（控制理论与控制工程专业论文）移动机器人监控系统的设计与实现.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 摘 要 随着电子嵌入式技术的进步，移动机器人的研究及实现技术进入了全新的发展 阶段。工业领域中通过将移动机器人等设备大范围的互联起来进行集中监控。经典 的控制理论中，我们知道一个基本的控制系统通常会包含下述的这些模块，信息检 测模块、控制器模块、执行机构模块。这些关键模块的工作状态会直接关系到控制 系统的有效性和稳定性，那么掌握这些模块的详细信息具有中有作用。 本文探讨了一个基于 modbus 协议的移动机器人监控系统的设计与实现。在以 matlab 为开发平台的基础上实现该监控系统的构建，并用 modbus 协议保证通信的 可靠性，该系统可以监控下位机运行的动态情况并可以给予人工智能控制。在移动 机器人的整个调试过程中有着重要意义。 首先，论文介绍了本课题的研究背景及意义，并对国内外通信协议的现状做了 概述。 其次，论文介绍了与课题相关的一些基础知识，下位机移动机器人平台的整体 结构介绍及部分模块的详细介绍。 接着在第三章中，重点讲述对 modbus 的通信原理做了具体研究，并给出了详 细讲解，并用图形方式直观的表现出来，而后对 modbus 串行链路上传输的可靠性 进行了分析，从传输模式到传输数据错误校验等方面一一做了具体分析与研究。 之后， 在第四章中重点讲述了 matlab 中监控系统的界面设计过程， 并对 matlab 串口通信做了深入研究，接着讲述了 modbus 协议在监控系统中的设计和实现。 在第五章中讲述了监控系统的调试过程。 最后，对本课题进行了整体性总结，并给以后的工作提出了建设性的意见以及 发展方向。 关键词：关键词：modbus，监控，matlab，可靠，通信 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract with the development of the internet and electronic equipment,even including embedded systems technology, field bus technology have a more rapid development. different kinds of automation control equipment coming mature,because of the large range of internet and other equipments linked so perfect.as the serial communication itself is relatively simple and efficient to run and easy to program, it is still the most important communicate way for different automation devices. in accordance with the classical control theory, a typical control system usually contains the following modules.such as information detection module, controller module, implementing agency module. the key module state is directly related to the effectiveness and stability of the control systems. this paper discusses a mobile robot which is based on modbus protocol design and implementation of monitoring system. this monitoring system is designed on the matlab platform which can communicate through the modbus protocol to ensure the reliability of the achieved information. it can monite the dynamic information of the robot,also it can give the robot intelligent control. so this monitoring system have great significance in the debugging process. first, this paper introduces the background and the significance of this research.also it outlined the status of domestic and international communication protocols. second, this paper introduces some basic