滤波器的连接使用电路原理图。

4 C8051F040单片机的选择

单片机传感器数据采集系统的核心，芯片选择尤其重要，C8051F040单片机具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核。它具有64 kB Flash、4352B RAM、CAN2.0控制器、2个串行接口、5个16位定时器、8路12位A/D转换器、8位A/D转换器及12位D/A转换器等，内部同时带有JTAG接口，使调试变得非常方便。

5 系统硬件结构

机器人传感器数据采集系统硬件电路分为数字电路部分和模拟电路部分，其中数字电路部分由C8051F040单片机最小系统和CAN通信接口电路、JTAG调试电路以及数字电源以及硬件报警电路等必要的外围器件组成；模拟电路部分由信号调零电路、运算放大电路、模拟滤波电路以及模拟电源组成。机器人传感器数据采集系统的硬件构成如图3所示。

图4、图5分别给出了CAN驱动模块电路的原理图和CAN隔离模块电路原理图。

模拟信号处理部分的主要功能是对传感器输出的信号进行预处理，对传感器的信号进行检测、放大、滤波等。

运算放大电路中最重要的是放大器的选择，在选择放大器时，还要考虑到它的灵敏度、温漂、抗干扰能力等性能。在我们设计的机器人传感器中，放大器选择单电源、满电源幅度输出的仪表放大器，增益选择为800左右，放大后的满度信号输出大约为±1V。图7给出了模拟放大部分的电路原理图。

本文的主要内容是采用基于CAN总线的传感器网络技术，并对机器人感知系统神经元节点负载能力与系统实时性能评估方法等相关问题进行初步的分析。

从实时性的角度考虑，设计感知系统时有以下建议供参考。

（1）减少系统信号获取时间：对信号的硬件滤波电路进行优化，比如选择合适的AD模块并合理配置AD的工作方式。

（2）减少系统数据处理时间：优化数据处理算法，将数据处理放在计算负载能力强，占用计算时间短的节点处理器端。

（3）减少系统数据传输时间，用简洁的方法表示，简洁的通信协议进行数据传输，数据处理可能会减少通信数据的数量，但是要增加处理器的计算。

参考文献

[1] 蒋新松.机器人学导论[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1994，1.

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