【正文】 這種方法的優(yōu)點是 :電路簡單，信號處理速度快。 (1) 使用 CCD 攝像頭采集路面圖像，然后采用圖像處理與分析的方法判斷路徑，是路徑識別中常用的方法之一。該款芯片特點是輸出電流大、輸出電壓精度高、穩(wěn)定好。 穩(wěn)壓 電源電路 模塊 設(shè)計 電源是整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，穩(wěn)壓電源電路為整個 智能探測小車 提供電源，主要為控制器和外圍電路提供能源，同時驅(qū)動直流電機控制速度和方向。 正由于 S3C2440A的強大功能，在它上面開發(fā)新功能是很有意義的一件事。 嵌 入 式 內(nèi) 核S 3 C 2 4 4 0 A電 源 時 鐘存 儲 器S D R A MN o r F l a s hN a n d F l a s h復(fù) 位 電 路J T A G 調(diào) 試 接 口 圖 最小系統(tǒng)組成 S3C2440A 嵌入式控制器 —— 對于任何一個計算機系統(tǒng)，處理器都是整個系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)是靠處理器的指令工作起來的。 Samsung 的 ARM 芯片是國內(nèi)目前使用最多的 ARM 芯片，其中最常用的是S3C45 S3C44B0、 S3C2410 和 S3C2440。 圖 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 智能探測小車 核心板設(shè)計 (1) 微處理器的選型 智能探測小車 的微處理器是整個控制系統(tǒng)的核心部件，它完成從 紅外光電尋跡?；?ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與 實現(xiàn) 第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 15 塊 單元 中 獲取 路徑信息，從攝像頭模塊采集標(biāo)志物和障礙物信息 ，進行數(shù)據(jù)處理，控制算法運算，輸出控制量和上位機通訊等功能，系統(tǒng)采用嵌入式微處理器來建立控制平臺。 小車共有四個驅(qū)動電機，左右各兩個，并且同一邊的兩個電機是共用一個 PWM信號的，所以小 車驅(qū)動起來只需要 2 路 PWM 信號。 驅(qū)動程序?qū)邮强梢允褂嬎銠C和設(shè)備通信的特殊程序?qū)?，可以說相當(dāng)于硬件的接口，操作系統(tǒng)只有通過這個接口，才能控制硬件設(shè)備的工作。上位機監(jiān)控層由PC 機和其上由 C++開發(fā)的應(yīng)用軟件組成，上位機通過 其上的無線網(wǎng)卡，由無線路由器 橋接與 智能探測小車 上的無線網(wǎng)卡 建立連接，數(shù)據(jù)通過無線接口模塊來傳輸，上位機主要實現(xiàn) 探月過程中沿路重要信息的監(jiān) 控 與收集 ，如 沿途被測對象的顏色 、 形狀、距離、溫度以及圖像等 信息 ； 策略應(yīng)用層主要包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和控制算法，基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與 實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與 智能探測小車 的總體概述 11 也是本課題的重點部分。 需 求 分 析規(guī) 格 說 明 書體 系 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計體 系 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 硬 件 設(shè) 計 軟 件 設(shè) 計系 統(tǒng) 集 成系 統(tǒng) 測 試最 終 產(chǎn) 品 圖 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程 (1) 系統(tǒng)需求分析 /體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 系統(tǒng)的需求一般分功能 需求和非功能性需求兩方面。 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與 實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與 智能探測小車 的總體概述 9 (4) 優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)支持，微內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持，而不必像其他操作系統(tǒng)要外掛TCP/IP 協(xié)議包。選擇 Linux 有以下幾個原因： (1) 可應(yīng)用于多種硬件平臺。 1998年升級到 181。 (3) Palm OS Palm OS是著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商 3COM旗下的 Palm Computing掌上電腦公司的產(chǎn)品。 目前有多種嵌入式操作系統(tǒng)，它們使得開發(fā)實時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能，把應(yīng)用程序分割為若干獨立運行的模塊，使得 程序的設(shè)計變得簡化許多；對于實時性要求高的應(yīng)用做到了快速響應(yīng)和可靠處理；使得整個系統(tǒng)的資源得到很好的管理和應(yīng)用。 其中， ARM ARM ARM10， Intel 的 StrongARM 系列、 Xscale 系列等屬于通用處理器系列，已經(jīng)在很多領(lǐng)域大量應(yīng)用。