王嘉軍，唐鴻儒，苗飛躍

（揚(yáng)州大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225007）

水下機(jī)器人具有重大需求和巨大的市場價(jià)值，如：用于泵站流道和葉輪葉片、壩體、橋墩、排沙口、攔污柵、病險(xiǎn)水庫等的水下檢查和評(píng)估。用于市政飲用水系統(tǒng)中水管、水庫檢查；用于城市排污/排澇管道、下水道檢查；用于科學(xué)研究、教學(xué)目的的水環(huán)境、水下生物的觀測、研究和教學(xué)；用于海洋考察、冰下觀察；還有，隨著當(dāng)前全球化的安全局勢(shì)的惡化，水下機(jī)器人可以廣泛應(yīng)用于安全部門，如：檢查大壩、橋墩上是否安裝爆炸物，船側(cè)、船底是否有炸彈等。這些功能得實(shí)現(xiàn)都是基于水下機(jī)器人對(duì)于周圍環(huán)境的監(jiān)測，所以采用一種高效、實(shí)時(shí)、簡單的系統(tǒng)來完成環(huán)境監(jiān)測的功能是十分必要的[1]。在做了多種系統(tǒng)的比較后，提出并設(shè)計(jì)了基于PC104與C8051F120的水下機(jī)器人環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)能夠完成對(duì)環(huán)境的監(jiān)測功能。

1 總體設(shè)計(jì)

圖1是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，岸上由微型計(jì)算機(jī)組成，實(shí)時(shí)顯示視頻圖像和各傳感器數(shù)據(jù)；水下由PC104、C8051F120、視頻采集卡、模擬攝像頭、溫濕度傳感器、姿態(tài)傳感器、下潛深度傳感器組成[2]。PC104通過視頻采集卡采集模擬攝像頭的信號(hào)，C8051F120采集各傳感器的數(shù)據(jù)，通過串口傳輸給PC104，PC104通過臍纜把視頻信號(hào)和各傳感器數(shù)據(jù)送給岸上的微型計(jì)算機(jī)，微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)地顯示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power unit

2 硬件設(shè)計(jì)

C8051F120是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU芯片，全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口，高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的 CIP-51內(nèi)核，真正 8位 500 ksps的 ADC，兩個(gè) 12位 DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式，帶 PGA和 8通道模擬多路開關(guān)，2周期的 16 x 16乘法和累加引擎，128KK或64KB可在系統(tǒng)編程的 FLASH存儲(chǔ)器，8448（8K+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM，可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，硬件實(shí)現(xiàn)的 SPI、SMBus/I2C和兩個(gè) UART串行接口，5個(gè)通用的16位定時(shí)器，具有6個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列，片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器[3]。

在本設(shè)計(jì)中PC104采用的是Em104P-i2909，溫濕度傳感器采用的是DHT11單總線傳感器，姿態(tài)傳感器采用的是SCA100T-D01。下潛深度傳感器采用GB-2100A投入式壓力傳感器。電路使用了芯片內(nèi)部自帶的12位AD轉(zhuǎn)換器、多路模擬選擇開關(guān)和基準(zhǔn)電壓電路，使電路變得更簡潔實(shí)用，并外接22.118 4 MHz晶振，經(jīng)過 9/4倍頻得到 50 MHz。由于溫濕度傳感器和姿態(tài)傳感器都只需接在I/O口，下潛深度傳感器接在模擬量輸入口，故之介紹電路板的電源電路和串口電路。圖2是電源電路原理圖，圖3是串口電路原理圖。

圖2 電源電路原理圖Fig.2 Schematic the power circuit

圖3 串口電路原理圖Fig.3 Schematic serial port circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程圖

單片機(jī)程序軟件采用的是Keil uVision4，并使用C語言編寫程序。程序采用模塊化的設(shè)計(jì)，分為AD轉(zhuǎn)換程序、定時(shí)器中斷程序、串口程序等。系統(tǒng)先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，等到初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入主程序，等待中斷，完成各個(gè)模塊的程序[4]。圖4是主程序流程圖。

3.2 傳感器測量模塊

圖4 主程序流成圖Fig.4 Flow chart the main program

艙內(nèi)主要測量溫度、濕度和水下機(jī)器人的姿態(tài)。對(duì)于溫濕度傳感器通過單片機(jī)的I/O口模擬時(shí)鐘信號(hào)來進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，對(duì)于姿態(tài)傳感器通過單片機(jī)的I/O口模擬SPI信號(hào)來進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。艙外主要測量水下機(jī)器人下潛的深度。通過C8051F120自帶的12位ADC轉(zhuǎn)換器，并選擇模擬通道1進(jìn)行下潛深度傳感器的采集，把采集到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。AD轉(zhuǎn)換器有4種轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式，由ADC0CN中的ADC0啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式位（AD0CM1，AD0CM0）的狀態(tài)決定。轉(zhuǎn)換觸發(fā)源有：

1）向 ADC0CN的AD0BUSY 位寫1；

2）定時(shí)器3溢出（即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換）；

3）外部ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)的上升沿，CNVSTR0；

4）定時(shí)器2溢出（即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換）。

本程序采用向ADC0CN的AD0BUSY位寫1作為啟動(dòng)方式。當(dāng)通過向 AD0BUSY寫 ‘1’啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，查詢AD0INT位以確定轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)并處理。串口初始化和轉(zhuǎn)換程序如下。

