【正文】 設(shè)計(jì)過(guò)程中解脫出來(lái)，從而可以把主要精力放在編寫(xiě)特定的的應(yīng)用程序上。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作大部分都集中在軟件設(shè)計(jì)上，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代軟件工程常用方法。但是這些寄存器不能同時(shí)被訪問(wèn)，處理器的狀態(tài)和操作模式?jīng)Q定了哪些寄存器可以被訪問(wèn)。嵌入式 ICERT 邏輯通過(guò) JTAG 接口(Joint Test Action Group)進(jìn)行控制。字必須是4字節(jié)邊界對(duì)準(zhǔn)，半字必須是2字節(jié)邊界對(duì)準(zhǔn)。圖4是具體的操作流程：執(zhí)行取指譯碼取指取指譯碼譯碼執(zhí)行執(zhí)行圖4 ARM7TDMI 單周期指令的三級(jí)流水線操作當(dāng)正常操作時(shí)，在執(zhí)行一條指令期間，其后續(xù)的一個(gè)指令可以進(jìn)行譯碼，且第三條指令從存儲(chǔ)器取指。 ARM7TDM I處理器ARM 處理器自問(wèn)世以來(lái)推出了很多系列，其中的 ARM7，ARM9，ARM9E 和ARM10為4個(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。比較典型的 SOC 產(chǎn)品是 Philips 的 Smart XA，少數(shù)通用系列如 Siemens 的 TRICORE、Motorola 的MCore。（3）嵌入式微處理器((Microprocessor Unit，MPU)，是由通用計(jì)算機(jī)的 CPU演變而來(lái)，它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，但與普通處理器不同的是，嵌入式微處理器只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，這樣就做到了以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)其發(fā)展現(xiàn)狀，可以分為四大類:（1）嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)，典型代表是各種類型的單片機(jī)。嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器。 嵌入式系統(tǒng)的組成一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成：嵌入式處理器/微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件系統(tǒng)，如圖3所示，其中的嵌入式微處理器和外圍硬件設(shè)備稱為硬件部分，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件屬于軟件部分。從總體來(lái)說(shuō)，通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要用于數(shù)值計(jì)算、信息處理，兼顧控制功能；而嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要用于控制領(lǐng)域，兼顧數(shù)據(jù)處理。這些領(lǐng)域的應(yīng)用主要是直接面向控制對(duì)象，控制系統(tǒng)嵌入到具體的應(yīng)用體中而不以計(jì)算機(jī)的面貌出現(xiàn)，能在現(xiàn)場(chǎng)可靠地運(yùn)行，體積小，應(yīng)用靈活，突出控制功能，特別是對(duì)外部信息的捕捉與豐富的I/O功能等。(6)設(shè)計(jì)制作機(jī)器人機(jī)構(gòu)，繪制制作控制系統(tǒng)的 PCB 原理圖和電路板，對(duì)硬件電路和軟件進(jìn)行調(diào)試。(3)設(shè)計(jì)控制流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能子系統(tǒng)的控制調(diào)度管理。傳統(tǒng)的參賽機(jī)器人控制平臺(tái)都是基于8位或16位的C51系列單片機(jī)，為了提高系統(tǒng)的高速實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性和可移植性，本次課程設(shè)計(jì)論文目標(biāo)是在基于 ARM 的32位微處理器平臺(tái)上設(shè)計(jì)制作的機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)位置和姿態(tài)控制，并將其應(yīng)用于機(jī)器人路徑引導(dǎo)，使機(jī)器人能在靜止場(chǎng)景中實(shí)時(shí)高速完成預(yù)先選定的目標(biāo)任務(wù)。賽場(chǎng)地面用2mm厚的聚乙烯片（PVC地板革）鋪設(shè)。比賽中每個(gè)隊(duì)需要設(shè)計(jì)制作一個(gè)手動(dòng)機(jī)器人和至少一個(gè)自動(dòng)機(jī)器人。 競(jìng)賽的主題和規(guī)則 總結(jié)以前比賽的經(jīng)驗(yàn)以及參賽要求，增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性、可移植性和可擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一套基于 ARM 的高性能的嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)。競(jìng)賽機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)重要分支越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。