基于dsp的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

1多傳感器融合和傳輸系統(tǒng)空間機(jī)器人在宇宙領(lǐng)域的應(yīng)用非常重要?？臻g機(jī)器人在太空作業(yè)的時候,有一項很重要的任務(wù)就是抓住浮游物體,這主要靠多傳感器手爪來完成?？臻g機(jī)器人手爪上安裝有多種傳感器,例如:指力傳感器、觸覺傳感器和距離傳感器等,這些傳感器組成了機(jī)器人手爪的感覺系統(tǒng)。為此需要研制一套多傳感器數(shù)據(jù)采集、融合和傳輸系統(tǒng),以實時地采集和融合多傳感器信息,得出手爪與工件的安全連接狀態(tài),并把這一狀態(tài)傳輸給主控計算機(jī)。文獻(xiàn)研制的系統(tǒng)由傳感器調(diào)理電路、電壓/電流轉(zhuǎn)換模塊、ISA總線的數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)組成,即傳感器信號經(jīng)過信號調(diào)理,再將其變換成電流信號;通過較長的電纜送到插在PC機(jī)ISA總線上的數(shù)據(jù)采集卡中,由PC機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集和融合任務(wù);再通過網(wǎng)線,將信息傳輸給主控計算機(jī)。該系統(tǒng)模塊多,體積大,重量重。在航天領(lǐng)域,要求上天的系統(tǒng)體積小,重量輕,否則將付出極其昂貴的代價。為此,作者研制了一套基于DSP(數(shù)字信號處理器)的數(shù)據(jù)采集、融合和傳輸系統(tǒng),用DSP芯片代替PC機(jī);省去電壓/電流轉(zhuǎn)換模塊和電纜線;用CAN總線實現(xiàn)與主控計算機(jī)的通信。2系統(tǒng)硬件2.1挑戰(zhàn)了dsp系統(tǒng)和3dv電池內(nèi)的革命基于DSP的數(shù)據(jù)采集、融合和傳輸系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示,主要由數(shù)據(jù)采集模塊、DSP處理模塊和CAN通訊模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要由DSP芯片自帶的ADC轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字I/O模塊和正交編碼脈沖電路組成。DSP處理器模塊主要由DSP芯片TMS320LF2407A組成。數(shù)據(jù)傳輸模塊由DSP片內(nèi)自帶的CAN控制器和CAN總線收發(fā)器82C250組成。由于TMS320LF2407A芯片內(nèi)部集成了很多的外設(shè)模塊:模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字輸入/輸出模塊、正交編碼脈沖電路、通用定時器和CAN控制器模塊等,完全能滿足需求,幾乎不用擴(kuò)展其它的外設(shè)模塊。加之DSP芯片很小,因而大大縮小了整個系統(tǒng)的體積。TMS320LF2407A的供電電壓為3.3V,而外部電源電壓是5V,所以,用電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS767D318(雙電壓調(diào)節(jié)器)把5V電壓降為3.3V。TMS320LF2407A的數(shù)字量的輸入電平也是3.3V,而電機(jī)碼盤輸出的正交編碼脈沖信號以及經(jīng)過CAN總線收發(fā)器82C250的信號都是5V電平。所以,用74FCT164245T芯片實現(xiàn)5V電平和3.3V電平之間的轉(zhuǎn)換。74FCT164245T的轉(zhuǎn)換的方向由OEˉˉˉˉˉΟEˉ和DIR兩個管腳共同決定?？紤]數(shù)據(jù)融合的計算量比較大,DSP片內(nèi)2k字的程序存儲器不夠用,作者外擴(kuò)了64k字的外部存儲器:32k字的程序存儲器空間(0x0000h～0x7FFFh)和32k字的數(shù)據(jù)存儲器空間(0x8000h～0xFFFF)。選用64k字的高速靜態(tài)RAM芯片IS61LV6416。管腳CEˉˉˉˉˉCEˉ為片選信號。