移动机器车的WiFi接口设计

修改稿收到日期:2009-09-02。

第一作者黄猛,男,1987年生,现为华东理工大学信息科学与工程学院控制科学与控制工程专业在读硕士研究生;主要从事控制理论与应用的研究。

移动机器车的W i Fi 接口设计D e s i gn o f W i Fi I n te rface fo r Ca r 2like M o b il e Ro bo t黄　猛　杜红彬(华东理工大学信息工程学院,上海　200237)摘　要:针对移动机器车在运行时状态参数难以实时检测的问题,设计了一个介于W iFi 模块和ST M32微控制器之间的无线传输接口。

在该接口设计中,移动机器车中的微控制器ST M32与W iFi 模块之间采用SP I 接口通信,并根据E M380的通信协议及时序,详细讨论了SPI 接口的设计程序。

最后通过利用VC 软件设计的上位机软件,在PC 机上显示了赛车速度、赛道中心线等信息。

实验结果验证了该无线接口传输数据的有效性,表明无线检测将成为移动机器车状态参数检测的发展方向。

关键词:嵌入式系统　移动机器车　W iFi ST M32　E M380　SPI 接口中图分类号:TP334.7 文献标志码:AAbstract:T o s olve the difficulty in detecting the state parameters p recisely in real ti m e when the car 2like mobile robot is in operation,a wire 2less trans m ission interface bet ween W iFi module and ST M32m icr o 2contr oller is designed .In the design,SP I interface communicati on is adop ted bet w een m icr o 2contr oller ST M32and W iFi module;in accordance with the E M380communication p r otocol and ti m ing sequence,the design p r o 2cedure of SPI interface is discussed in detail .By using VC,the soft w are in host computer is p rogrammed .The inf or mation about s peed of race 2car and the centerline of the racetrack etc .,is dis p layed on PC .The experi m ents verify the effectiveness of data trans m ission with this wireless interface and indicate that wireless detection will be the devel op ing directi on f or detecting parameters of the car 2like mobile r obots .Keywords:Embedded system Car 2like mobile robot W iFi ST M32　E M380　SP I interface0　引言在移动机器车实时运行过程中,常常需要观测一些重要的状态参数[1],如车速、跟踪误差、图像和舵机转角等,但是一直以来缺乏合适的支持工具将这些状态参数实时地发送到PC 中进行分析;另一方面,W iFi(wireless fidelity )无线技术近年来得到了较快的发展。

相比有线接入技术,W iFi 的网络连接具有更大的灵活性;而相比其他无线技术,如Zig Bee 、蓝牙等,W iFi 技术具有传输数据快、传输距离远的优势。

因此,它为移动机器车的实时数据传输提供了契机[2-3]。

本文提出了对移动机器车状态进行无线检测的接口设计和实现。

该设计采用MXCH I P 公司推出的E M380W iFi 模块进行无线通信,移动机器车上的核心微处理器采用ST 公司生产的ST M32Cortex 系列处理器。

该系列处理器处理能力强,可以在控制移动机器车运动的同时完成数据的采集与传输,而不影响数据传输速率,其实时性更强。

1　移动机器车与W iFi 技术介绍1.1　移动机器车介绍图1所示为移动机器车的框架图。

移动机器车的组成主要包括电源、摄像头、主控芯片等。

图1　移动机器车框架图Fig .1　Fra me work of car 2like mobile r obot在接口设计中,采用SP I 口实现主控制器与W iFi 的数据通信,移动机器车主控制器芯片采用ST M32系列微控制器。

微控制器具有哈佛结构的Cortex 2M3内核,Thu mb 22指令集以16位的代码密度实现32位的性能。

ST M32具有三种低功耗模式和灵活的时钟控制机制,用户可以根据自己所需的耗电/性能要求进行合理的优化;另外,其内部高度集成电源监控器,减少了对外部器件的需移动机器车的W iFi 接口设计　黄　猛,等求,因此,只需一个主晶振,就可以驱动整个系统;针对RTC 或看门狗的低频率RC 电路,LQPF100封装芯片的最小系统也只需七个外部无源器件。

1.2　W iFi 技术介绍W iFi 技术符合IEEE 规范下的802.11b 标准。

802.11b 标准定义了使用直接序列扩频DSSS (direct sequence sp read s pectrum )调制技术,在2.4GHz 频带实现11Mbit/s 速率的无线传输。

