于PC104与C8051F120的水下机器人环境监测系统设计

摘要：为了实现对水下机器人周围环境的监测，提出了一种基于PC104与C8051F120的水下机器人环境监测系统设计方案，并完成系统的软硬件设计。该系统的硬件部分主要是采集下潜深度传感器、姿态传感器、温湿度传感器的数据，软件部分采用用Visual C++6.0设计了监控界面。该系统能够实时显示视频和各传感器数据。实际测试表明，该系统具有稳定性高、准确性高的特点，达到了设计要求。

水下机器人具有重大需求和巨大的市场价值，如：用于泵站流道和叶轮叶片、坝体、桥墩、排沙口、拦污栅、病险水库等的水下检查和评估。用于市政饮用水系统中水管、水库检查;用于城市排污/排涝管道、下水道检查;用于科学研究、教学目的的水环境、水下生物的观测、研究和教学;用于海洋考察、冰下观察;还有，随着当前全球化的安全局势的恶化，水下机器人可以广泛应用于安全部门，如：检查大坝、桥墩上是否安装爆炸物，船侧、船底是否有炸弹等。这些功能得实现都是基于水下机器人对于周围环境的监测，所以采用一种高效、实时、简单的系统来完成环境监测的功能是十分必要的。在做了多种系统的比较后，提出并设计了基于PC104与C8051F120的水下机器人环境监测系统设计方案，该系统能够完成对环境的监测功能。

1 总体设计

图1是系统总体结构图，岸上由微型计算机组成，实时显示视频图像和各传感器数据;水下由PC104、C8051F120、视频采集卡、模拟摄像头、温湿度传感器、姿态传感器、下潜深度传感器组成。PC104通过视频采集卡采集模拟摄像头的信号，C8051F120采集各传感器的数据，通过串口传输给PC104，PC104通过脐缆把视频信号和各传感器数据送给岸上的微型计算机，微型计算机进行实时地显示。

2 硬件设计

C8051F120是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，全速、非侵入式的在系统调试接口，高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，真正8位500 ksps的ADC，两个12位DAC，具有可编程数据更新方式，带PGA和8通道模拟多路开关，2周期的16 x 16乘法和累加引擎，128 KK或64KB可在系统编程的FLASH存储器，8448(8K+256)字节的片内RAM，可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口，硬件实现的SPI、SMBus /I2C和两个UART串行接口，5个通用的16位定时器，具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。

在本设计中PC104采用的是Em104P—i2909，温湿度传感器采用的是DHT11单总线传感器，姿态传感器采用的是SCA100T—D01。下潜深度传感器采用GB-2100A投入式压力传感器。电路使用了芯片内部自带的12位AD转换器、多路模拟选择开关和基准电压电路，使电路变得更简洁实用，并外接22.118 4 MHz晶振，经过9/4倍频得到50 MHz。由于温湿度传感器和姿态传感器都只需接在I/O口，下潜深度传感器接在模拟量输入口，故之介绍电路板的电源电路和串口电路。图2是电源电路原理图，图3是串口电路原理图。

3 软件设计

3.1 系统流程图

单片机程序软件采用的是Keil uVision4，并使用C语言编写程序。程序采用模块化的设计，分为AD转换程序、定时器中断程序、串口程序等。系统先对各个模块进行初始化，等到初始化完成后，系统进入主程序，等待中断，完成各个模块的程序。图4是主程序流程图。

3.2 传感器测量模块

舱内主要测量温度、湿度和水下机器人的姿态。对于温湿度传感器通过单片机的I/O口模拟时钟信号来进行读取数据，对于姿态传感器通过单片机的I/O口模拟SPI信号来进行读取数据。舱外主要测量水下机器人下潜的深度。通过C8051F120自带的12位ADC转换器，并选择模拟通道1进行下潜深度传感器的采集，把采集到的模拟量信号转换成数字量。AD转换器有4种转换启动方式，由ADCOCN中的ADC0启动转换方式位(ADOCM1，ADOCM0)的状态决定。转换触发源有：

1)向ADCOCN的ADOBUSY位写1;

2)定时器3溢出(即定时的连续转换);

3)外部ADC转换启动信号的上升沿，CNVSTR0;

4)定时器2溢出(即定时的连续转换)。

本程序采用向ADCOCN的ADOBUSY位写1作为启动方式。当通过向ADOBUSY写‘1’启动数据转换时，查询ADOINT位以确定转换是否结束，当转换结束后读出转换后的数据并处理。串口初始化和转换程序如下。

3.3 定时器中断模块

为了使系统达到低功耗的要求，采用定时器中断来使能各传感器，并对各传感器数据进行采集和处理。当100 ms定时器中断到来时，首先对赋予数据包的起始位，然后使能ADC，进行下潜深度传感器数据的采集;接着使能姿态传感器，读取姿态传感器数据，并对姿态传感器的X轴，Y轴数据进行正负的判别;最后使能温湿度传感器，进行温湿度传感器数据的采集并赋予数据包结束符。图5是定时器中断流程图。

定时器中断程序如下。

3.4 串口通信模块

串口通信模块主要是负责和工控机进行通信，当PC104需要传感器数据的时候，单片机就通过串口把数据发给PC104，PC104在把信息发送给岸上的微型计算机，供用户进行显示。图6是串口中断程序流程图。

串口中断程序如下。

4 视频图像的采集和传输

H264采用“回归基本”的简洁设计，不用众多的选项，获得比MPEG-4好得多的压缩性能;H.264加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误传和丢包的处理;H.264应用目标范围较宽，可以满足不同速率、不同解析度以及不同传输(存储)场合的需求。

RTP是一种网络传输协议，RTP协议不要求底层网络提供可靠的数据传输服务，它自身也不对报文丢失、重复和次序颠倒等差错进行处理。应用程序可以通过检测RTP报文固定头中的次序号发现传输过程中的差错。RTP具有较好的实时性，对于低带宽实时性要求高的场合很实用。

图7是视频结构图。PC104和微型计算机之间采用的是C/S模式。模拟摄像头的信号通过视频采集卡送入到PC104中，PC104通过H264压缩后，然后通过RTP传输给微型计算机，微型计算机接受到视频数据后进行解压显示。

5 实验应用

该系统用于水下机器人周围环境的测试。在进行测试时，通过按操作员控制器上面的相应按钮来实现相应的功能。当点击视频采集按钮时，视频图像数据会显示;当点击传感器数据采集按钮时，传感器数据会显示。测试界面如图8所示，图中的视频图像是水下桥墩的墙壁。当发现数据不对时，需要修改相应的电路或者程序。通过实际应用发现，该测试系统测试结果准确并且稳定可靠。

6 结论

经过试验测试得知，对于水下机器人舱体和舱内的基本环境监测问题，如水下机器人的姿态、舱内的温湿度、下潜深度和水下景象，传感器数据和视频数据都能够实时地采集，PC104与微型计算机之间的通信能够准确无误地传输，对于水下机器人周围环境的监测起到了实时监控的效果，为将来水下机器人的自主导航提供了有利的条件。