如今， “ARM嵌入式內(nèi)核 ”已經(jīng)被全球各大芯片廠商采用，基于 ARM 的開發(fā)技術(shù)也席卷了全球嵌入式產(chǎn)品的市場，并成為嵌入式系統(tǒng)的主流技術(shù)之一 [6]。 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與 實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與 智能探測小車 的總體概述 5 第二章 嵌入式系統(tǒng)與 智能探測小車 的總體概述 ARM 硬件開發(fā)平臺 什么是嵌入式系統(tǒng)（ Embedded System）廣義地講，凡是不用于通用目的的可編程計算機設(shè)備，就可以算是嵌入式計算機系統(tǒng)。最終實現(xiàn)一個能夠自動識別路徑， 自動控制穩(wěn)定性，自動拍攝識別沿途障礙標(biāo)志物并自動傳送圖像 參數(shù) 的快速、安全、穩(wěn)定的 智能探測小車 。 在對 智能探測小車 的研究中面臨的最大難題在于小車本身是一個獨立的系統(tǒng)，即機器人小車的 “智能 ”在于它有自己的大腦，有自己的軀干，它不僅會思考而且要有效的管理 自己軀干的各個部件。而 智能探測小車 ，則可以通過計算機編程來實現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預(yù)。根據(jù)最初的設(shè)計， “勇氣 ”號和 “機遇 ”號用來執(zhí)行為期 90 天的火星探索任務(wù)，但這兩個機器人最終上演了超齡服役的壯舉。這個月球著陸器落在月球表面就位探測后，再將從月球上所取的樣品放回到返回器上，返回器最終把樣品帶回地球。實現(xiàn)月球探測將是我國航天深 空探測零的突破。古往今來，我國對探索月球有著矢志不渝的追求。依據(jù) PCB 設(shè)計的原則、抗干擾措施，自行設(shè)計了印刷電路板 (PCB)。 課題 旨在設(shè)計一款具有良好可擴展性，模塊化的教育型 智能探測小車 控制平臺，使其既能夠滿足大專院校 學(xué)生開展機器人比賽的要求，同時又能成為 嵌入式課程 開發(fā)和項目研究的 平臺 。本文以 ARM9 處理器和 Linux 操作系統(tǒng) 為基礎(chǔ)構(gòu)建了 智能探測小車 控制平臺的軟硬件系統(tǒng)。 設(shè)計了基于 ARM 的機器人小車控制系統(tǒng)的軟件平臺。 20xx 年，中國正式開展月球探測工程，并命名為 “嫦娥工程 ”，直到 “嫦娥一號 ”的奔月成功，國人的夢正一步一步地走向?qū)崿F(xiàn)。月球已成為未來航天大國爭奪戰(zhàn)略資源的焦點。 “回 ”的技術(shù)水平更高、更復(fù)雜，預(yù)計在 2017 年左右進行。 “勇氣 ”號是迄今美國發(fā)射的最尖端的火星探測裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計。 操作員可以通過修改小車的計算機程序來改變它的行駛方式。而要進行思考和管理就必須要有可靠的控制算法，但是常規(guī)的單一控制算法都不具備充當(dāng)機器人小車更 “智能 ”的條件。為達到上述目的，本課題主要 對以下方面進行了工作 : 1． 結(jié)合當(dāng)前機器人發(fā)展?fàn)顩r、體系結(jié)構(gòu)以及面臨的主要技術(shù)問題，闡述了基于ARM 嵌入式 智能探測小車 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了基于 ARM920T 的最小系統(tǒng)。舉例來說，個人計算機（ PC）不是一種嵌入式系統(tǒng)，因為它 是用于通用目的的系統(tǒng)。 ARM 處理器的體系和結(jié)構(gòu) ARM 構(gòu)架誕生至今已經(jīng)有過多次變革，每一次都在性能上得到了很大的提高，目前 ARM 的架構(gòu)有： (1) V1 構(gòu)架（ ARM1）：具有基本的數(shù)據(jù)處理指令（無乘法）；字節(jié)、半字節(jié)、字的 Load/Store 指令；轉(zhuǎn)移指令；軟件中斷指令； 64MB 的尋址空間。 ARM 是基于 RISC（ Reduced Instruction Set Computer 精簡指令集計算機） [7]而設(shè)計的，它與 CISC（ Complex Instruction Set Computer 復(fù)雜指令 集計算機）在一些地方有著很大的區(qū)別。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有： (1) Vxworks Vxworks操作系統(tǒng)是美國 WindRiver公司于 1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng) (RTOS)，具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以 及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。 Palm OS在 PDA市場上占有很大的市場份額，目前主要與 WIN CE進行激烈競爭。 C/OSII， 20xx年，得到美國航空管理局 （ FAA） 的認證，可以用于飛行器上。 Linux 己經(jīng)被移植到多種硬件平臺，這對受開銷、時間限制的研究與開發(fā)項目是很有吸引力的。 (5) Linux 高度模塊化使添加部件非常容易。功能性需求是系統(tǒng)的基本功能，如輸入輸出信號、操作方式等；非功能需求包括系統(tǒng)性能、成本、功耗、體積、重量等因素。小車控制器層主要由 ARM9 內(nèi)核控制器及其外圍電路組成，是課題設(shè)計實現(xiàn)最為關(guān)鍵的層次。 