當(dāng)程序存儲器訪問外擴(kuò)存儲器時(此時DSP的PSˉˉˉˉ=0)ΡSˉ=0),讓IS61LV6416的地址線A15=0;而當(dāng)數(shù)據(jù)存儲器訪問外擴(kuò)存儲器時(此時DSP的DSˉˉˉˉˉ=0)DSˉ=0),讓IS61LV6416的地址線A15=1。IS61LV6416的A15、CEˉˉˉˉˉCEˉ管腳和DSP的PSˉˉˉˉΡSˉ、DSˉˉˉˉˉDSˉ管腳之間的邏輯關(guān)系為:{CEˉˉˉˉˉ=PSˉˉˉˉ&DSˉˉˉˉˉA15=PSˉˉˉˉ{CEˉ=ΡSˉ&DSˉA15=ΡSˉ選用外部晶振20MHz,然后利用DSP內(nèi)部的倍頻電路,使TMS320LF2407A達(dá)到40MIPS。系統(tǒng)通過一個DB25接口與手爪上的各種傳感器相連,并提供控制信號和電源。系統(tǒng)通過一個DB9接口與主控計算機(jī)相連,完成CAN總線通訊。2.2dsp和光電編碼的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集模塊采集:8路指力傳感器輸出信號、7路觸覺傳感器信號和電機(jī)碼盤的正交編碼脈沖信號。指力傳感器由手爪的手指彈性體、其上粘貼的應(yīng)變片和調(diào)理電路組成,其輸出電壓為0～3.3V。指力傳感器的輸出信號直接連到系統(tǒng)DSP的ADC模塊的輸入管腳ADCIN00～ADCIN07上,由DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。V型手指和平指上都安裝有觸覺傳感器,觸覺傳感器的輸出為數(shù)字量信號。當(dāng)手指與物體相接觸時,觸覺傳感器就輸出低電平“0”,沒有接觸時就輸出高電平“1”。7路觸覺傳感器的輸出信號直接接到DSP的數(shù)字輸入/輸出模塊的IOPF0～I(xiàn)OPF6管腳上。手爪的開合由直流電機(jī)驅(qū)動,電機(jī)軸上安裝了光電編碼器。手爪的開合距離由電機(jī)上編碼器輸出的正交編碼脈沖信號來反映。該編碼器是瑞士Maxonmotor公司的產(chǎn)品,每轉(zhuǎn)發(fā)100個兩路正交編碼脈沖。電機(jī)與傳動齒輪之間有一個減速機(jī)構(gòu),減速比率為28∶1,所以,傳動齒輪轉(zhuǎn)1圈,手爪開合3mm,光電編碼器發(fā)2800個脈沖。光電編碼器的兩路輸出經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片74FCT164245T連接到DSP正交編碼脈沖電路的輸入管腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2上。DSP通過對編碼器輸出的正交編碼脈沖信號計數(shù)來實現(xiàn)手爪開合度的測量。(1)線性關(guān)系參數(shù)TMS320LF2407A片內(nèi)集成有ADC模塊。作者采用雙排序器模式,采集8路指力傳感器的輸出信號。ADC模塊都能夠?qū)σ恍蛄羞M(jìn)行自動排序,可通過模擬輸入通道的多路選擇器來選擇要轉(zhuǎn)換的通道。轉(zhuǎn)換結(jié)束后,結(jié)果保存在該通道相應(yīng)的結(jié)果寄存器RESULTn中。即第0通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在RESULT0中,第1通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在RESULT1中,依次類推。而且,還可以對同一個通道進(jìn)行多次采樣,即某一通道實行“過采樣”,這樣可以得到分辨率更高的采樣結(jié)果。采用排序器1(SEQ1)完成對8通道的所有數(shù)據(jù)采樣,SEQ1的對應(yīng)結(jié)果寄存器為RESULT0～RESULT7,第一個序列的轉(zhuǎn)換完成后就把結(jié)果放在這些寄存器中,只需要在中斷服務(wù)程序中讀取結(jié)果。在一個序列中的轉(zhuǎn)換個數(shù)是受MAXCONVn(MAXCONV寄存器中的一個3位段域或4位段域)控制,一次排序轉(zhuǎn)換完成的轉(zhuǎn)換個數(shù)為MAXCONVn+1。當(dāng)需要轉(zhuǎn)換8路通道時,MAXCONV的值設(shè)置為7。ADC模塊的排序器有兩種工作模式:連續(xù)的自動排序模式,啟動/停止模式。這里的系統(tǒng)要求A/D轉(zhuǎn)換定時進(jìn)行,所以采用啟動/停止模式,設(shè)置ADC控制寄存器1(ADCTRL1)的位CONTRUN為0。