knowledge of the issues related with the mobile robot platform.including the overall structure of the robot platform and a detailed description of the module. then in the third chapter, it focuses on the principles of the modbus communication.with the hardworking to do the specific research, it gives detailed explanations, and also an intuitive graphical manner is shown. then it analysis the reliability of transmission on modbus serial link. it has to do specific analysis from the way of the transmission to data error checking. in the fourth chapter, it focus on the designing of the interface by matlab. then it has done in-depth study on the matlab serial communication.later it describes the 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 designing and implementation of the modbus protocol in control system. in the fifth chapter, it describes the debugging process monitoring system. finally, it has done the overall conclusion of this subject, and gives the constructive advice and direction of the future work. keywords: modbus, monitoring, matlab, reliable ,communication 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 随着种各样的自动化控制仪器等设备进行集中互联起来已经成为发展趋势。经 典的控制理论中，我们知道在一个基本的控制系统通常包含下述的这些模块，信息 检测模块、控制器模块、执行机构模块。这些关键模块工作状态直接关系到控制系 统的有效性和稳定性，那么掌握这些模块的详细信息具有中有作用。随着多功能智 能设备水平技术的不断提高， 越来越多的企业、 公司开始研究设计智能机器人平台， 随着研究的深入大大加快了智能机器人设备的多方向的研究领域的开拓。 在这些智能机器设备的研究开发过程中，需要用到辅助性系统比如监控系统来 维护移动机器人研究的顺利进行，通过对监控系统的合理使用一方面能给研究过程 带来方便，另一方面也能帮助研究人员更好的全局把握研究进展并推动研究进展。 其中用于监控调试智能机器设备的平台占有举足轻重的重要地位。通过该移动机器 人监控系统，研究人员可以随时了解掌握移动机器人的实时准确动态情况，而且可 以预测未来实时远程监控系统的开发更是未来潮流的趋势。这是因为一方面监控系 统能够提供良好的人机操作界面，方便研究人员、操作人员了解移动机器人的实时 运行动态情况，另一方面它可以提供便捷的互动操作界面让研究人员、操作人员实 现对移动机器人的运动控制。我们希望人机界面尽可能的友好，保证能最大程度的 友好的显示机器人的动态情况，便于研究人员、操作人员掌握各种相关智能机器设 备的动态信息。 瑞萨实验室研究小组开发的 hrrobot 移动机器人系统我们也可以把它看做一个 构造简单的智能机器设备。可以说是麻雀虽小却是五脏俱全，它的结构虽然相对简 单，但是各个环节应有尽有。而且由于它的整体构造相对简单，相对开发成本也比 较廉价，对学生来说是一个很好的研究学习平台对象，可见它的可实施性更广泛， 普及性也更开阔。 为了监控该移动机器人的实时运行状况，同时需要把移动机器人的相关状态信 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 息以及运行的动态信息，包括路面运行动态状况、电机信息、舵机信息,速度信息、 等发送到上位机，以便研究设计人员获得这些有用信息来实时监测移动机器人的运 行状态，同时研究设计人员在上位机可以控制移动机器人的运行，如加速度、改变 方向，设置各种相关移动机器人的参数以达到人工控制，由此可见监控系统的开发 具有现实意义。监控系统的开发在移动机器人平台的调试过程中对研究人员和操作 人员来说着重要的指导作用。一个好的、方便的、人性化的监控系统的使用，可以 使我们及时的收集移动机器人运行中的关键数据，并对数据进行必要的处理，直观 的反映该移动机器人的运行状态，同时更易发现并解决出现的相关问题。