3.3 定時(shí)器中斷模塊

為了使系統(tǒng)達(dá)到低功耗的要求，采用定時(shí)器中斷來使能各傳感器，并對(duì)各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理[5]。當(dāng)100 ms定時(shí)器中斷到來時(shí)，首先對(duì)賦予數(shù)據(jù)包的起始位，然后使能ADC，進(jìn)行下潛深度傳感器數(shù)據(jù)的采集；接著使能姿態(tài)傳感器，讀取姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)姿態(tài)傳感器的X軸，Y軸數(shù)據(jù)進(jìn)行正負(fù)的判別；最后使能溫濕度傳感器，進(jìn)行溫濕度傳感器數(shù)據(jù)的采集并賦予數(shù)據(jù)包結(jié)束符。圖5是定時(shí)器中斷流程圖。

圖5 定時(shí)器中斷流程圖Fig.5 Flow chart the timer interrupt

定時(shí)器中斷程序如下。

3.4 串口通信模塊

串口通信模塊主要是負(fù)責(zé)和工控機(jī)進(jìn)行通信，當(dāng)PC104需要傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)候，單片機(jī)就通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)給PC104，PC104在把信息發(fā)送給岸上的微型計(jì)算機(jī)，供用戶進(jìn)行顯示。圖6是串口中斷程序流程圖。

圖6 串口中斷流程圖Fig.6 Flow chart the Serial port interrupt

串口中斷程序如下。

3 視頻圖像的采集和傳輸

H264采用“回歸基本”的簡潔設(shè)計(jì)，不用眾多的選項(xiàng)，獲得比MPEG-4好得多的壓縮性能；H.264加強(qiáng)了對(duì)各種信道的適應(yīng)能力，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語法，有利于對(duì)誤傳和丟包的處理；H.264應(yīng)用目標(biāo)范圍較寬，可以滿足不同速率、不同解析度以及不同傳輸（存儲(chǔ)）場合的需求。

RTP是一種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，RTP協(xié)議不要求底層網(wǎng)絡(luò)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，它自身也不對(duì)報(bào)文丟失、重復(fù)和次序顛倒等差錯(cuò)進(jìn)行處理。應(yīng)用程序可以通過檢測RTP報(bào)文固定頭中的次序號(hào)發(fā)現(xiàn)傳輸過程中的差錯(cuò)。RTP具有較好的實(shí)時(shí)性，對(duì)于低帶寬實(shí)時(shí)性要求高的場合很實(shí)用[6]。

圖7是視頻結(jié)構(gòu)圖。PC104和微型計(jì)算機(jī)之間采用的是C/S模式。模擬攝像頭的信號(hào)通過視頻采集卡送入到PC104中，PC104通過H264壓縮后，然后通過RTP傳輸給微型計(jì)算機(jī)，微型計(jì)算機(jī)接受到視頻數(shù)據(jù)后進(jìn)行解壓顯示。

圖7 視頻結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of the viedo

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

該系統(tǒng)用于水下機(jī)器人周圍環(huán)境的測試。在進(jìn)行測試時(shí)[7]，通過按操作員控制器上面的相應(yīng)按鈕來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。當(dāng)點(diǎn)擊視頻采集按鈕時(shí)，視頻圖像數(shù)據(jù)會(huì)顯示；當(dāng)點(diǎn)擊傳感器數(shù)據(jù)采集按鈕時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)會(huì)顯示。測試界面如圖8所示，圖中的視頻圖像是水下橋墩的墻壁。當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不對(duì)時(shí)，需要修改相應(yīng)的電路或者程序。通過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該測試系統(tǒng)測試結(jié)果準(zhǔn)確并且穩(wěn)定可靠。

圖8 測試界面圖Fig.8 Interface chart of the test system

5 結(jié) 論

經(jīng)過試驗(yàn)測試得知，對(duì)于水下機(jī)器人艙體和艙內(nèi)的基本環(huán)境監(jiān)測問題，如水下機(jī)器人的姿態(tài)、艙內(nèi)的溫濕度、下潛深度和水下景象，傳感器數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)都能夠?qū)崟r(shí)地采集，PC104與微型計(jì)算機(jī)之間的通信能夠準(zhǔn)確無誤地傳輸，對(duì)于水下機(jī)器人周圍環(huán)境的監(jiān)測起到了實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果，為將來水下機(jī)器人的自主導(dǎo)航提供了有利的條件。

[1]徐玉如，李彭超.水下機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)[J].自然雜志，2011（3）:125-132.

XU Yu-ru，LI Peng-chao.The development trend of underwater robot[J].Chinese Journal of Nature，2011（3）:125-132.

[2]Kim T W，Yuh J.Development of a real-time control architecture for a semiautonomous underwater vehicle for intervention missions[J].Control Engineering Practice，2004（12）:1521-1530.

[3]張培仁，孫力.基于C語言系列微控制器原理與應(yīng)用（C8051F）[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.

[4]徐慧民，安德寧，丁玉珍.單片微型計(jì)算機(jī)原理、接口及應(yīng)用[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2007.

[5]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[6]丁貴廣，計(jì)文平，郭寶龍，等.Visual C++6.0數(shù)字圖像編碼[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[7]李軍浩，胡泉偉，吳磊，等.極化/去極化電流測試技術(shù)的仿真研究[J].陜西電力，2011（4）：1-5.

LI Jun-hao，HU Quan-wei，WU Lei，et al.Simulation study of polarization and depolarization current measurements technology[J].Shaanxi Electric Power，2011（4）：1-5.