作者：劉貴春,，李小堅 

基于全局視覺的多仿生機器魚系統(tǒng)multiple robotic fish system,，mrfs一般由機器魚子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng),、決策與仿真子系統(tǒng)和無線通信子系統(tǒng)四部分組成,。其中，無線通信子系統(tǒng)主要負責(zé)決策與仿真子系統(tǒng)和機器魚子系統(tǒng)的信息交互�,，F(xiàn)階段,，機器魚子系統(tǒng)和決策與仿真子系統(tǒng)之間多采取單向通信,，即決策與仿真子系統(tǒng)形成的控制命令通過計算機串口和無線發(fā)射單元發(fā)送給機器魚子系統(tǒng)，而機器魚子系統(tǒng)則是通過自帶的無線接收單元來接收單元來接收上位機的命令,，并由機器魚載avr單片機對接收到的命令進行處理,，從而控制多仿生機器魚的行為，使其完成某一任務(wù),。所以,，該通信系統(tǒng)應(yīng)能利用一臺來向多個機器魚來發(fā)送相應(yīng)的命令。本文根據(jù)mrfs實時,、準確的實際要求,，對通信子系統(tǒng)的硬件設(shè)計和通信協(xié)議進行了分析描述。

1 多仿生機器魚通信子系統(tǒng)的硬件設(shè)計

mrfs通信系統(tǒng)由無線發(fā)射單元,、通信線纜和均線接收單元組成,。無線發(fā)射單元通過電纜和主機相連，以便將決策子系統(tǒng)的命令以無線廣播的方式發(fā)送給每個機器魚自帶的接收單元,；而無線接收單元則和機器魚載單片機相連,，主要是根據(jù)命令來控制機器魚的行為。該通信子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

1.1 無線發(fā)射單元的硬件設(shè)計

在本文介紹的設(shè)計方法中,，無線發(fā)射單元的部件采用了一種新型的型,、功耗,、高速無線數(shù)傳modem無線收發(fā)模塊ptr2030，圖2所示是該模塊的引腳排列示意圖,。其引腳功能如下：

vcc：正電源,；
cs：頻道選擇端，該端必須為高即cs=1,，以選擇工作頻道為315 mhz,；
do：數(shù)據(jù)輸出端；
di：數(shù)據(jù)輸入端,；
gnd：電源地,；
pwr：節(jié)能控制端，當pwr為高電平時,，為正常工作狀態(tài),；pwr為低電平時，為待機微功耗狀態(tài),；
txen：發(fā)射接收控制端,，當txen為1時，模塊為發(fā)射狀態(tài),；txen為0時,，模塊為接收狀態(tài)。

該模塊由單ic組合而成，接收發(fā)射合一,，內(nèi)置環(huán)形天線,，體積小，非常適合嵌入式設(shè)備,；它采用fsk調(diào)制方式,，工作頻率為國際通用的315mhz數(shù)傳頻段，抗干擾能力很強,；單向傳輸速率可達20 kb／s,，而且工作電壓低2.7～3.3 v，功耗小,，待機狀態(tài)時的電流僅為8 μa,；此外，模塊還與cmos和ttl邏輯兼容,，可直接與單片機串口相連,，編程非常方便。

由于決策子系統(tǒng)生成的控制命令是由主機通過常用的rs-232串行接口發(fā)出的,，而ptr2030可以接收的是ttl／cmos電平,，因此，該接口電路需要進行電平轉(zhuǎn)換,。本設(shè)計采用intersil公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片icl232來完成該轉(zhuǎn)換,。icl232芯片包含兩路驅(qū)動器和，可以完全滿足系統(tǒng)的要求,。ptr2030的pwr端接高電平可使其處于工作狀態(tài),；txen端可通過icl232由上位機編程控制；di端和do端則通過icl232和上位機的rxd和txd相聯(lián),。icl232將rs-232電平轉(zhuǎn)化為ttl電平后,，可通過諷制發(fā)射模塊ptr2030以無線電波的形式發(fā)射出去。無線發(fā)射單元的原理圖如圖3所示,。

