Dienstag, 12. November 2013

[WIP] Ein neuer Versuch mit ASURO

Ich bearbeite für das Studium eine Projektarbeit für die Roboterplattform ASURO. Den Verlauf der Entwicklung werde ich hier dokumentieren. Ziel ist es ein Betriebssystem zu erstellen, dass die Werte der sechs Sensoren kontinuierlich ermittelt und sie für den Programmierer aufbereitet. Dazu gehört neben der reinen Speicherung der Messwerte eine, abhängig vom Sensor, kontinuierliche Verarbeitung. Deshalb habe ich mich in letzter Zeit intensiv mit der Wandlung von analogen Spannungen zu digitalen Werten beschäftigt; konkret mit der Wandlung von Spannungen eines IR-Transistors an einem ATmega8.
Der ADC des ATmega8 hat 6 Eingänge in der PDIP Konfiguration und zwei Ausleseverfahren. Einmal die einmalige Wandlung des aktuellen Wertes, und dann die kontinuierliche Wandlung. Dabei wird nach jeder vollständigen Konvertierung direkt eine neue angestoßen. Wenn ich kontinuierlich alle verfügbaren ADC Eingänge auslesen möchte, muss dazu eine interne Logik entwickelt werden, die die Messwerte und die Sensorauswahl steuert. Der normale Verlauf ist, dass der ADC Multiplexer (MUX) eingestellt wird, die Spannung gemessen und das Ergebnis als 10 bit Wert in einem 16 bit Register abgelegt wird. Wenn man aber so schnell wie möglich den Wert eines beliebigen Eingangs verwenden will, muss die Wandlung schon im Voraus durchgeführt und die Ergebnisse vorgehalten werden. Für diesen Fall sind 6 Eingangsgrößen zu bestimmen. Jede der Größen wird nacheinander gewandelt und soll in einem Array zur Verfügung stehen. Nach jeder Konvertierung des ADC wird eine Interrupt Service Routine (ISR) aufgerufen. Diese sorgt für die Verarbeitung des aktuell ermittelten Messwertes. Dabei ist darauf zu achten, dass der Wert, der im Register zur Verfügung steht, der ist, der vor zwei ISR Aufrufen beantragt wurde. Das kommt daher, dass Der MUX beim Aufruf der ISR umgeschaltet wird. Dann wird die noch laufende Konvertierung beendet bevor der neu eingestellte Eingang des MUX an den ADC weitergegeben wird. Dann wandelt der ADC den Wert und ruft die ISR nach Beendigung dessen auf. Jetzt liegt als Ergebnis im Register der Wert für den vor zwei Aufrufen geschalteten MUX Eingang. Dies muss bei der Verwendung der Daten unbedingt beachtet werden, denn sonst kann nicht garantiert werden, dass die Werte an der richtigen Stelle im Array landen. Dazu habe ich eine einfache Funktion geschrieben, die als inline direkt in der ISR eingefügt werden kann. V wird immer um eins erhöht und bei erreichen von max wieder auf 0 gesetzt.
static inline uint8_t cycleValue(uint8_t v, uint8_t max) {
 if(v == max) v = 0;
 else v++;
 return v;
}
Im ASURO sind zwei Refelktionslichtschranken verbaut. Diese zeigen auf die Schwarz-Weißen Encoderscheiben am Getriebe der Räder. Für die Ermittlung der Drehtakte für die Räder wird so von den IR-Transistoren ein sinusförmiges Signal erzeugt. Dieses Signal ist einerseits einfach zu analysieren, andererseits stören Faktoren wie Streulicht, oder axiale Bewegungen der Zahnräder im Getriebe. Dieser Umstand wird mit einem Median-Filter umgangen. Dieser filtert alle Ausreißer in den Messwerten heraus und erzeugt dadurch eine ganz anschauliche Sinusform. Abbildung 1 zeigt den Verlauf von je 300 Messwerten der beiden Radsensoren vor und nach der Filterung.
Zwei sinusförmige Schwingungen, die mit einem Medianfilter geglättet wurden
Abb. 1 Sensorwerte Kanal 0 und 1 ohne und mit Medianfilter

Die Taktung der Radgeschwindigkeit geschieht einmal beim Übergang von hohem Messwert auf niedrigen und andersherum. Mit einem unteren und oberen Schwellwert, wie in Abbildung 2, rote Linie erhält man vier Zustände, die das Auswertesystem annehmen kann: Wert kleiner als die Maximumschwelle steigende Flanke, Wert kleiner als die Maximumsschwelle flanke fallend und des gleiche für die Minimalschwelle. Dabei bietet es sich an die Übergänge  in einem Zustandsautomaten zu berechnen.
Abb. 2 Grenzwert (rote Linie) und Markierungen für Ticks
Der Automat benötigt lediglich die Werte des ADC und kann dann dementsprechend zwischen den Zuständen durchschalten. Das Zählen der Schritte wird ebenfalls in dem Automaten erledigt. Es bietet sich an die Schritte in den unten markierten Zuständen zu zählen, aber es können natürlich auch die beiden anderen Zustände zum Zählen der Schritte verwendet werden.
extern inline void detectEdgeFlip() {
 switch (edge) {
  case RISING:
   if(adc_median_value < threshold[MIN]){
    edge = RISING_WAIT;
   }
  break;
  case RISING_WAIT: // Hier kann ein Schritt gezählt werden
   if(adc_median_value > threshold[MIN]){
    edge = FALLING;
   }
  break;
  case FALLING: 
   if(adc_median_value > threshold[MAX]){
    edge = FALLING_WAIT;
   }
  break;
  case FALLING_WAIT: // Hier kann ein schritt gezählt werden
   if(adc_median_value < threshold[MAX]){
    edge = RISING;
   }
  break;  
 }
Da die Sensoren auf dem Board des ASURO dem Umgebungslicht ausgesetzt sind, ist es wichtg, dass der Minimal- und Maximalwert ständig betrachtet wird und die Schaltgrenzen gegebenenfalls angepasst werden. Dazu werden die letzten 64 Messwerte für jeden Kanal abgespeichert und bei vollem Puffer der Minimal und Maximalwert gesucht.

Sehr wichtig ist es, dass die ISR nicht länger dauern darf als die Wandlung des ADC, denn sonst überholt der ADC die CPU und es kommt zur Blockade der Software, da nur noch die ISR verarbeitet werden kann. Die aktuelle ISR des ADC sieht sehr voll aus und ich werde demnächst die Laufzeitdauer messen. Eventuell müssen einige Funktionen ausgelagert und so sporadisch wie möglich aufgerufen werden.