NXT Lichtsensor mit Matlab/Simulink

Signalverarbeitungskette eines Lego Mindstorms NXT/EV3 Lichtsensor 9844 und auslesen in Matlab Simulink

Autor: Eileen Hinners

Einleitung

Abb. 1: Lego NXT-Lichtsensor

Der folgende Artikel befasst sich mit der Inbetriebnahme eines NXT-Lichtsensors und dem Auslesen bzw. Verarbeiten der Daten in Matlab. Entstanden ist der Artikel im Rahmen der Vorlesung Signalverarbeitende Systeme im Sommersemester 2018. Zunächst werden die Grundlagen zur Arbeit mit dem Sensor beschrieben und daraufhin umgesetzt.

Projektplanung

Hier kommt der Teil zur Projektplanung rein.

Auswahl des Primärsensors

Abb. 4: Belegung NXT-Pinout

Funktionsweise des Sensors

Abb. 2: Modus 1

Abb. 3: Modus 2

Der Lego Lichtsensor besteht aus einer roten LED mit Vorwiderstand, sowie einem Phototransistor mit Arbeitswiderstand. Der Lichtsensor kann in zwei verschiedenen Betriebsmodi benutzt werden. Im ersten Modus ist die LED ausgeschaltet. Der Phototransistor agiert als Empfänger und nimmt die vom Umgebungslicht reflektierten Strahlen des da-vorstehenden Gegenstandes auf. Je nach Intensität der eingehenden Strahlung, verändert sich die Gleichspannung im Phototransistor. Für den zweiten Betriebsmodus wird die rote LED dazugeschaltet. Die LED ist dabei in die gleiche Richtung ausgerichtet, wie der Phototransistor. Deshalb kann die LED ein Hilfslicht ausstrahlen, das von dem betreffen-den Gegenstand reflektiert wird und auf den Phototransistor trifft. Um betrieben werden zu können bietet der Sensor das NXT Sensor Interface Pinout an. Dieses ist in sechs verschiedene Pins aufgeteilt. [Vgl. Bild]. Der erste Pin (weiß) übernimmt dabei die Funktion der Übertragung des analogen Outputs. Am zweiten (schwarz) und dritten (rot) Pin liegt die Erde an. Über den vierten Pin (grün) wird die Betriebsspannung angelegt. Die Steuerung des Modus lässt sich über den fünften Pin (gelb) des NXT Sensor Interface Pinouts steuern. Um den zweiten Modus zu wählen, wird an dem Pin eine Spannung von 5 V angelegt. Der sechste Pin ist beim Lichtsensor nicht belegt.

Inbetriebnahme des Sensors

Die Inbetriebnahme des Sensors ist über mehrere Varianten möglich. Die erste Variante ist die direkte Messwerterfassung über den EV3. Dabei wird zunächst ohne Computeranbindung eine Messwerterfassung gestartet. Auf dem Display wird der Graph mit den Messwerten in Echtzeit angezeigt. Zusätzlich können der Ist-Wert, die Dauer, Minimum und Maximum, sowie der Durchschnittswert angezeigt werden. Nach Beenden der Erfassung wird eine Messwertdatei auf dem Brick gespeichert, die über die Lego Mindstorms EV3 Education Software geöffnet werden kann. In der EV3-Software wird der Lichtsensor zu den Farbsensoren gezählt und kann über den Farbsensor-Block gesteuert werden. Trotz der unterschiedlichen Versionen ist die Nutzung des NXT-Sensors mit dem neueren EV3 möglich. Da dieses Projekt in Matlab bzw. Simulink umgesetzt werden soll, muss eine Verbindung vom EV3 zu Matlab hergestellt werden. Für Matlab und Simulink ist jeweils ein Add-On verfügbar um den EV3 zu steuern. Nach Herstellen der Verbindung zwischen Matlab und dem Roboter können die verbundenen Sensoren ausgelesen werden. Die Kategorien sind analog zur EV3-Software. Der Lichtsensor wird allerdings nicht als „color“-Sensor, sondern als „NXT-Light“ angezeigt. Für das Auslesen des NXT-Lichtsensors ist keine eigene Funktion vorhanden. Auch ein Verbinden über die Funktion des Farbsensors, wie in der EV3-Software, ist nicht möglich. Für den NXT ist eine ähnliche Toolbox in Matlab verfügbar, die auch eine Funktion zum Aufrufen des NXT-Lichtsensors besitzt. Die Tool-box ist allerdings nicht mit dem EV3-Brick kompatibel, sodass keine Verbindung zum Brick hergestellt werden kann. Aus diesem Grund scheidet die Verwendung des EV3-Bricks im Nachhinein aus. Um trotzdem eine Umsetzung in Matlab bzw. Simulink zu ermöglichen, wird als Mikrocontroller nicht der EV3-Brick, sondern ein Arduino Uno genutzt. Da der Arduino nicht über einen Anschluss für das NXT Sensor Interface Pinout verfügt, musste das Verbindungskabel aufgetrennt werden. Um nicht das hochschuleigene Kabel zu nutzen, wurde ein eigenes gekauft, aufgetrennt und die einzelnen Adern mit Jumperkabeln, den Isolierungsfarben entsprechend, verbunden.