80年代，將具有感覺(jué)、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人，這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概念。隨著機(jī)器人的發(fā)展誕生了一門跨多學(xué)科、綜合性技術(shù)很強(qiáng)的學(xué)科——機(jī)器人學(xué)，它廣泛涉及自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)、通訊、新材料、傳感器、人工智能和機(jī)械工程等學(xué)科技術(shù)，特別是新一代計(jì)算機(jī)芯片處理速度的飛躍和人工智能技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)勁動(dòng)力。機(jī)器人是一種通過(guò)編程，可以自動(dòng)完成一定操作或移動(dòng)作業(yè)的機(jī)械裝置。1988年法國(guó)的埃斯皮奧將機(jī)器人定義為：“機(jī)器人是指能根據(jù)傳感器信息實(shí)現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)”。當(dāng)時(shí)人類總希望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便代替人類完成各種工作。西周時(shí)期，我國(guó)的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國(guó)最早記載的機(jī)器人。我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。或者更確切地說(shuō)，有像人的上肢那樣高度靈活，能做復(fù)雜動(dòng)作的機(jī)械?，F(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景就是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展以及原子能的開(kāi)發(fā)利用。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用，而且又賦予了機(jī)器人技術(shù)向深度和廣度發(fā)展的巨大空間，水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問(wèn)世，許多夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)。它一般以某個(gè)競(jìng)賽主題為背景，通過(guò)發(fā)揮參賽者各種智慧和知識(shí)，設(shè)計(jì)制作出具有一定功能和一定對(duì)抗能力的機(jī)器人。機(jī)器人大賽比賽場(chǎng)地如圖1和圖2所示。手動(dòng)機(jī)器人由一名參賽隊(duì)員手動(dòng)操作手動(dòng)機(jī)器人在外圍手動(dòng)區(qū)將外圍的積木搬到己方的主塔上，每放上一個(gè)積木得1分；自動(dòng)機(jī)器人預(yù)裝好積木后從自動(dòng)啟動(dòng)區(qū)(圖中四方格)出發(fā)將積木按自己策略通過(guò)規(guī)定的運(yùn)動(dòng)區(qū)域和自己選擇的路徑放置到場(chǎng)地中間的三個(gè)柱子（橋墩）上，邊上的兩個(gè)橋墩上每放一個(gè)積木得2分，最中間的橋墩上每放一個(gè)積木得3分。圖1 場(chǎng)地投影圖圖2 場(chǎng)地平面圖 課題的研究?jī)?nèi)容及主要工作機(jī)器人技術(shù)是一門跨多門學(xué)科的高新技術(shù)，研究和發(fā)展機(jī)器人技術(shù)可以推動(dòng)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。本次課程設(shè)計(jì)論文的研究?jī)?nèi)容是：嵌入式的控制平臺(tái)要能成功移植；系統(tǒng)具有多路信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、處理和識(shí)別能力，并且接口要豐富，便于裁減和擴(kuò)展；軟件應(yīng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的動(dòng)作功能；能耗要低，電源容量要??；系統(tǒng)不僅對(duì)外界而且對(duì)自身信號(hào)環(huán)境要具有一定的抗干擾能力。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括有：電機(jī)的選擇與控制；I/O信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換模塊；位置及方向反饋模塊；機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制電路；供電電源模塊等。第2章 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)是應(yīng)數(shù)值計(jì)算的要求而誕生的。從此可以看出，滿足這些要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與滿足高速數(shù)值計(jì)算的計(jì)算機(jī)是不可兼得的。在一個(gè)綜合系統(tǒng)中，會(huì)出現(xiàn)通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合，各自扮演不同的角色，共同完成系統(tǒng)任務(wù)。在實(shí)際應(yīng)用中由操作系統(tǒng)控制應(yīng)用軟件與硬件的交互，由應(yīng)用軟件控制系統(tǒng)的運(yùn)作和行為。