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)能利用一臺發(fā)射器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)射單元的核心部件采用了一種新型的超小型、超低功耗、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)動器和接收器，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。該芯片具有先進的RISC架構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐率高達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可靠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)。這種傳輸方式可保證在任何一個瞬間，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，為了保證系統(tǒng)的可靠性，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。該方法可極大的提高MRFS的可靠性，從而為拓展MRFS功能提供了一個可靠的平臺。

責任編輯：gt