Rohsignale des Sensors

Die Rohsignale des Sensors liegen im Voltbereich. Nach der Verarbeitung sollen Werte zwischen 0 (dunkel) und 100 (hell) ausgegeben werden. Die Signale sind einheitenlos.

Signalvorverarbeitung

Hier kommt der Teil zur Signalvorverarbeitung rein.

Analog-Digital-Umsetzer

Der Analog-Digital-Umsetzer für die Signale des Lichtsensors sitzt im Co-Processor (Atmel AVR) des NXT-Brick. Die Funktionsweise wird im nachstehenden Kapitel beschrieben.

Umsetzung des analogen Signals

Der Fototransistor ändert seine Gleichspannung in Abhängigkeit zur Intensität des ein-gehenden Lichts. Die daraus folgenden analogen Daten werden danach über den ersten Pin des NXT SIP an den NXT- oder EV3-Brick weitergegeben. Dort wird das analoge Signal in ein digitales Signal umgesetzt. Für die Umsetzung wird ein 10Bit-ADU genutzt.

Funktionsweise des ADU

Verwendet wird der im Atmel AVR verbaute Analog-Digital-Wandler. Das zur Umsetzung genutzte Verfahren ist die sukzessive Approximation (SAP) und gehört zu den Stufen-wandlern. Zunächst wird ein Startimpuls, Start of Conversation (SOC) gesendet. Dieser setzt alle im (internen) Speicher befindlichen Register auf Null. Im weiteren Verlauf wer-den die analogen Eingänge mit Referenzspannungen verglichen. Diese Referenzspannung ändert sich mit jedem Schritt nach einer festen Reihenfolge. Es wird mit dem Most Significant Bit (MSB) gestartet und bis zum Least Significant Bit (LSB) fortgefahren. Für jeden Schritt wird die aktuelle Referenzspannung mit dem analogen Signal verglichen. Ist die Referenzspannung größer als das Signal, so wird das aktuelle Bit des Digitalwertes (im internen Speicher) auf Null gelassen. Wenn die Referenzspannung kleiner ist als das Signal, wird das aktuelle Bit auf Eins gesetzt. Wenn alle Schritte durchlaufen sind, wird das Signal End of Communication (EOC) gesendet. Die sukzessive Approximation beruht auf einer einfachen Komparatorschaltung. [!]

