CN101236421B - 一种现场总线多传感器融合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于现场总线的多传感器融合装置。该装置以处理单元为核心，包括与之相连的模拟信号采集单元，声纳信号采集单元，参数存储单元，标准数字通信接口单元和现场总线通信单元，处理单元通过模拟信号采集单元，声纳信号采集单元，标准数字通信接口单元采集外部各种传感器信号，通过现场总线通信单元与外部装置通信，参数存储单元完成装置内参数保存。本发明实现了基于现场总线通信的多传感器融合，设计合理标准接口资源丰富，可以扩展方便，成本低，易于在智能型家用服务机器人上应用。
Description
技术领域
本发明涉及家用服务机器人多传感器装置，具体地说为一种在智能型家用服务机器人系统上使用的、用于采集多个传感器的信号、并将信号处理后通过现场总线通信的现场总线多传感器融合装置。
背景技术
在智能型家用机器人系统中需要通过多个传感器来完成对周围环境信号的采集，现有的传感器信号采集装置多采用并行结构通信或采用多种传感器信号采集装置扩展的方式，这样即不方便机器人内部的连线，又不具备很好的抗干扰性能，同时采用多个信号采集装置又增加了系统成本和各装置之间协调的难度。
发明内容
为了克服上述不足，本发明的目的是提供一种现场总线多传感器融合装置，它采用串行总线新结构，包含丰富的传感器标准接口资源，具有原有结构的全部功能，并具有布线简单，抗干扰能力强等特点，采用单个处理器完成系统内传感器信号的融合处理，成本低，易于扩展和在智能型家用机器人上应用。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案为基于现场总线的串行总线结构，包括：处理单元，模拟信号采集单元，声纳信号采集单元，参数存储单元，标准数字通信接口单元和现场总线通信单元六部分；模拟信号采集单元、声纳信号采集单元和标准数字通信接口单元将得到的传感器信号传送至处理单元，处理单元将得到的数据处理后通过现场总线通信单元完成与外部装置通信，同时参数存储单元可将装置所需要的数据进行保存；具体：
所述处理单元，接收模拟信号采集单元，声纳信号采集单元，标准数字接口单元和现场总线通信单元的信号，将信号处理后通过串行数据线送至现场总线通信单元，并可通过控制信号访问参数存储单元，实现参数的读取和存储；
所述模拟信号采集单元，通过模拟信号输入接口接收外部传感器的模拟信号，由单元内的运算放大器信号处理后，通过模拟信号线送至处理单元；
所述声纳信号采集单元，通过声纳传感器接口读取外部器返回信号，返回的信号通过单元内的光电隔离器送至处理单元，同时处理单元控制外部传感器的信号经过逻辑译码器译码后由光电隔离器送至声纳传感器接口控制外部传感器协调工作；
所述参数存储单元，处理单元通过控制信号访问参数存储单元，可将装置内部当前的状态及所需要的参数进行保存，在装置掉电后所保存的数据不会丢失；
所述标准数字通信接口单元，包括2个可独立控制的RS232接口，2个I2C总线接口。处理单元通过串行数据与串口控制器相连，串口控制器通过串行信号及RS232接口同外部装置通信。处理单元通过串行数据I2C总线接口相连，I2C总线接口通过串行总线与外部装置通信；
所述现场总线通信单元，通过串行信号与处理单元通信，将处理器串行信号转换为符合现场总线标准的信号送至单元内的第三光电隔离器，信号经第三光电隔离器后由现场总线接口控制器将现场总线信号转换为适合传输的电平，实现与外部装置之间通信。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明通过串行的布线方式，简化了原来并行布线的复杂度，特别是可适用于一些有特殊要求的场合的电控部分设计结构。
2.本发明采用单独处理器完成多个传感器信号的采集和融合工作，即不需要多处理器之间通信又降低成本。
3.由于本发明包含丰富的标准接口资源，可以方便的通过串行现场总线进行扩展，在不同的应用场合可以通过软件调整进行灵活组合，同时不需要进行硬件修改，减少了开发周期。
附图说明
图1为总体结构图。
图2为处理单元原理图。
图3为模拟信号采集单元原理图。
图4为声纳信号采集单元原理图。
图5为参数存储单元原理图。
图6为标准数字通信接口单元原理图。
图7为现场总线通信单元原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1～7所示，本发明包括：处理单元，模拟信号采集单元，声纳信号采集单元，参数存储单元，标准数字通信接口单元和现场总线通信单元六部分，由处理单元通过控制信号访问模拟信号采集单元、声纳信号采集单元和标准数字通信接口单元，用于采集外部传感器信号，处理单元将信号处理后通过串行信号访问现场总线通信单元与外部装置进行通信，同时由处理单元通过控制信号与参数存储单元通信实现系统内部参数存储和读取。
