基于nRF905的无线通信模块在机器人竞赛中的应用

收稿日期 : 2006 - 08 - 02 作者简介 :孙晔 (1982—) ,女 ,辽宁锦州人 ,硕士研究生 ,主要研究方向为 电力电子与电力传动、计算机测控技术 ;范蟠果 ( 1960—) ,男 ,陕西西安 人 ,硕士生导师 ,副教授 ,主要研究方向为电力电子与电力传动、电力系 统及其自动化与计算机测控技术。 基于 nRF905的无线通信模块在机器人竞赛中的应用 孙 　晔 , 范蟠果 (西北工业大学 自动化学院 ,陕西 西安　710072) 摘要 :应用 TMS320F2812的 SP I接口对单片无线收发器 nRF905进行控制 ,并在此基础上建立了基于 nRF905的点对多点 无线通信控制系统。在软件编程上 , 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了能以两种方式控制机器人行走的通信协议 ,并给出了提高通信成功率的两个步 骤逐级结合的差错控制方法。最后对本无线通信系统中的差错控制方法进行了逐级验证 ,进一步明确了差错控制在无线 通信中的必要性和有效性。 关键词 :无线通信 ; nRF905; TMS320F2812;点对多点 中图分类号 : TP242. 6　　文献标识码 : A　　文章编号 : 1000 - 8829 (2007) 03 - 0053 - 03 Applica tion of W ireless Comm un ica tion M odule Ba sed on nRF905 in Robot Com petition s SUN Ye, FAN Pan2guo (School of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) Abstract: Single chip wireless transceiver nRF905 is controlled by the SP I interface of TMS320F2812, and the point2to2points wire2 less communication control system is built based on nRF905. In the software p rogramm ing, the communication p rotocol to control the walk for the robots is designed and the error control method of two step s gradually combination is p roposed. Finally the method of er2 ror control is checked step by step to p rove the necessity and effectivity. Key words:wireless communication; nRF905; TMS320F2812; point2to2points 　　当前智能机器人竞赛在国内外都得到了大力推广 ,而短距 离的无线通信控制技术已成为其中一个关键的技术环节。相比 红外线、家庭无线射频 (HomeRF)、802. 11等短距离的无线连接 技术而言 ,蓝牙 (B lueTooth)技术以其特有的强抗衰减抗干扰能 力及使用方便灵活等优点 ,更适合应用于智能机器人竞赛的无 线通信控制系统中 [ 1 ]。基于蓝牙技术的 nRF905单片无线收发 器可用于点对点及点对多点无线通信控制 [ 2 ]。 1　nRF905芯片及其应用电路 nRF905单片无线收发器工作在 433 /868 /915 MHz的 ISM 频段 ,由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调 制器组成 ,其应用电路模块如图 1所示。 模块引出端的意义为 : ①TXEN:数字输入 , TXEN = 1时发 射模式 , TXEN = 0时接收模式 ; ②TRX_CE:数字输入 ,使能芯片 发射或接收 ; ③PWR _UP:数字输入 ,芯片上电 ; ④uPCLK:时钟 输出 ,由晶体振荡器分频的输出时钟 ; ⑤CD:数字输出 ,载波检 测 ; ⑥AM:数字输出 ,地址匹配 ; ⑦DR:数字输出 ,接收或发射数 据完成 ; ⑧SP I_M ISO: SP I接口 , SP I输出 ; ⑨SP I_MOSI: SP I接口 , SP I输入 ; ⑩SP I_SCK: SP I时钟 ; λϖ SP I_CSN: SP I使能。 nRF905采用 Nordic公司的 VLSI ShockBurst技术 , Shock2Burst技术使 nRF905能够提供高速的数据传输而不需要昂贵的高速 MCU来进行数据处理 /时钟覆盖。