在這種模式下,當(dāng)一個轉(zhuǎn)換序列完成之后,排序器指針指向當(dāng)前的通道。所以,需要在中斷服務(wù)程序中用ADCTRL2寄存器中的RSTSEQn將排序器手動復(fù)位。復(fù)位之后,在下一個A/D啟動信號到來時,SEQCNTR裝入MAXCONVn中的原始值,且SEQ1指針指向CONV00。(2)數(shù)字i/o端口引腳7個觸覺傳感器的輸出為數(shù)字量信號,經(jīng)過調(diào)理電路后,輸出高電平為3.3V,輸出低電平為0V。TMS320LF2407A有40個通用、雙向的數(shù)字I/O(GPIO)引腳,其中絕大多數(shù)都是基本功能和一般I/O復(fù)用引腳。數(shù)字I/O端口模塊可通過9個16位控制寄存器來控制專用I/O和復(fù)用I/O引腳的功能。7個觸覺傳感器的輸出經(jīng)過調(diào)理電路后直接接到IOPF0～I(xiàn)OPF6,然后在寄存器MCRC中把IOPF0～I(xiàn)OPF6配置為一般I/O口,在寄存器PFDATDIR中把這7位I/O方向配置為輸入。(3)正交編碼脈沖電路的動態(tài)電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動手爪的三指做開合運動,電機(jī)轉(zhuǎn)動時,電機(jī)軸上的光電編碼器產(chǎn)生兩路頻率相等、相位相差90°的脈沖QEP1和QEP2,即正交編碼脈沖。每個EV模塊都有一個正交編碼脈沖電路。正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率等信息。正交編碼脈沖電路的時基可由通用定時器2(或通用定時器4,EVB模塊)提供,通用定時器必須設(shè)置成定向增/減計數(shù)模式,并以正交編碼脈沖電路作為時鐘源。每個EV模塊中的正交編碼脈沖電路的方向檢測邏輯取決于QEP1和QEP2這兩個序列中的哪個是先導(dǎo)序列。接著它就產(chǎn)生方向信號作為通用定時器2或4(對于EVB模塊)的計數(shù)方向輸入。如果CAP1/QEP1輸入是先導(dǎo)序列,則通用定時器進(jìn)行增計數(shù);如果CAP2/QEP2輸入是先導(dǎo)序列,則通用定時器進(jìn)行減計數(shù)。由于兩列正交輸入脈沖的兩個邊沿都被正交編碼脈沖電路計數(shù),因此,產(chǎn)生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍,并把這個時鐘作為通用定時器2的輸入時鐘。通用定時器2總是從計數(shù)器中的當(dāng)前值開始計數(shù),因此,可以在使能正交編碼脈沖電路前將所需的值裝載到所選通用定時器的計數(shù)器中。2.3數(shù)據(jù)輸入(1)兩種模式的比較及對兩種接口的選擇由于CAN總線具有以上特點,為工業(yè)控制系統(tǒng)中高可靠性的數(shù)據(jù)傳送提供了一種新的解決方案。CAN總線已經(jīng)成為最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一?？臻g機(jī)器人由于節(jié)點多、距離長,要求選擇一種可靠性好、通信速率高的通信方式,以實現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)模塊與上位機(jī)的實時通信,達(dá)到實時監(jiān)測、實時控制的目的;并且支持通過添加或拆除模塊的操作來完成系統(tǒng)重構(gòu),無須再次整體設(shè)計。通過比較,選用CAN總線來完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。TMS320LF2407A片內(nèi)集成有CAN控制器模塊。CAN控制器還必須通過CAN驅(qū)動芯片才能與其它的CAN控制器進(jìn)行通信,CAN驅(qū)動芯片又叫CAN控制器接口。這里選用PHILIP公司的PCA82C250。此器件對總線提供差動發(fā)送能力,對CAN控制器提供差動接收能力。82C250允許選擇三種不同的工作模式:高速、待機(jī)、斜率控制。通過把管腳8接地可選擇高速模式。在高速工作模式下,發(fā)送器輸出級晶體管將以盡可能快的速度打開、關(guān)閉。在這種模式下,不采取任何措施用于限制上升斜率和下降斜率。建議使用屏蔽電纜以避免射頻干擾RFI問題。