可见，这 是一个有非常实际并有着极大使用意义的题目。 1.2 国内外通信协议研究现状国内外通信协议研究现状 1) 当今国内外现场总线的发展状况 当今年代，在世界范围来看，总线技术已经发展的相当成熟，并已经与计算机 网络等技术融合共同发展，在各个行业、各个领域中随处可见它的广泛应用。伴随 着大批总线技术产品的问世，它们相互彼此之间就会有竞争1。随着竞争越来越激 烈，结果慢慢的在竞争中形成了当今市场上已经广泛应用的几大高频率使用的现场 总线，而且逐渐慢慢发展形成了各自不同的市场。这么多种现场总线的发展在国内 也不可避免的起了激烈竞争，其中在应用工程领域显得尤为明显。随着自主开发的 总线产品逐渐投入市场，使得现场总线应用发展更日新月异2。 2) 现代工业控制领域的两种发展趋势 一种趋势是在现场中，有着越来越多的重要数据传输信息需要向计算机传送， 另一种趋势是在下位机的底层设备也需要计算机通信技术能面向它方便传输3。现 场总线中我们可以看到现代计算机通信技术的高速发展。同时我们也发现计算机技 术同时也加快了现场总线技术的发展4。这是因为在现场总线技术中越来越深刻的 融入了计算机通信技术。这两者之间的发展是相辅相成的，共同发展，共同促进。 3) modbus 协议发展 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 随着自动化领域的发展，现场总线技术已经成为工业数据通信网络的基础，它 可以将工业现场中用到的各种各样不同型号类型的移动机器人，通过当今一定的网 络方式互联起来5。现场总线中制定了许多通信协议的统一标准，其中 modbus 协 议就是重要的标准之一，它已经是全球工业领域的流行协议之一6。modbus 协议的 出现， 拉开了工业网络发展的序幕。 在工业生产现场中发现各工业安装会对 modbus 的节点的数量安装几率越来越高，而且节点覆盖范围面逐渐扩展开来，得到了各个 研究领域的认可，逐渐成为公认的协议标准7。在当今市场上自动化设备越来越来 越多的领域使用分布式自动化架构， 就是将设备连接过程中应用modbus 通讯协议， 有的甚至还将 modbus 协议直接嵌入自己所生产的设备中8。由于 modbus 总线产 品的大量开发，它在操作人员中已经成为一种公用的通信标准。通过 modbus 协议 总行传输方式，可以很方便地将各种类型的厂商设备集合并通过共同合作，可以在 一定范围领域连成在工业网络上统一应用的庞大系统，同时在现场能进行集中监控 9。其中在现场总线中可以发现 modbus 协议的总线产品具有其重要的特点。它的 通信协议内容相对其他协议要简洁很多，而且从整体系统结构来看也相对稳定很 多，特别是产品在性能方面表现的很稳定，对操作人员来说应用也很方便，总体来 看 modbus 协议适应于信息量较小的控制系统中， 已经成为一种公用的通信标准10。 4) 基于单片机的 modbus 协议产品现状 通过市场上的单片机芯片加上一些必需的外围辅助逻辑器件制作成基于单片 机的 modbus 协议产品11。市场上单片机有着很丰富的硬件资源，同时也具有很丰 富软件资源，我们通过合理的配置特定功能元器件来实现所需功能。通过相关辅助 器件实现通信及自组网能力来实现很多需要的特定功能。由于在生产 modbus 协议 产品时所需要的硬件构成相对比较简单，而且它所具有的特定性能也比较稳定，更 有特点的是它的功能比较强且造价比较低，该产品已经大量应用12。不过在国内使 用的 modbus 产品大都是国外的，这是 modbus 产品在国内的现状。 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.3 本文的研究内容本文的研究内容 本文通过对 modbus 传输协议的研究，提出 modbus 协议设计方案，在 matlab 平台中搭建了移动机器人上位机监控系统。本文的工作内容主要分为以下几个方 面： 1) 概述移动机器人的发展以及移动机器人监控系统的研究意义。着重从实用 角度分析并给出本课题的研究背景及实际意义，同时对国内外通信协议的 现状进行研究，为整个论文奠定坚实的基础。 2) 整理与课题相关的基础知识，并对已有的下位机移动机器人平台做了详细 的整体结构介绍及部分模块的设计。 3) 着重讲述 matlab 开发平台环境中的监控系统的设计和实现， 对 matlab 串口 通信做了深入研究并给予具体实现。设计 modbus 数据传输协议，并给出 具体设计过程，最后成功搭建基于 modbus 协议的移动机器人监控系统。 4) 通过对常用通信协议的研究，提出 modbus 通信协议设计方案，对 modbus 的通信原理做了具体研究，并给出详细讲解。重点对 modbus 串行链路传 输的可靠性进行分析，从传输模式到传输数据错误校验等方面一一做了具 体的分析与研究。 5) 对移动机器人监控系统进行在线调试，对存在的问题给予全面的分析，并 提出解决策略。 6) 最后对本课题进行整体性总结，并给以后的工作提出建设性的意见以及发 展方向 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 硬件平台移动机器人的介绍 2 硬件平台移动机器人的介绍 移动机器人系统是由具有各种各样功能的模块组成。通过安装不同的硬件子模 块，一方面可以节约成本另一方面可以使模型精炼化。