Stärken- und Schwächenanalyse

Die Stärken der sukzessiven Approximation liegen in der einfachen Umsetzung. Die Auflösung liegt im Regelfall zwischen zwölf und sechzehn Bit, aber auch eine Auflösung bei 10 Bit, wie in diesem Fall, ist möglich. Die SAP verwendet Abtastraten um die 100 kHz. Die einfache Umsetzung beeinträchtigt allerdings die Schnelligkeit des Verfahrens. In Bezug auf das Schnelligkeitskriterium ist die SAP im Nachteil zum Flash-ADU, der dafür aber in der Komplexität höher ist. Ein Flash-ADU hat eine kleinere Auflösung von 8 Bit und eine Abtastrate im GHz-Bereich. Eine weitere Alternative zum AD-Wandler mit sukzessiven Approximation ist ein Delta-Sigma-Wandler. Dieser wandelt das analoge Signal in 24 Bit bei einer Abtastrate von kleiner 100 kHz um. Nachteil des Delta-Sigma-Wandlers ist die Komplexität und die kleinere Abtastrate. Vorteil im Vergleich zur SAP ist die Fähigkeit zu einer hochauflösenden Erfassung der Messdaten. Ebenfalls ein hoch-aufgelöstes Ergebnis ist durch ein Dual-Slope-Wandler möglich. Dieser hat eine Auflösung von mehr als 20 Bit um eine Abtastrate im Hz-Bereich. Das Dual-Slope-Verfahren ist schneller als die sukzessive Approximation, aber im Vergleich komplexer umzusetzen. Zusammengefasst kann der AD-Wandler eher nicht für hochauflösende Messwerte verwendet werden und gehört zu den langsameren Umsetzern. Dafür ist die Komplexität sehr gering und der Umsetzungsaufwand klein. Die Ergebnisse durch die Anwendung dieses AD-Wandlers für den Lichtsensor sind in Bezug auf die Erwartungen angemessen.

Bussystem

Bei der Verarbeitung der Daten des Lichtsensors werden verschiedene Bussysteme eingesetzt. Zunächst wird das Signal vom Sensor über eine analoge Schnittstelle an den EV3-Brick bzw. den Arduino geliefert. Dort wird das analoge Signal mittels eines Analog-Digital-Umsetzers in ein digitales Signal umgewandelt. Das digitale Signal wird im EV3-Brick über einen I²C-Bus an den Mikro-Prozessor weitergegeben. Für den Arduino gibt es keine eindeutigen Informationen für diese Übertragung. Die Datenübertragung vom Brick/ Arduino läuft über einen Universal Serial Bus.

Abb. 4: Verwendete Bussysteme

Das inter-integrated circuit (I²C) Protokoll wurde von Philips in den 1980er Jahren entwickelt. Ende der 1990er wurde es zum Industriellen Standard. Eine Charakteristik des Protokolls ist z.B. die Initiierung der Datenübertragung. Diese beruht auf dem Master-Slave-Prinzip. Ein Mastergerät muss einen Slave dazu berechtigen die Datenübertragung zu starten. Auf einem I²C-Bus können die Daten in beiden Richtungen übertragen werden.

Der Universal Serial Bus (USB) wurde in den 1990er-Jahren im Auftrag des Universal Serial Bus Implementers Forum (USB-IF) entwickelt und standardsiert. Der USB ist einer der am häufigsten verwendeten Datenbusse überhaupt. Entwickelt wurde der USB um verschiedenste Daten, wie z.B. Audiodateien, Videos usw. zu übermitteln. Auf einem US-Bus können die Daten ebenfalls in beide Richtungen übertragen werden.

Digitale Signalverarbeitung

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Darstellung der Ergebnisse

Hier kommen die Ergebnisse rein.

YouTube-Video

Zu dieser Ausarbeitung ist auch ein YouTube-Video erstellt worden. Dieses zeigt die grundlegenden Ergebnisse des Projektes, sowie eine Echtzeit-Datenerfassung des Sensors in Matlab.

Herausgeber: Eileen Hinners
Hochschule: Hochschule Hamm-Lippstadt
Studiengang: Business and Systems Engineering, 1. Fachsemester
Projektkurs: Signalverarbeitende Systeme
Ziel: Sensordaten in Echtzeit auslesen und in Matlab verwenden
Ergebnis: Der Sensor konnte mit einem Arduino Uno ausgelesen und in Matlab/Simulink verwendet werden.
Beschreibung: Dieses Video zeigt die grundlegenden Ergebnisse des Projektes, sowie eine Echtzeit-Datenerfassung des Sensors in Matlab
Betreuer: Prof. Dr. Ulrich Schneider

SVN Projektordner

In dem nachstehenden Ordner im SVN sind alle Unterlagen zum Projekt abgelegt.

Literaturverzeichnis

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