對于斜率控制模式,上升斜率和下降斜率可通過由管腳8接地的連接電阻進(jìn)行控制。斜率正比于管腳8的電流輸出。如果高電平被接至管腳8,則電路進(jìn)入低電流待機(jī)模式,在這種模式下,發(fā)送器被關(guān)閉,而接收器轉(zhuǎn)至低電流。可采用高速工作模式來使CAN以最快的速度進(jìn)行通訊。(2)1號圖為了與研制的系統(tǒng)進(jìn)行通訊,在主控計算機(jī)插入研華公司的CAN微機(jī)通信卡PCL-841卡。PCL-841實現(xiàn)PC與CAN的連接。3軟件系統(tǒng)3.1件的主要模塊軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法,主要用C語言編程。系統(tǒng)軟件包括監(jiān)控程序、初始化模塊、看門狗模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、CAN通信模塊、數(shù)字量采集模塊、正交編碼脈沖計數(shù)模塊和A/D中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)軟件的總框圖如圖2所示。3.2體現(xiàn)了正交編碼脈沖電路的控制律設(shè)計監(jiān)控程序就是主程序,主要完成對各個模塊:ADC模塊、數(shù)字I/O模塊、定時器模塊、CAN模塊的初始化。等初始化完成后就是空操作,等待中斷的到來。中斷是有優(yōu)先級的,TMS320LF2407A內(nèi)核提供一個不可屏蔽的中斷NMI和6個按優(yōu)先級獲得服務(wù)的可屏蔽中斷INT1至INT6。這6個中斷中的每一個都可被很多外設(shè)中斷請求共享。TMS320LF2407A通過中斷請求系統(tǒng)中的1個兩路中斷來擴(kuò)展系統(tǒng)可響應(yīng)的中斷個數(shù),所以,DSP的中斷請求/應(yīng)答硬件邏輯和中斷服務(wù)程序軟件都是兩級的層次。測量手爪的開合距離,需要一直對光電碼盤輸出的正交編碼脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。如果某些時刻漏掉了計數(shù),就會導(dǎo)致測量誤差。手爪上的電機(jī)在+18V直流電壓的驅(qū)動電壓下轉(zhuǎn)動,光電編碼器產(chǎn)生的脈沖頻率約為15000Hz,而正交編碼脈沖電路的計數(shù)頻率又是輸入頻率的4倍,即約為60000Hz。在這種情況下,直接讀取正交編碼脈沖電路的計數(shù)值T2CNT來表達(dá)電機(jī)開合距離是不可行的,因為16位的計數(shù)寄存器T2CNT可能會在手爪開合的過程中溢出多次。為此,采用定時器2的上溢、下溢中斷來處理溢出問題。定時器2的上、下溢中斷應(yīng)該比數(shù)據(jù)融合和傳輸具有更高的優(yōu)先級,所以,這里采用DSP的定時器4來定時融合和傳輸模塊。主控計算機(jī)需要此系統(tǒng)30ms左右與其通訊一次,設(shè)置定時器4的周期為30ms。在整個程序中,定時器4相當(dāng)于起到監(jiān)控的作用。在30ms內(nèi)先完成對三種傳感器信號的采集,然后對所有傳感器信息進(jìn)行融合,得出手爪的安全連接狀態(tài),將此結(jié)果傳輸給主控計算機(jī)。初始化模塊如圖3所示。初始化模塊在主程序開始時運行,主要包括ADC模塊、數(shù)字I/O模塊、定時器模塊、CAN控制器模塊和看門狗模塊的初始化。定時器模塊中包括定時器1、定時器2和定時器3。(1)A/D模塊的初始化包括設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源;設(shè)置ADC模塊的控制寄存器來選擇A/D工作模式;設(shè)置中斷模式;設(shè)置需要轉(zhuǎn)換的通道個數(shù);設(shè)置轉(zhuǎn)換各通道的順序。(2)數(shù)字I/O模塊的初始化包括用所對應(yīng)的I/O復(fù)用控制寄存器MCRC來配置所選用引腳的功能;對于已經(jīng)配置為一般I/O口的引腳,必須用相應(yīng)端口數(shù)據(jù)和方向控制寄存器PxDATDIR來配置其為輸入/輸出方式。(3)定時器模塊的初始化主要是設(shè)置單個通道控制寄存器(TxCON)。本程序采用了三個通用定時器。通用定時器2用于正交編碼脈沖電路計數(shù),通用定時器4用于數(shù)據(jù)量采集和數(shù)據(jù)融合、傳輸模塊的定時,通用定時器1用于定時復(fù)位看門狗的時間。