为了提高该移动机器人的人 工智能程度，并能迅速响应在执行过程中所给定的命令任务，那么该移动机器人有 个必要的前提条件，就是要有能力承载不同种类功能的传感器13。hrrobot 移动机 器人从传感器获取信息，并在微控制器中通过相关算法得出策略后对其数据进行处 理，再通过执行模块实现相应动作。本文通过模块化、结构化等普通硬件设计思想， 设计了能根据实际情况需要，随时安装不同功能的传感器并实现了具有无线网络通 信能力的移动机器人。此外还提供了各种各样的多种丰富的外设接口，是一个将嵌 入式技术融合应用于智能化设备的实际应用例子。 2.1 移动机器人的整体结构介绍移动机器人的整体结构介绍 该移动机器人采用结构化设计，动力系统和底盘构成驱动层，控制器、通信和 传感器构成控制层，主控制器在第三层。每部分结构都是是相对独立的模块，可以 根据需要实时情况进行装载和拆卸，移动机器人的整体结构主要分成 5 个部分： 移动机器人 控制系统通信系统传感器动力系统 底盘 图 2.1 整体组成部分 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2.2 实物图 其中在驱动层包含了驱动器和底盘。驱动层的设计是使它能够根据移动机器人 不同的运行环境来选取采用。比如会有室内和室外环境、也会有陆地和水面环境， 根据所处的环境需要来选择适合该环境的底盘，比如有履带式的、有轮式的、有船 型式的等。可以通过安装不同类型的地盘来适应所处环境，重点是能够合理应用。 而且在驱动层和控制层设计时，考虑到使用的灵活性，专门采用相互独立的设计， 这样在操作人员更换底盘时就不需要改动控制层。对移动机器人来说，这个功能很 强大大加大了整个移动机器人的灵活性。 在选择的控制器中，将其置于控制层一层中，它包含控制器、通信模块和传感 器模块。该移动机器人最有特色的地方是能提供各类型的接口，很方便的可以连接 各种不同的传感器模块。能够根据实际需要执行的任务，加载不同功能的传感器模 块，使得该移动机器人平台能用于多种用途。并且在控制层还增加了通信模块，一 起再加上底层的驱动层就已经构成了一个基本的移动机器人平台，能够实现一些较 低级的功能。 在主控制器层中， 主控制器采用 spi 接口或 usb 接口与控制级相连的。 这样做 的目的是使它能选择不同的主控制器。当需要实现较复杂的功能、也可能在特定情 况下要运行复杂的算法，这时候可以选择高性能的控制器，如果还需要实现大量、 高速的数据传输，操作人员可以将通信功能转移到主控制器层。 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i2c总线gprs模块spi总线 上位机 通讯接口 输入设备 通 讯 接 口 系统主控板 uart模块各类传感器模块摄像头模块 其他外设 触摸液晶屏 动力模块 （电机舵机等） 图 2.3 系统总体结构图 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2.4 底板详细结构图 在整个移动机器人操作过程中，使用驱动级来负责底盘的驱动；把控制级的任 务放在控制层，由它来负责传感器数据的采集和处理、机器人的运动控制、低速通 信等；而在主控制器层，操作人员使用主控制器来采用高速的处理器，实现复杂的 运算和进行高速通信。如果并不需要执行很复杂的任务时，这时就没必要添加主控 制器，通过使用驱动级和控制级就足够构成一个比较完整的移动机器人平台。这样 设计的目的不仅可以节约成本，更重要的是可以提高移动机器人的灵活性。 ad 接口接口 spi 接口接口 扩展输入 io 扩展输出 io 图像传感器 接触传感器 数据总线数据总线 红外测距传感 器 扩展模拟输入 接口 i2c 总线总线 超声 波传 感器 i2c 扩 展接 口 无线串口 0 无线串口 2 uart0 uart1 hrm16c/62p 开发板开发板 hrm16c/62p 开发板开发板 pwm 和码盘接口 tft 液晶屏 触摸屏 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.2 移动机器人的部分模块介绍移动机器人的部分模块介绍 2.2.1mcu 部分部分 mcu最小系统是嵌入式系统的重要部分， 控制移动机器人的正常运行。 若mcu 最小系统工作出现异常，则移动机器人就不能正常运行。因此，要保证 mcu 晶振 部分稳定可靠，避免和其它模块之间的干扰，同时能正常稳定的响应。这里采用瑞 萨的 m16c/62p 单片机。 瑞萨的 m16c/62p 单片机，主频可以达到 24mhz，片内存储器容量有 31kb 的 ram 空间和 384kb 的 rom 空间14。其中 11mb 的地址空间可以通过扩展达到 4mb。有单片模式、存储器扩展模式、存储器模式三种运行模式。拥有多功能的定 时器，其中定时器 a 有 16 位5 个通道，定时器 b 有 6 位6 通道15。三相 pwm 控制电路。串行接口部分有 uart3 通道，时钟同步串行 i/o2 通道。a/d 转换器 是 10 位26 通道，d/a 转换器是 8 位2 通道。m16c 有 29 个内部中断源和 8 个外 部中断源，4 个软件中断源。 2.2.2 电源部分电源部分 对于该移动机器人平台的各个部分比如主控制部分、传感器部分、舵机部分、 电机部分等，都会需要有不同的电压、不同的电流和不同的功率要求，这就需要系 统能分别为这些部分进行单独供电。