在 ShockBurst RX模式中 ,地址匹配 (AM )和数据准备就绪 (DR )信号通知 MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。在 ShockBurst TX模式中 , nRF905自动产生前导码和 CRC校验码 ,数据准备就绪(DR)信号通知 MCU数据传输已经完成。2　多机器人通信系统的实现2. 1　TMS320F2812与 nRF905的接口设计本系统中采用 DSP芯片中的 TMS320F2812芯片 [ 3 ]控制无线收发芯片 nRF905的工作 ,如图 2所示。需要指出的是 : ①nRF905通过将与 RF协议有关的高速信号处理部分放到芯片内 ,提供给应用的 MCU一个 SP I接口 ,速率由 MCU 自 己 设 定 的 接 口 速 度 决 定。 ②本 系 统 中TMS320F2812作为主设备 , 工作在主输入 /主输出方式 ; 而nRF905 作 为 从 设 备 , 工 作 在 从 输 入 /从 输 出 方 式。在TMS320F2812的主动模式下 , SP ICLK引脚向通信网络输出的工作时钟频率为 6. 25 MHz,且采用无相位延迟的上升沿时钟模式 (即 SP ICLK为低电平有效 ,在 SP ICLK信号的上升沿发送数据 , 在 SP ICLK信号的下降沿接收数据 ) ,与 nRF905的通信速率为 50 kb / s。 nRF905发射时的输出功率设定为 + 10 dBm,主从结 点的 RF工作频率都设置为 433. 0 MHz。 2. 2　多机器人间的无线通信网络 如图 3所示 ,由于 nRF905芯片是基于蓝牙技术的 ,而蓝牙 ·35·基于 nRF905的无线通信模块在机器人竞赛中的应用 图 1　nRF905工作电路原理图 图 2　TMS320F2812与 nRF905硬件接口示意图 图 3　多机器人间无线通信原理图 技术要求其构成的无线通信网络 ———微微网 (p iconet)中的结点 个数最多不超过 8个 [ 1 ]。在 p iconet中所有的结点都是对等的 , 但在 p iconet建立与持续期间 ,其中一个设备被指定为主结点 , 其余 7个设备被指定为从结点 ,而且调频的顺序由主结点的地 址和时钟频率决定。主结点通过轮寻的方式查找从结点 ,从结 点只有在被主结点轮寻到以后 ,才能占用通信信道 ,且从结点之 间不能直接进行数据通信。图 3 中与上位 PC机相连接的 nRF905单片无线收发器可视为主结点 ,与机器人相连接的 nRF905单片无线收发器视为从 结点。 3　通信协议的设计及系 统的软件编程 3. 1　通信协议的设计 本系统中机器人采用两轮差 动方式驱动 ,通过控制步进电机 的左右两轮速度来控制机器人的 直线和转弯等各种行走动作。根 据实际应用中的需要 ,采用两种 方式控制机器人的行走。方式 一 :上位机同时控制 7个机器人 做相同的行走动作 ;方式二 :上位 机分时控制 7个机器人做相同或 不同的行走动作。 为了在同一程序中实现以上 两种功能 ,可以采用广播式发送 : 上位机上的单片无线收发器 nRF905和所有机器人上的单片 无线收发器 nRF905的 RF工作频率都设置在相同的 ISM频段 , 本系统中都设置为 433. 0 MHz;且将发射结点的“写 TX地址 ” 与接收结点在 SP I初始化配置中的“RX地址 ”都设置为相同的 地址值 ,本系统中都设置为 CCCCCCCC。每个控制周期上位机 发送一组数据给其控制的各个机器人 ,机器人根据自身的编号 读取命令中不同的字段 ,获得相应的控制命令。 考虑到 nRF905在实际应用中发送数据包的长度不宜太长 , 将地址与数据分开发送 ,即先发送地址后发送数据。以无线控制 机器人的行走为例 ,发送数据时通信协议的格式如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1所示。 表 1　待发送数据通信协议格式表 待发送数据 开始标志 使能标志 左轮速度 右轮速度 结束标志 1B 1B 2B 2B 1B 0xFF 0x55 [使能标志 ]为 　　　　　　1号 2号 3号 4号 5号 6号 7号 空 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 1 /0 每个机器人的 [使能标志 ]占 1bit,全部 7个机器人的 [使能标 志 ]加上首位“空 ”,共占用 1B。每个机器人的 [使能标志 ]有 “1”和“0”两种状态 ,在程序中设定当机器人接收的数据包中代 表自己 [使能标志 ]的一位为“1”时 ,机器人接收数据 ,为“0”则 不接收数据。此 [待发送数据 ]由微控制器发给 nRF905 后 , nRF905还会对其进行包装 ,加入前导码和 CRC校验码 ,然后进 行无线传输。 应用此通信协议实现前面提到的控制机器人行走的方式 一 ,只需要使 [使能标志 ]中从左至右的 2～8位同时为“1”即 可 ;若想实现方式二 ,则需要不同时设置 [使能标志 ]中从左至 右的 2～8位的状态为“1”,且可以在无线控制不同标号的机器 人时 ,设置不同的 [左轮速度 ]和 [右轮速度 ]。 