在信号较弱或有干扰的情况下,带宽可调整为5.5Mbit/s 、2Mbit/s 和1Mbit/s 。

目前,无线通信技术主要有蓝牙(B luetooth )、Zig 2Bee 和W iFi 技术这三种类型。

这三种技术的特点总结如下[2,4]。

首先,在传输速率上,尽管三者都工作在2.4GHz 的频段,但W iFi 的传输速率能达到11Mbit/s,而蓝牙和Zig Bee 一般只能达到1Mbit/s 和250kbit/s 。

其次,在传输距离上,W iFi 的覆盖半径可达100m;蓝牙在超过20m 之后信号质量下降严重;而Zig Bee 的传输通常受其发射天线影响很大,传输距离往往较近。

另外,W iFi 技术支持无线组网,只要设置一台有效距离的无线AP (access point ),就可允许多台PC 对其进行访问;蓝牙只能用于点对点连接;而Zig Bee 在组网复杂时,其传输速度会受到很大限制。

1.3　E MB 2380C W iFi 模块简介E MB 2380C 为该接口设计所选择的W iFi 模块。

它内部集成了嵌入式TCP /IP 协议栈,支持主流的常用协议,如ARP 、I C MP 、I P 、TCP 、UDP 、DHCP,可以向用户提供透明的UART 和SP I 数据传输。

在透明数据传输模式下,当模块启动后,用户可以像使用传统UART 和SP I 那样进行数据传输。

模块会将用户数据封装成数据帧,并通过WLAN 传送给远程的客户端。

2　接口设计与实现2.1　无线通信系统图2所示为该通信系统的示意图。

系统首先由微控制器完成数据采集,然后将状态数据传送至W iFi 模块中,模块再以无线方式将信息发送给带无线网卡的PC机。

图2　无线通信系统示意图Fig .2　Sche matic diagra m of the wireless co mmunicati on syste m2.2　接口原理图设计该接口系统采用SP I 全双工通信模式[5],在ST M32的SP I 1以及W iFi 模块上的SP I 口之间进行数据的收发。

ST M32微控制器是数据的发送源,所以,将其配置为主设备,E M380模块则配置为从设备。

在SP I 全双工通信模式下,须将主从设备的SP I 口中的SCK 、M I S O 、MOSI 引脚互联;另外,主设备的NSS 控制采用的是软件控制模式,而W iFi 模块的NSS引脚则通过PA4口控制其从模式选择,实际功能相当于该模块的片选。

图3所示为该系统的接口原理图,其中J 1和J 2为W iFi模块的两排引脚。

图3　接口设计原理图Fig .3　Designing p rinci p le of the interface另外,由于在与W iFi 通信的过程中需不断地检测模块状态W iFi_I N T 信号,所以,我们还需配置一个输入口PA 0,发送数据时先检测W iFi 的状态。

而PA 1口作为输出,用于软件控制W iFi 模块的复位RESET,这样能够消除硬件无法复位的问题。

SP I 通信时序如图4所示。

当ST M32和W iFi 模块初始化时,可以在ST M32的SP I 口的控制寄存器中选择时钟极性控制位,以使SCK 引脚在空闲时保持低电平,即CP OL =0;设置时钟相位,使得在SCK 第一边沿即进行数据位采集,即CPHA =0(当CPOL =0时,第一边沿即为上升沿),采集完成之后数据在SCK 第一个时钟边沿被锁存。

在整个数据发送过程中,主程序还必须控制PA 4输出,使从设备的NSS 管脚信号始终为低电平,从而实现W iFi设备的模式选择。

图4　SP I 通信时序图Fig .4　The ti m ing of SP I communicati on2.3　接口通信程序设计接口通信程序设计主要是根据W iFi 的通信协议来设计W iFi 模块与ST M32之间的SP I 通信程序的。

图5为E M380指令的通信时序。

移动机器车的W iFi 接口设计　黄　猛,等图5　E M380通信时序Fig .5　The ti m ing of E M380communicati on图5中:模块J 1的I N T 口与ST M32输入口P A 0连接,主程序通过判断PA 寄存器的值就可以获取当前模块的工作状态:当I N T 为低电平时,PA 0输入数据为0,表示ST M32可以向E M380发送命令或获取命令返回信息。

E M380的通信步骤主要如下:E M380加电后,J 2的I NT 一直保持为高电平,直到模块初始化完成,才被拉低;在E M380接收到ST M32发送命令的第一个字节后,其将I NT 置高;E M380在接收完一条ST M32命令后,会对这条命令进行处理,这需要等待一段时间;E M380在发送完命令响应信息后,会进行一些必要的处理,因此也需要等待一段时间;当这个处理完成后,E M380会将I N T 置低电平。