所述处理单元，接收模拟信号采集单元，声纳信号采集单元，标准数字接口单元和现场总线通信单元的信号，将信号处理后通过串行数据线送至现场总线通信单元，并可通过控制信号访问需参数存储单元，实现参数的读取和存储。具体包括：
单片机D1，所述单片机D1通过控制信号线、串行信号线、模拟信号线分别与声纳信号采集单元的逻辑译码器D2、第一～二光电隔离器D7～D8、模拟信号采集单元的第一～三运算放大器D3～D5、参数存储单元的参数存储器D21、现场总线通信单元的现场总线控制器D17、标准数字通信接口单元的串口控制器D6、第一～二I2C接口D30～D31相连；
所述模拟信号采集单元，通过模拟量输入接口接收外部传感器信号，信号经运算放大处理后通过模拟信号线送至处理单元。具体包括：
第一～三运算放大器D3～D5，所述第一运算放大器D3接收电压基准器D22及第一模拟量输入接口D23的模拟信号，第二～三运算放大器D4～D5接收第二～五模拟量输入接口D24～D27的模拟信号，分别将信号处理后通过模拟信号线与处理单元的单片机D1相连；
电压基准器D22，所述电压基准器D22产生供AD转换工作的基准电压源，与第一运算放大器D3相连；
第一～五模拟量输入接口D23～D27，所述第一～五模拟量输入接口D23～D27接收外部传感器信号，将信号输入至第一～三运算放大器D3～D5；
所述声纳信号采集单元，接收处理单元的信号，经过逻辑译码后依次通过第一～二光电隔离器D7～D8和第一～八声纳传感器接口D9～D16传送控制信号给外部传感器，同时外部传感器返回信号经光电隔离器送至处理单元。具体是：
逻辑译码器D2，所述逻辑译码器D2接收处理单元的单片机D1的控制信号，将信号译码处理后送至第一～二光电隔离器D7～D8；
第一～二光电隔离器D7～D8，所述第一～二光电隔离器D7～D8接收逻辑译码器D2的控制信号，将信号送至第一～八声纳传感器接口D9～D16，同时接收第一～八声纳传感器接口D9～D16输入的信号，将信号送至处理单元的单片机D1；
第一～八声纳传感器接口，所述第一～八声纳传感器接口通过控制信号与第一～二光电隔离器D7～D8相连，通过控制信号和传感器返回信号与外部传感器相连；
所述参数存储单元，通过控制信号与处理单元相连，可将装置内部当前的状态及所需要的参数进行保存，在装置掉电后所保存的数据不会丢失。具体是：
参数存储器D21，所述参数存储器D21通过控制信号与处理单元的单片机D1相连；
所述标准数字通信接口单元，通过串行数据与处理单元相连，将信号转换后与外部装置通信。具体是：
串口控制器D6，所述串口控制器D6通过串行数据与处理单元的单片机D1相连，将TTL信号转换为RS232电平后与第一～二RS232接口D28～D29相连；
第一～二RS232接口D28～D29，所述第一～二RS232接口D28～D29与外部装置通信，通过串行信号与串口控制器D6相连；
第一～二I2C接口D30～D31，所述第一～二I2C接口D30～D31通过串行总线与处理单元的单片机D1相连，通过总线信号与外部装置通信；
所述现场总线通信单元，将处理单元的串行信号转换成适合传输的现场总线信号，同时将外部装置的现场总线信号转换为串行信号送至处理单元。具体是：
现场总线控制器D17，所述现场总线控制器D17通过串行信号与处理单元的单片机D1相连，将串行信号转换后送至第三光电隔离器D18；
第三光电隔离器D18，所述第三光电隔离器D18与现场总线控制器D17相连，将信号隔离后送至现场总线接口控制器D19；
现场总线接口控制器D19，所述现场总线接口控制器D19将第三光电隔离器D18的串行数据转换为适合传输的现场总线信号后与现场总线接口D20相连；
现场总线接口D20，所述现场总线接口D20与外部装置通信，内部同现场总线接口控制器D19相连。
本发明具体工作过程及原理为：
处理单元中单片机接收模拟信号采集单元，声纳信号采集单元，标准数字通信接口单元采集并转换之后的外部传感器数据，根据各个传感器反馈的信号运算处理后，得出当前服务机器人的一些状态，通过现场总线通信单元与其他装置通信，根据其他外部装置的需要将不同的状态通过现场总线通信单元传送。装置内部需要记录的数据可由参数存储单元储存，并具有掉电后保持的功能。
本实施例所述单片机D1可以采用LPC2138，逻辑译码器D2可以采用74LVC139，第一～四运算放大器D3～D5可以采用LM358，第一～二光电隔离器D7～D8可以采用TLP280-4，现场总线控制器D17可以采用MCP2510，串口控制器D6可以采用MAX3232，第三光电隔离器D18可以采用传输速度1M以上的高速光电隔离器，如6N137，现场总线接口控制器D19可以采用82C250，参数存储器D21可以采用X5163。
Claims (7)