电源部分不仅需要满足各个部分的额定需要要 求，而且还要需要做到保证安全、使用过程中保持稳定可靠、同时还要不干扰到平 台的其他部分的要求16。我们在设计的电源模块中能达到以下要求：能进行短路保 护，出现故障时能及时报警；具有电池防反插功能；对电量可以进行实时检测；欠 压时可以进行自动报警。 1) 电源总体结构图 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 dc 9v电池 电机 5v稳压 驱动板scb 3.3v稳压 传感器 图 2.5 电源总体结构图 3.3v 供电电流为 115ma，5v 供电电流为 650ma，系统采用电池供电方式，为 了在应用过程中保证电源的效率，这里选择采用开关电源。选择的芯片是 lm2596 芯片， 它能提供的最大电流可达到 3a。 输入的开关频率为 150khz， 输入电压在 7v 到 40v 之间，而输出的电压在 4.75v 到 5.25v 之间，如果把效率按照 80%来计算的 话，整个系统在满负荷时大概有 40的温升。如果外接传感器数量较多的话，scb 的稳压电路需要提供较大的电流，要充分考虑散热问题。基于 scb 的扩展性，它的 稳压电路还要留有足够的余量。各模块供电电源见附件 a m16c 具有低电压检测功能，当供电电压低于一定值时会产生中断、甚至复位。 当 hrm16c/62p 开发板上的复位芯片在达到这个低电压阀值前就会产生复位信号， 使得 m16c 的低电压检测功能无法使用。所以也就无法通过 m16c 的低电压检测功 能来实现简单的电量检测功能。因为该种情况，所以分配一路 ad 通道，测量供电 电压值来大致判断电池电量。在红外测距传感器模块，通过模拟复用开关，扩展了 8 路模拟通道。其中 5 路用来连接红外传感器，多出 3 路中，选择一路用于测量供 电电压。5v 电源经 rc 滤波后，通过模拟通道输入到 m16c 的 ad 口。rc 滤波可 以考虑使用。电池可能位于车体内，每次先将电池卸下在充电太过麻烦。在车体外 留出充电接口，可以在 scb 板上设计保护电路，防止过冲。 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.2.3 电机驱动部分电机驱动部分 在硬件结构中，为了充分发挥电池能量的利用率，并能把它提高到最大，所以 必须在驱动电路模块上损耗的功率尽量小。因为马力的大小与直流电机电流的大小 有关，它会随着直流电机电流的增大而增大。为了降低驱动的损耗，只能降低驱动 上的压降。在对直流电机的 pwm 值进行控制时，一般需要把 pwm 波频率控制在 1k 到 10k 之间，所以驱动电路的开关频率要达到 20k 及以上17。最后由于电机是 整个模型车系统中功耗最大的部分，若这部分发生故障，则可能会造成整个模型车 工作障碍，故要求驱动电路中需要含有缓冲、吸收、保护的电路，并且在任何输入 条件下均不能在原理上构成短路等危险情况。 电机耗电量大，对系统电源负担和冲击都很大，mcu 不能够直接驱动电机， 但需要电机的控制能够对 mcu 的命令进行即时的响应，故需要设计能够与电机电 源、mcu、电机进行交互，且性能优秀的电机驱动电路。 本平台采取了直接使用 mos 管搭建 h 桥的方案，为了直接驱动 mos 管采用 pn 对管的方式，并合理使用三极管作为缓冲管。这样可以使门控电压总是电池电 压，并能使得需要开通的一对 mos 管总是工作在饱和区。m1 和 m4 为正向导通的 一对管，m2 和 m3 为反向导通的一对管。 pwm 为高电平时， m1 打开 m2 关断， 电源驱动电机正转，pwm 为低电平时， m1 关断 m2 打开，电机正转释放电能。 电机可以看成是电感，通过 pwm 的占空比可以控制电机电流的平均值大小，即可 以控制电机转速。同理可以知道反转时的工作状态。先确定两个 mos 管的状态， 另外的两个 mos 管由 pwm 决定开或是关， 就可以控制电机转速。 驱动电机 arduino 4wd 的额定转速是 10000 转/min，减速比是 1 比 120，最大行驶速度可达到 68cm 每秒。该移动机器人尺寸有 200mm 长，170mm 宽，高约 105mm，不含电池总体重 量可达到 660 克。电机电压额定电压在 4.5v 到 6v 之间，最大载重可达到 800g。 电机用 9v 供电，pwm 信号为输入信号，光电码盘和电流检测为输出信号，还 有一个方向控制信号。该硬件平台实现了 pwm 控制，也可以进行方向控制，需要 知道速度是可以进行速度检测。通过光电码盘可以检测速度，也可以进行电机电流 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的检测，并进行过流保护。设计的关键在于 h 桥实现的选择，电机电流的检测，还 有保护措施的实施，在码盘测速时，测脉冲周期或者个数选定不同方案可能要选择 不同的定时器，其中的 timera 和 timerb 都具有事件计数模式，可以用来测脉冲个 数。timerb 具有脉冲周期/脉宽模式。 h桥死区 信号处理 电机电流 检测 逻辑控制 电压转换9v5v pwm 方向 控制 电流 信号 码盘 电机 速度 信号 图 2.6 电机驱动结构图 2.2.4 无线串口模块无线串口模块 在该移动机器人平台提供了无线串口模块，模块重量轻巧，体积也很小，非常 方便安装，能很稳定的进行无线数据的传输。