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種數(shù)量己經(jīng)超過(guò)1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)，其中8051體系占大多數(shù)。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流，微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。目前主要的嵌入式微處理器類型有 Aml86/18386EX、SC400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/Strong ARM 等。 基于ARM的微處理器 ARM處理器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)ARM 由英國(guó)的 Advanced RISC Machine Limited 公司最先推進(jìn)，目前這個(gè)概念被認(rèn)為是對(duì)一類處理器的通稱。在這幾大通用系列中 ARM7 系下的以 ARM7TDMI 為內(nèi)核的 ARM7 處理器是目前使用最廣泛的32位嵌入式 RISC 處理器。程序計(jì)數(shù)器指向正在取指的指令，而不是正在執(zhí)行的指令。(3)嵌入式 ICERT 邏輯嵌入式 ICERT 邏輯為 ARM7TDMI 核提供了集成的在片調(diào)試支持，可以利用ICERT 邏輯來(lái)編程斷點(diǎn)或觀察斷點(diǎn)出現(xiàn)的條件。(4)ARM7TDMI 操作模式ARM7TDMI 支持7種操作模式：（一）用戶模式：這是程序正常的運(yùn)行狀態(tài)；（二）快速中斷模式：為快速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理設(shè)計(jì)；（三）中斷模式：用于通用的中斷操作；（四）監(jiān)控模式：操作系統(tǒng)的保護(hù)模式；（五）終止模式：取數(shù)據(jù)或指令錯(cuò)誤后進(jìn)入該模式；（六）系統(tǒng)模式：操作系統(tǒng)中有特權(quán)的用戶模式；（七）無(wú)定義模式：當(dāng)有未定義的指令被執(zhí)行時(shí)進(jìn)入該模式。以上是 ARM7TDMI 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文采用的 Philips 公司的 LPC2131 處理器就是屬于該系列處理器中的一款。3．硬件/軟件設(shè)計(jì)基于體系結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的軟硬件并行實(shí)施詳細(xì)設(shè)計(jì)。參賽機(jī)器人控制系統(tǒng)作為一個(gè)嵌入式平臺(tái)在設(shè)計(jì)中一樣按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系可裁減的原則進(jìn)行，這也是為創(chuàng)建一個(gè)通用的參賽機(jī)器人控制平臺(tái)的研究目的所要求。(2)具有很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)這也有利于軟件的診斷。 EasyARM2131開(kāi)發(fā)板EasyARM2131 開(kāi)發(fā)板是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司設(shè)計(jì)的 EasyARM213 X 系列開(kāi)發(fā)套件之一。 機(jī)器人控制系統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)是采用 LPC2131 作為控制核心，通過(guò)該 MCU 的控制，使機(jī)器人能夠自主地按照預(yù)定的路線行走、避障、定位；當(dāng)機(jī)器人到達(dá)預(yù)定位置后，能夠執(zhí)行預(yù)設(shè)的動(dòng)作順序，機(jī)構(gòu)將積木堆放到準(zhǔn)確位置，并要有一定的保護(hù)措施。通過(guò)設(shè)計(jì)控制程序來(lái)控制 MCU 系統(tǒng)的輸出信號(hào)狀態(tài)，從而控制機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使機(jī)器人按照預(yù)設(shè)路線和方向行走，輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)控制機(jī)器人的得分和對(duì)抗避障等動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，MCU、色標(biāo)傳感器和兩驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)三者之間構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)，MCU、位置開(kāi)關(guān)和得分動(dòng)作機(jī)構(gòu)也構(gòu)成一個(gè)半閉環(huán)的系統(tǒng)?？刂脐P(guān)系設(shè)計(jì)確定后，需要對(duì)各接口的信號(hào)端口進(jìn)行定義和分配，如表1和表2所示。設(shè)計(jì)方案的轉(zhuǎn)速控制范圍可以參考各型電機(jī)的矩頻特性曲線。該驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用伺服控制原理的電路，此電路可以使電機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，震動(dòng)和噪音很小，電機(jī)在高速時(shí)力矩大大高于二相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)。它的輸入電壓是DC24V，額定輸出功率 120W 足夠它完成堆放積木的動(dòng)作。這樣實(shí)