优点 :此通信协议 [待发送数据 ]只有 7B的长度 ,在无线通 信过程中不易造成数据丢失 ,具有很好的实用性。 ·45· 《测控技术 》2007年第 26卷第 3期 3. 2　差错控制 使用 RF技术传输数据时很容易受到外界的干扰 ,使传输 的数据发生改变导致错误。本无线通信系统的校验功能模块是 用硬件方法实现的循环冗余校验 CRC ( cyclic redundancy check)。它由分组线性码的分支而来 ,其主要应用是二元码组 , 其编码简单且误判概率很低 ,在通信系统中已经得到了广泛的 应用。nRF905芯片提供两种编码方式 : 8位校验码和 16位校 验码。CRC校验由于实现简单 ,检错能力强 ,被广泛使用在各 种数据校验应用中 ,是进行无线数据通信差错控制的一种很好 的方法。本系统中在对 nRF905进行初始化配置时选用 16位的 CRC校验码。 为了进一步提高一定空间范围内 nRF905的通信成功率 , 程序中设计了两个步骤逐级结合的差错控制方法。 (1) Step1。由于无线通信杂波的干扰 ,可能导致 [待发送地 址 ]和 [待发送数据 ]被破坏 ,因此可以将 [待发送地址 ]和 [待 发送数据 ]发送多次 ,同时在接收方加一段更可靠的程序判断。 本系统中设定在一个程序周期中将每一个 [待发送地址 ]和 [待 发送数据 ]反复发送 5次 ,接收方接到 ≥3次即有效。 (2) Step2。应答确认过滤。接收方在收到有效数据后应反 馈给发送方一个确认信号 ,当接收方没有收到有效地址和数据 , 或是确认信号在反馈传输过程中丢失 ,则发送方在等待超时后 应重新发送地址和数据。需要强调的是 : ①为保证接收方反馈 图 4　发射端 TMS320F2812 工作流程 财务工作流程表财务工作流程怎么写财务工作流程图财务工作流程及制度公司财务工作流程 图 给发送方的确认信号的传输可靠性 ,从而避免不必要的时间浪 费 ,反馈信号的传输过程也应加入 Step1。②接收方在接收数据 和反馈给发送方确认信号的过程中应加入防死锁算法 ,这是嵌 入在 Step2中的一种判断算法。本系统采取让步算法解决死 锁 ,由于有 TMS320F2812的 SP I缓冲区的支持 ,保证了数据分 时接收和发送的实现。 3. 3　系统的软件编程 应用上述通信协议和差错控制方法 ,可以设计出当无线通 信系统控制机器人行走时 ,发射端、接收端 TMS320F2812的工 作流程 ,如图 4、图 5所示。 图 5　接收端 TMS320F2812工作流程图 需要指出的是 : ①本系统中的 [待发送地址 ]为广播地址值 CCCCCCCC,故在程序中直接将其发送 ,上位机的串口调试软件 中输入的只是 [待发送数据 ]。②进行数据传输时间间隔合法 性检测 ,发射数据之间的间隔至少 0. 1 s,本系统中将 SP I发射 数据的时间间隔设置为 0. 2 s。 (下转第 61页 ) ·55·基于 nRF905的无线通信模块在机器人竞赛中的应用 在描述完所有剖面中的关系后 ,还需要分配使用概率。使 用概率是在子剖面范围内的相对概率 ,主要来源于对相似产品 使用方式的统计或对同一产品使用方式的历史经验的统计。如 图 3的移机子剖面中 ,装机操作后到结束的概率为 0. 95,而再 进行返工拆机的概率为 0. 05。 约束条件是对某一次使用的限定 ,即当某次个体使用中 ,对 使用能否发生的限制。约束条件通常作为操作或包的前置条件 出现。 2. 4　操作描述视图 操作描述视图用来描述操作中输入变量及使用类的取值规 律。为了实现一个操作可能需要多个连贯的输入 ,或者并发输 入。简单情况下 ,操作的描述中的变量取值可以分为若干个等价 范围 ,在每个范围内按照均值关系取值 ;如果有着特殊要求 ,那么 可以在对变量的取值采取特殊的分布。图 5为操作描述示意图。 图 5　操作描述视图示意 2. 5　测试数据的生成 为了生成测试数据 ,需要指定测试数据生成的抽样方式 ,约 束关系实现方式 ,抽样个数 ,抽样允许出现的重复率等。基于使 用剖面的测试数据生成过程实质就是按照使用剖面进行随机抽 样的过程。随机抽样通常从最顶层的子剖面开始 ,如果在抽取 过程中抽取到某个包或操作 ,那么应该先执行包所包含的子剖 面或操作内部的描述 ,然后再抽取后续的操作或包。如果存在 前置条件 ,那么由条件决定该次抽取是否有效 ,如果无效 ,则需 要提升其他使用关系的发生概率 ,重新抽样。在抽取的过程中 , 如果抽取到终止 ,或者抽取到最顶层子剖面的出口 ,或者达到了 用户设置的抽取长度 ,那么就结束该次抽取过程 ,生成一组带有 序列或时序的测试数据。 3　结束语 使用剖面的提出是对 Musa操作剖面的有力扩展 ,为操作 剖面增加了动态的使用信息 ,使可靠性测试数据生成更加接近 于用户的真实使用。目前已经根据使用剖面方法开发出了软件 可靠性测试数据自动生成工具 TCS。