该无线串口模块的通信基于 zigbee 协 议，设备具有较远的传输距离，很好的接收灵敏度，并且有很好的抗干扰能力，采 用完全确认的数据传输机制，保证了整个数据信息传输的可靠性18。硬件电压范围 在 2.0v 到 3.4 v 之间，而且还支持 csma/ca 功能。进行软件编程时输出功率完全 可以达到在-27dbm 到 4dbm 之间。 该无线串口模块是用飞思卡尔生产的叫做 mc13213 的单片机芯片为核心，并 通过添加合理的电路搭建组成的。该芯片可分成两部分，由低功耗低电压的 hcs08 内核组成的 mcu 部分和射频收发器部分。 mcu 的 hcs08 内核可控制 sci 模块，spi 模块等，并进行标准协议处理等。 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 且 mcu 可以控制射频收发部分， 用于无线通信。 该射频接收器采用 2.4ghz 的频带， 数据速率可达到 250kbit 字节每秒，可采用达到 16 通道的传输，完全可以进行全频 谱编码和译码19。在数据传输过程中，接收器的阻抗会发生变化，范围一般在 300 至 400 欧姆之间，传输的网络一定要能承受得住该范围的阻抗变化。一般在传输中 用数据包模式，该模式相对可降低 mcu 的能耗，传输时先将数据放在芯片内的缓 冲区再进行传输20。这种传输模式优于每次传输一个字节的数据流模式 。 off mode 关断模式 rst置位，转到idle模式25ms hibernate mode 深度睡眠模式 晶振停止spi口关断转到idle模式需要20ms doze mode 浅度睡眠模式 晶振工作在频率1m以下，spi口关 断，转到idle模式需要(3001/clko)us idle mode空闲模式 receive mode接收模式，转到idle模式需要144us transfer mode 发送模式，转到idle模式需要144us cca/energy detection mode 能量检测模式，转到idle模式需要144us 图2.7 mc13213的工作模式 关于无线模块的选用要注意两个特性，一个是传输的最大距离和串口的通讯速 率。大数据量传输时，这两个特性刚好相反，成反比例关系，若对于同一个射频指 标的无线通信设备，串口的传输速率高，那么传输的距离就会相对短些21。现在使 用的大部分无线模块都是尽可能的采取相关措施维持既能传输很远的距离又能大 数据量的传输。而对于传输距离的远近，主要和发送功率、接收灵敏度有关，在所 有外界环境条件相同的情况下，发送功率和接收灵敏度的和是衡量距离的标准22。 对计算得到两者之和的关系来确定，若相等则这两块无线模块的性能相似，传输的 距离是相同的，不过所要消耗的能量和原材料的成本间有差异，那么可以根据所要 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 达到的性能要求在最低的成本下选择模块。 scb 板由 hrm16c/62p 开发板+连接传感器的底板组成。 m16c/62p开发板 底板 传感器无线通信模块 扩展口i 扩展口ii 图2.8 scb板框图 2.2.5 摄像头摄像头 如果完整的采集图像数据，数据量太大，m16c 采集太困难。考虑到将来上层 会采用更高性能的 cpu，比如 32 位的 arm，图像数据会由它来处理，而且接口形 式会更简单，比如 usb 接口，所以这里设计了摄像头更多的是用于技术验证，以 及在实现图像传输、图像处理时有具体的处理对象。基于这种考虑，并不追求采集 图像的质量和实时性。 市场上容易购买到的适合于我们的摄像头模块， 采用 ov7620 图像传感器的比较多。ov7620 为数字式 cmos 彩色、黑白图像传感器，总有效像 素单元为 664492 像素，具有所谓的自动增益和以及叫做自动白平衡的控制，而 且可以根据个人爱好进行亮度、或者对比度、以及所谓的饱和度、也有通过 y 校正 等多种调节功能，其视频时序产生电路可产生行同步、也有场同步、也有混合视频 同步等多种同步信号和像素时钟等多种时序信号。 ov7620 的时钟频率可以达到 27mhz，可以进行逐行隔行扫描，而且 sccb 接 口的最大速率可达到 400kbit 每秒，而且逐行扫描模式可以大力支持全部的画面进 行曝光， 也可以对亮度和对比度进行调节， 同时还支持软件和硬件复位23。 ov7620 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 使用 fifo 作为图像传感器与单片机之间的数据缓存，通过设计一定的逻辑电路， 使图像传感器自动地将图像数据写入 fifo，同时 mcu 开始从 fifo 读出数据。图 像采集系统结构框图下图所示。 y0 y1 y2 . . . y7 camera ov7620 vsyn href pclk d0 d1 d2 . . . d7 w data 逻 辑 处 理 写脉冲 q0 q1 q2 . . . q7 r data pa0 pa1 pa2 . . . pa7 pb0 mcu fifo idt7205 读脉冲 图2.9 图像采集系统结构框图 ov7620 可以设置成单帧模式，考虑到 m16c 的处理能力，单帧模式是比较合 适的，电路设计也主要考虑单帧模式下的特点。