1.一种基于现场总线的多传感器融合装置，其特征在于包括：
为基于现场总线的串行总线结构，具有多种标准接口，包括：处理单元，模拟信号采集单元，声纳信号采集单元，参数存储单元，标准数字通信接口单元和现场总线通信单元六部分；以处理单元为核心，通过模拟信号采集单元，声纳信号采集单元，标准数字通信接口单元采集外部各种传感器信号，通过现场总线通信单元与外部装置通信，参数存储单元完成装置内参数保存；其中：
所述处理单元，接收模拟信号采集单元，声纳信号采集单元，标准数字接口单元和现场总线通信单元的信号，将信号处理后通过串行数据线送至现场总线通信单元，并可通过控制信号访问参数存储单元，实现参数的读取和存储；
所述模拟信号采集单元，通过模拟信号输入接口接收外部传感器的模拟信号，由单元内的运算放大器信号处理后，通过模拟信号线送至处理单元；
所述声纳信号采集单元，通过声纳传感器接口读取外部传感器返回信号，返回的信号通过单元内的光电隔离器送至处理单元，同时处理单元控制外部传感器的信号经过逻辑译码后由光电隔离器送至声纳传感器接口控制外部传感器协调工作；
所述参数存储单元，处理单元通过控制信号访问参数存储单元，可将装置内部当前的状态及所需要的参数进行保存，在装置掉电后所保存的数据不会丢失；
所述标准数字通信接口单元，包括2个可独立控制的RS232接口，2个I2C总线接口，处理单元通过串行数据线与串口控制器相连，串口控制器通过串行信号及RS232接口同外部装置通信，处理单元通过串行数据线与I2C总线接口相连，I2C总线接口通过串行总线与外部装置通信；
所述现场总线通信单元，通过串行信号与处理单元通信，将处理器串行信号转换为符合现场总线标准的信号送至单元内的第三光电隔离器，信号经第三光电隔离器后由现场总线接口控制器将现场总线信号转换为适合传输的电平，实现与外部装置之间通信。
2.按照权利要求1所述基于现场总线的多传感器融合装置，其特征在于：所述处理单元包括：
单片机，所述单片机通过控制信号线、串行信号线、模拟信号线分别与声纳信号采集单元的逻辑译码器、第一～二光电隔离器，模拟信号采集单元的第一～三运算放大器，参数存储单元的参数存储器，现场总线通信单元的现场总线控制器，标准数字通信接口单元的串口控制器、第一～二I2C接口相连。
3.按照权利要求1所述基于现场总线的多传感器融合装置，其特征在于：所述模拟信号采集单元包括：
第一～三运算放大器(D3～D5)，所述第一运算放大器(D3)接收电压基准器(D22)及第一模拟量输入接口(D23)的模拟信号，第二～三运算放大器(D4～D5)接收第二～五模拟量输入接口(D24～D27)的模拟信号，分别将信号处理后通过模拟信号线与处理单元的单片机相连；
电压基准器，所述电压基准器产生供AD转换工作的基准电压源，与第一运算放大器相连；
第一～五模拟量输入接口，所述第一～五模拟量输入接口接收外部传感器信号，将信号输入至第一～三运算放大器。
4.按照权利要求1所述基于现场总线的多传感器融合装置，其特征在于：所述声纳信号采集单元包括：
逻辑译码器，所述逻辑译码器接收处理单元的单片机的控制信号，将信号译码处理后送至第一～二光电隔离器；
第一～二光电隔离器，所述第一～二光电隔离器接收逻辑译码器的控制信号，将信号送至第一～八声纳传感器接口，同时接收第一～八声纳传感器接口输入的信号，将信号送至处理单元的单片机；
第一～八声纳传感器接口，所述第一～八声纳传感器接口通过控制信号与第一～二光电隔离器相连，通过控制信号和传感器返回信号与外部传感器相连。
5.按照权利要求1所述基于现场总线的多传感器融合装置，其特征在于：所述参数存储单元包括：参数存储器，所述参数存储器通过控制信号与处理单元的单片机相连。
6.按照权利要求1所述基于现场总线的多传感器融合装置，其特征在于：所述标准数字通信接口单元包括：
串口控制器，所述串口控制器通过串行数据与处理单元的单片机相连，将信号转换后与第一～二RS232接口相连；
第一～二RS232接口，所述第一～二RS232接口与外部装置通信，通过串行信号与串口控制器相连；
第一～二I2C接口，所述第一～二I2C接口通过串行总线与处理单元的单片机相连，通过总线信号与外部装置通信。
7.按照权利要求1所述基于现场总线的多传感器融合装置，其特征在于：所述现场总线通信单元包括：
现场总线控制器，所述现场总线控制器通过串行信号与处理单元的单片机相连，将串行信号转换后送至第三光电隔离器；
第三光电隔离器，所述第三光电隔离器与现场总线控制器相连，将信号隔离后送至现场总线接口控制器；
现场总线接口控制器，所述现场总线接口控制器将第三光电隔离器的串行数据转换为适合传输的现场总线信号后与现场总线接口相连；
现场总线接口，所述现场总线接口与外部装置通信，内部同现场总线接口控制器相连。
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