该软件为测试人员提供了 一个形式化建模环境 ,并且基于建模可以自动生成 XML形式的 测试数据 ,根据需要可以将 XML形式的测试数据自动转换为符 合不同测试环境需要的测试脚本 ,从而实现自动化测试。 参考文献 : [ 1 ]　陆民燕 ,陈雪松. 软件可靠性测试及其实践 [ J ]. 测控技术 , 2000, 19 (5) . [ 2 ]　Regnell B, Runeson P,Wohin C. Towards Integration of use2case mode2 leing and usage2based testing[ J ]. The Journal of System and Software, 2000, 50: 117 - 130. [ 3 ] 　Elbaum S, Narla S. A methodology for operational p rofile refinement [A ]. Reliability and Maintainability Symposium, 2001. Proceedings. Annual, 2001, 22 - 25: 142 - 149. [ 4 ] 　Musa J D, Iannino A, and Okumoto K. Software reliability measure2 ment, p rediction, app lication[M ]. New York: McGraw2H ill, 1987. [ 5 ]　Muda J D. Operational p rofiles in software2reliability engineering[ J ]. IEEE Software, 1992, 10 (2) : 14 - 32. [ 6 ]　Musa J D. Software reliability engineering [M ]. New York: McGraw2 H ill, 1999. □ (上接第 55页 ) 4　实验与结果 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 为了测试本无线通信系统的通信范围、性能及本研究提出 的差错控制方法中的 Step1、Step2在改善无线通信性能上的作 用 ,做了一组实验 : 实验 1不采用差错控制方法 ; 实验 2只采用差错控制方法中的 Step1; 实验 3同时采用差错控制方法中的 Step1、Step2。 (1)实验环境。校园内实验室附近 ,实验区域属于电磁波 干扰比较大的场合。 (2)实验参数。左轮速度、右轮速度 (在 3个实验中将机器 人的左右两轮速度都设置为 350 Hz,目的是使机器人直线行 走 ,便于测量统计出无线通信的平均有效通信距离。实际上 ,无 线通信的平均有效通信距离与机器人的左右两轮速度的大小无 关。)。 (3)实验说明。对每一个实验做了 300次测试 ,统计无线 通信成功次数、失败次数和平均有效通信距离。 (4)实验结果。见表 2。 (5)结果分析。从表 2中可以看出 ,实验 1的无线通信成功 率为 288 /300 = 96% ,实验 2的无线通信成功率为 296 /300 = 98. 67% ,实验 3的无线通信成功率为 100%。可见差错控制方 法中的 Step2是一种最可靠的差错控制过滤方法。 表 2　无线通信实验结果表 左轮速度 /Hz 右轮速度 /Hz 成功次数 /次 失败次数 /次 平均有效 通信距离 /m 实验 1 350 350 288 12 31 实验 2 350 350 296 4 34 实验 3 350 350 300 0 35 　　本实验结果为在校园内实验室附近测得 ,测试区域属于电 磁波干扰较大的范围 ,若到郊外等电磁波干扰较小的场合进行 测量 ,本无线通信系统的平均有效通信距离将会更大。 参考文献 : [ 1 ]　王 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 达 ,牛继来 ,等. 蓝牙无线通信网络技术的研究 [ J ]. 哈尔滨商 业大学学报 , 2006, (2) : 66 - 69. [ 2 ]　Nordic Sem icondutor ASA Inc. Single chip 433 /868 /915 MHz trans2 ceiver nRF905 [ Z]. 2004. [ 3 ]　苏奎峰 ,等. TMS320F2812原理与开发 [M ]. 北京 :电子工业出版 社 , 2005201: 124 - 155. [ 4 ]　陈景航 ,杨宜民 ,等. 足球机器人无线通信子系统的研究 [ J ]. 电路 与系统学报 , 2006, (2) : 147 - 150. [ 5 ]　金宝华 ,张勇 ,等. 基于 nRF905 的无限数据多点跳传通信系统 [ J ]. 仪器技术与传感器 , 2004, (9) : 39 - 40. □ ·16·实时嵌入式软件可靠性测试数据自动生成方法