(4)CAN模塊的初始化的任務(wù)就是在使用CAN控制器前對它的一些內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。主要是選擇要發(fā)送和接收的郵箱并設(shè)置相應(yīng)的寄存器、設(shè)置波特率和設(shè)置信息的標(biāo)識符等。(5)采用看門狗是為了提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)系統(tǒng)死機(jī)時,看門狗就會讓系統(tǒng)復(fù)位?？撮T狗模塊的初始化就是設(shè)置看門狗控制寄存器:設(shè)置看門狗模塊時鐘分頻、使能該模塊。3.3數(shù)據(jù)采集部分在各自的中斷服務(wù)程序中讀得3種傳感器信號的數(shù)值:8路指力傳感器輸出信號、7路觸覺傳感器信號和電機(jī)碼盤的正交編碼脈沖信號。(1)a/d中斷服務(wù)程序的流程圖當(dāng)ADC控制器完成所有通道的采集后,就會把中斷標(biāo)志位INTFLAGSEQ1置1,而作者在A/D初始化模塊中已經(jīng)使能了A/D中斷模式1,這時就會轉(zhuǎn)入A/D中斷服務(wù)程序。A/D采樣的結(jié)果可以在A/D中斷服務(wù)程序中,從A/D結(jié)果寄存器中讀取。A/D中斷服務(wù)程序的流程圖如圖4所示。A/D轉(zhuǎn)換完成后自動把轉(zhuǎn)換的結(jié)果存放在ADC模塊的結(jié)果寄存器中。對于作者用排序器SEQ1采樣的8路模擬量結(jié)果就存放在RESULT0～RESULT7之中。A/D的精度是10位的,結(jié)果保存在結(jié)果寄存器中的前10位,后6位為空,所以,讀取結(jié)果時,要右移6位后再保存。然后,通過向該中斷標(biāo)志位寫“1”來清除A/D中斷標(biāo)志位。只有清除了A/D中斷標(biāo)志之后,下一次A/D中斷服務(wù)程序才能進(jìn)入。由于選用了排序器的啟動/停止模式,當(dāng)一個轉(zhuǎn)換序列完成之后排序器指向當(dāng)前的通道,所以,必須在中斷服務(wù)程序中向ADC控制寄存器ADCTRL2的RSTSEQ1位寫“1”,對排序器復(fù)位,讓它指向通道CONV00。這樣,下次A/D轉(zhuǎn)換才會從通道CONV00重新開始。(2)讀取控制：pfdatdir用DSP的一般I/O口IOPF0～I(xiàn)OPF6完成對7個觸覺傳感器數(shù)字量的采集。因為在初始化中已經(jīng)將端口F的數(shù)據(jù)和方向控制寄存器(PFDATDIR)中的FxDIR設(shè)置為輸入方式,所以,只需要去讀PFDATIDR的IOPF0～I(xiàn)OPF6就可以得到當(dāng)時觸覺傳感器的信號。作者設(shè)定在定時器4周期中斷服務(wù)程序中,去讀取觸覺傳感器的輸出信號。定時器4周期中斷服務(wù)程序如圖4～7所示。(3)現(xiàn)行sst模式下的upg1DSP片內(nèi)集成有QEP電路,定時器2計數(shù)寄存器T2CNT會根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行增減計數(shù)。當(dāng)手爪開合距離達(dá)到17.55mm時,定時器2的計數(shù)寄存器T2CNT就會發(fā)生第一次溢出。當(dāng)手爪開到最大的距離96mm時,計數(shù)器會溢出5次。所以,當(dāng)手爪從完全閉合狀態(tài)向外張開時,其開合距離為(overflow×65535+T2CNT),其中,overflow是溢出的次數(shù)。定時器2的上、下溢中斷服務(wù)程序如圖5所示。定時器2計數(shù)器寄存器T2CNT的值達(dá)到FFFFh時,就會把上溢中斷標(biāo)志位置1;定時器計數(shù)器的值達(dá)到0000h時,就會把下溢中斷標(biāo)志位置1。定時器2的各中斷服務(wù)程序都屬于INT3,所以進(jìn)入INT3先判斷是不是定時器2上溢中斷,如果是上溢中斷還要判斷是否是增計數(shù),如果是增計數(shù),則overflow值加1。如果是下溢中斷,則還要判斷是否是減計數(shù),如果是減計數(shù),則overflow值減1。定時器2增、減計數(shù)的判斷只需要查看全局通用定時器控制寄存器GPTCONA的位T2