在 m16c 和摄像头之间由 fifo 缓 冲。 摄像头输出的数据先输入到 fifo， 然后再由 m16c 读取 fifo 中的数据。 ov7620 图像读写 fifo 用到的控制信号及复位信号等可参考 ov7620 的使用手册。 2.3 本节小结本节小结 本节概述移动机器人的硬件平台设计，对移动机器人的整体结构及部分模块做 了详细介绍。重点研究移动机器人监控系统中应用的无线串口模块和摄像头模块。 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 监控系统的通信研究 3 监控系统的通信研究 3.1 modbus 通信协议概要通信协议概要 通信协议是实现设备间通信的条件，相当于两个人之间交流用的语言。在日常 语言交流中，我们都知道一句话的意思，是因为它有自己的语法规则。那么通信协 议也就相当于我们语言中的语法。若大家都不遵守这个规定，那么这个交流就无法 进行。我们需要做的是能让选用的语法能最方便快速的让交流双方实现交流。 modbus 通信协议也可以说是一种通用的语言格式。它的本质就是一个请求应答协 议，而且规定的协议格式是统一的，这样就可以相互都可以理解的语言在各种控制 器设备之间通信。在标定的协议中自然会规定应答响应的格式，最重要的特点是能 及时检查错误和及时反馈错误信息，能使各种控制器很好的识别和使用。 因为 modbus 具有可靠性、通用性，所以它已经发展为通用工业标准，进行集中监控。 3.1.1 modbus 通信原理通信原理 在 modbus 网络上通信时，各个在网络上的子设备都有自己唯一特定的设备地 址，根据数据链路线上发送过来的信息，各个设备都会通过及时检测然后进行对照 地址信息来找到是哪个设备发来的，然后采取先前设置好的操作24。若要给主控制 器回发已经接收到了的传输数据信号，就将相应的回馈信息给予传输进行回馈，该 信息同样是以 modbus 的信息帧格式传输进行回应25。 modbus 协议以数据传送中的 间隔作为一帧数据信息的帧头帧尾，对不同信息将采用不同的功能号识别方式，这 样可以便于扩展与下位机实现，且协议很规范，通过 crc 校验可以大大的保证所 传输的数据信息的可靠性和准确性。如果接收数据时数据信息之间的间隔时间已经 达到了定时器规定的大小，就把这种情况认为是传输的信息帧是该信息的开始数据 帧。而且把间隙时间设定为上一帧信息的结束帧，作为传输结束的标志位，下位机 需要做的就是将数据累加校验数据是否准确无误，通过判断数据与校验位相加和是 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 否为 0 xff 即可，还可以根据实际情况来确定接受哪些数据。 modbus 协议的功能码可以看成是由公共的功能码和由用户根据需要自定义的 功能码组成的26。对于功能码的定义，可理解成它主要是用来判断向主机根据预定 的指示将执行哪种操作，当其他子路上的设备机向主机设备发送报文的时候，就由 已经定义好的功能码来负责告诉主机设备到底应该如何的响应然后应该如何的执 行。用户通过加入不同的子功能码来定义不同类型的操作来实现需要的不同功能。 当链路上有其他的设备传输信息时，并且在向整个链路上的主设备发送传输的数据 信息报文，那么在其中传输的报文也将会含有数据单元。在该数据单元中包括了主 机要响应的附加信息。主机设备从收到的功能码判别对其他设备的响应，如果若是 没有错误的，主机对其原功能码做出响应。 若在 modbus 协议数据单元传输中的数据信息是没有任何差错的，而且经过判 定还与请求的功能号是一致的，那么此时主机就向其他子模块设备进行响应，而在 这个时候所得到的响应信息数据域中的信息就应该包括请求的数据信息。 主机发送请求 设备接收响应 执行操作响应功能码数据请求 图 3.1 正常响应框图 若在 modbus 协议数据单元中没有能正确的接收传输的数据信息，那么在该响 应的数据域中就会发现包含有一个非正常的异常码，而这个时候主机设备就会通过 此时的数据域信息来确定将要对下一个响应所应该采取的措施。 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 主机发送请求 设备接收响应 检测差错功能码数据请求 差错码异常码 图 3.2 异常响应框图 3.1.2 modbus 在串行网络上的传输原理在串行网络上的传输原理 当我们把 modbus 应用在串行传输的网络上进行数据信息传输时，通过一定的 操作流程即可。首先是操作人员先对主机设备进行操作，由它先发出一定的请求查 询传输数据信息。然后子从设备经过地址识别后给予响应应答信息。主机设备不仅 可以和链路上的其他设备进单独间的相互通信，同时也可以用利用广播数据消息的 方式发出信息，然后等待从设备给予响应。进行的单独通信和所谓的广播通信的不 同处在于进行单独通信时线路上的其他设备一定要返回给一个消息应答，而无论收 到的这个应答信号是错的还是正确的，但不同的是如果是以广播方式发出的话可以 对其不做任何反应，对应答还是不应答都是可以选择的。以下图示是 modbus 数据 传输通信协议在主机设备中进行查询时的传输数据帧格式。 