1.2 無線接收單元的硬件設(shè)計

決策子系統(tǒng)的控制命令由無線發(fā)射單元以無線電波方式發(fā)送后,，經(jīng)無線接收單元解調(diào)為單片機可識別的信號并送到機器魚載單片機進行處理，以實現(xiàn)對各機器魚的控制,。由于單片機系統(tǒng)可以直接接收ttl／cmos電平,，所以，ptr2030和單片機之間不需要進行電平轉(zhuǎn)化,，可以直接連接,。這樣，ptr2030無線modem的di端應(yīng)接單片機串口的發(fā)送端,，do端應(yīng)接單片機串口的接收端,。利用單片機的i／o端口可以對模塊的發(fā)射,、頻道轉(zhuǎn)換和低功耗模式進行控制。在mrfs系統(tǒng)中,，機器魚載單片機采用atmel公司推出的新型avr單片機atmega16l,。該芯片具有的risc架構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐率1 mips／mhz,，故能較好的處理系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾,，非常適用于機器魚或機器人這樣實時性和性要求較高的智能系統(tǒng)。該無線接收單元原理圖如圖4所示,。

2 通信協(xié)議的設(shè)計

在mrfs中,，一臺pc機上位機通常需要對應(yīng)多個機器魚下位機，因此,，該系統(tǒng)屬于主從式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),。本設(shè)計采用單工通信方式即決策系統(tǒng)的命令由pc機發(fā)送給各個機器魚載單片機，機器魚的運動信息通常是由視覺子系統(tǒng)提供給pc機,，而機器魚本身不向pc機發(fā)送命令,。單工通信系統(tǒng)的協(xié)調(diào)完全由發(fā)送端控制，發(fā)送端采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)或命令,，然后由各機器魚全部接收,，并將接收的地址碼與自己的地址碼進行比較，地址碼不同則忽略數(shù)據(jù)不做任何響應(yīng),；地址碼相同,，則證明某個機器魚已被pc機尋址，該機器魚則根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)或命令進行不同的響應(yīng),。這種傳輸方式可在任何一個瞬間,，只有一個機器魚被尋址，從而避免了相互干擾,。圖5所示是某個機器魚通信子程序的流程圖。由于本系統(tǒng)采用的是無線數(shù)據(jù)傳輸方式,，因而數(shù)據(jù)必須進行規(guī)定格式的處理,，其數(shù)據(jù)包的格式如下：

3 糾錯編碼的設(shè)計

在無線通信系統(tǒng)中，盡管硬件電路中已引入了一些抗干擾措施,，但數(shù)據(jù)在傳輸過程中,，不可避免地還會受到各種干擾，從而使通信接收端收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送端實際發(fā)出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象,。因此,，為了系統(tǒng)的性，設(shè)計時必須在通信系統(tǒng)中加入差錯控制編碼糾錯編碼措施,。常用的糾錯控制方式主要有三種：檢錯重發(fā)arq,、前向糾錯fec和混合糾錯hec,。本系統(tǒng)是單工通信方式，適合采用既有檢錯功能又有糾錯功能的bch 7,，4前向糾錯分組碼控制,，因而需要使用兩字節(jié)的長度來發(fā)送一字節(jié)的有效信息。事實證明,，該糾錯方式無論在多機器魚系統(tǒng)還是在足球機器人系統(tǒng)都取得了較好的效果,。

4 結(jié)束語

本文介紹了多仿生機器魚通信子系統(tǒng)的接收和發(fā)射單元的硬件設(shè)計和通信協(xié)議。討論了機器魚通信子系統(tǒng)的軟件運行程序和通信中的糾錯編碼設(shè)計方法,。該方法可的提高mrfs的性,，從而為拓展mrfs功能提供了一個的平臺。