地址域功能码数据crc校验 modbus串行链路 图 3.3 modbus协议数据传输时的信息帧格式 数据传输线路上的其他子设备，进行应答传输时的数据消息的格式也是一样 的， 比如会包括要进行操作的功能码， 对所要返回响应的信息数据采取同样的格式， 以及分配设置好的错误检测校验域。如果在信息数据传输过程中发现有些消息得到 是错误的，那么可以判定在数据链路传输中肯定有错误发生，这时候就给主机设备 回答信息，并在此时告诉主机设备该消息是错误的，那么预先设定好的操作就不能 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 再贯彻执行了。 以下是查询应答图 主设备发出 查询命令 设备的地址 功能代码 数据段 错误检测 从设备的回 应消息 设备的地址 功能代码 数据段 错误检测 图 3.4 查询应答周期图 在所有线路上的设备进行信息传输时，都需要有查询响应的过程。而且在查询 传输的数据信息中有以下步骤，他们会首先根据已有的特定唯一设备地址来找到对 应的发送信息应该由哪些设备来接受。然后就由设定了的功能代码完全利用存储在 数据段区域内的全部附加信息为依据来确定对应的接收设备到底应该如何执行相 应的操作。其中在数据段域中通常情况都可以包含接收设备的对应需要的各种具体 操作信息或者是数据信息。比如发出操作邀请的设备到底从这么多的寄存器当中选 取哪个读或者对这个寄存器应该怎么取里面的相关信息，采取什么样的操作步骤。 最后是校验步骤，用传输的数据信息的帧格式中的错误检测域来检测，我在传输中 发送的消息有没有正确接收， 如果是正确的就进行功能码规定的操作， 若是错误的， 20 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 那就 返回错误的代码信息。有一点比较灵活，实际使用当中，完全可以应用符合实 际情况的检测校验算法。通常可以根据 modbus 通信协议的传输原理知道，当在线 路中的接收设备中产生的回应传输数据消息中的功能码和经过所谓的查询传输数 据消息的功能码进行详细判定后，如果是相等的那么就会说明该传输过程是正确 的，而这个时候就可以把数据段域对应的所有传输数据信息保存到该接受设备所对 应的数据段域内。反之，当数据信息在传输过程中出现错误时，无论大小，都会返 回所出现的具体错误信息以及所设置对应的功能码，而且数据信息的数据段域中会 显示是什么样的错误具体信息。我们也可以这样说，对于主机设备的话，它完全可 以使用错误检测域来判断线路上传输的数据信息到底内容正确不正确，可以根据对 应的实际情况做对应的处理操作。 3.2 modbus 协议的可靠性分析协议的可靠性分析 3.2.1 modbus 的传输模式的传输模式 在数据链路上进行信息传输时，网络线路上所选用的控制设备就会根据所选择 的传输模式来对传输的数据信息进行打包操作，然后形成该传输模式下的报文，当 然在该报文中包括已经确定了的如何解码方法及如果在线路上要传输，那么应该怎 么样的方式传输。一般进行数据信息的传输时会采取两种传输方式。 地址功能代码 数据位数 数据1数据ncrc高字节 crc低字节 enter键 图 3.5 ascii 模式 当再链路中传输数据信息时所选用的传输设备，用 ascii 模式作为整个数据信息的 传输模式。那么该数据信息在 modbus 网络上传输通信时，数据信息帧中对于发出 的数据传输消息将会用每 8 位字节在这里当做是两个 ascii 字符来进行传输发送。 通常会用冒号字符作为该链路上传输数据信息的开始标志，遇到冒号就意味着一帧 消息将要开始。当准备好一切后，然后用回车换行符作为一帧数据传输消息的结尾 21 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 标志，而对消息帧中的其他的设置域我们可以使用转化成的字符进行线路上消息的 传输。当已知道的链路上的主机有消息发出后，那么网络上的其他子设备立马就会 进入检测状态，当它一旦接收到开始标志位冒号信号。这个时候，每个网络上存在 的所有设备就开始解码相对应的地址域，若能检测到是自己对应的地址域，那么就 会返回回应信息。在数据传输消息的字符发送期间内，当有每个字符间的发送时间 超过一秒的时候，我们就认为该传输的数据消息在传输过程中发生了错误，所接收 的是错误信号。 空闲 请求发送 开始发送 并发送所有字符 发送“:” 发送“cr” 发送结束 发送 “lf” 接收字符 将接收的字符放入接收缓冲区 接收“：”字符 等待“帧结束” 接收“lf”字符 接收“cr”字符 接收“：” 清空接收缓冲区 消息 图 3.6 ascii模式状态图 其中对于图中的 cr 是指回车字符， lf 是指换行字符， 在网络上进行选择 ascii 模式传输时，一般会通过选择采用回车换行来作为线路上数据传输信息帧的结束标 志位。当在传输时，发现在当前传输的数据报文还没有完全接收完时就已经收到了 冒号字符，这是应该认为该传输的数据报文信息在传输过程中有错误产生，这时的 处理方式是将其丢弃。此时设备自然会分配新的接收字符缓冲区。这时，若侦测到 22 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 回车换行字符，那么认为传输的数据信息帧已经结束就开始校验操作。再来判断地 址域，根据传输过来的地址域信息再来判断应该发送的是哪个设备，若已经检测到 了地址域是当前设备对应的地址域，则对该