硬件抽象層是位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，其目的在于將硬件抽象化。 主板供電為 +5V 直流電源，通過跟驅(qū)動板的連接端口獲取電源，也可以在主板的輔助電源插座上接上 +5V 的直流電源，主板上配有一個紐扣電池為 2440 的實時時鐘供電；驅(qū)動板上有兩組電源，分別以 +12V 直流電源供電；核心板為 直流電源，取自主板。由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求的多樣性，市場上基于 RISC 結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器 供應(yīng) 商也日漸增多，為了保證系統(tǒng)的實用性和易擴展性， 同時系統(tǒng)需要植入高性能的操作系統(tǒng)，以完成復(fù)雜的多任務(wù)協(xié)同運行， 此控制系統(tǒng)需要選用高性能的微控制器，考慮到系統(tǒng)升級以及高檔微控制器的價格不斷下降等因素，因此設(shè)計時選用 32 位微控制器作為整個系統(tǒng)的核心?？紤]到要求控制系統(tǒng)具有高性能的原因，另外結(jié)合實驗室的設(shè)備情況，決定選擇以 Samsung 公司 32 位處理器芯片 —— S3C2440A(ARM9 內(nèi)核 )為控制器， S3C2440A 主頻高達 533MHz，并提供豐富的輸入輸出端口、時鐘源、 PWM、外部中斷接口。 存儲器 —— 一個嵌入式系統(tǒng)的運行，其指令必須放入一定的存儲器空間內(nèi)，運行的時候也需要空間存儲臨時數(shù)據(jù)，一般的內(nèi)存包括可以固化代碼的 FLASH 和可以隨機讀寫的 RAM。 為了更好的使用 S3C2440A，將最小系統(tǒng)的核心部件封裝為一塊尺寸較小、通用性較強的部件，稱之為核心板。 S3C2440A的 供電電壓為 ，內(nèi)核 。為了降低噪聲和出錯 機率 ，在設(shè)計 PCB 時設(shè)計了合理的走線以及大面積敷銅處理。這種方法的優(yōu)點是 :能夠感知前方較遠距離處的道路狀況 ； 受外界干擾小。缺 點是 :感知前方賽道距離有限，受外界紅外頻段光線干擾，精度低。這種方法利用了路面不同第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與實現(xiàn) 24 的材料和顏色對光線的吸收和反射量不同，檢測反射回來的光線就可以得到當(dāng)前位置的材料或者顏色。要使機器人小車能夠識別出白底路面上的黑色軌跡或者是更為復(fù)雜的黑白 組合，常用的方案有兩種，一種是采用 CCD 攝像頭尋黑色軌跡，另一種是采用反射式紅外光電管尋黑色軌跡。 首先 ，如圖 、 中 將 兩組 12V 電池電壓分別通過芯片 LM2576S5[16]將電壓穩(wěn)定在 ，分別為電機和主板驅(qū)動板提供 電源 。在 NOR FLASH 中正常啟動則 LED3 常亮， LED1 閃爍， LED LED4 常滅；在 NAND FLASH 中正常啟動則一開始 LED LED3 常亮， LED LED4 常滅，啟動完成后 4 個 LED 以類似走馬燈的方式點亮 第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與實現(xiàn) 20 J1 上面的信號引腳并不 是都用到，下面僅列出較重要的信號引腳： RESET：給 AVR 單片機的復(fù)位信號； OM0：模式控制信號， 0 為從 NAND FLASH 啟動， 1 為從 NOR FLASH啟動； 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與 實現(xiàn) 第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 21 J2 上面的信號引腳并不是都用到，下面僅列出較重要的信號引腳： RST_KEY： S3C2440A 的復(fù)位信號，低電平復(fù)位； BEEP：蜂鳴器控制引腳 。 JTAG 調(diào)試接口 —— 在高級的嵌入式處理器里內(nèi)置 JTAG 接口，即聯(lián)合測試行動小組接口將主機中的程序載入到嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存中，并對處理器電路進行邊界掃描和故障檢測。本文設(shè)計的 智能探測小車 嵌入式控制系統(tǒng)的最 小系統(tǒng)組成如圖 所示。 5) UART 數(shù)量 —— 幾乎所有的 32 位芯片都支持 1 個或 2 個串口，用于同 PC 機通信調(diào)試。 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 如圖 所示。 智能探測小車 的 整體介紹 如圖 所示小車共有 6 塊電路板，分別是核心板、主控板、電機驅(qū)動板、紅外尋跡板、攝像頭和探測板組成。 中間部分 由驅(qū)動 程序?qū)雍陀布橄髮咏M成。 基于 ARM 的 智能探測小車 智能探測小車 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 上 位 機 監(jiān) 控 層小 車 控 制 層 （ A R M 9 核 ）策 略 應(yīng) 用 層 （ L i n u x ）信 號 處 理各 類 傳 感 器執(zhí) 行 器小 車 機 械 層月 球 表 面 環(huán) 境無 線 通 信 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖 圖 為基于 ARM 的 智能探測小車 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖，系統(tǒng)主要由 5 層組成 ：上位機監(jiān)控層，策略應(yīng)用層，控制器層，傳感和執(zhí)行層以及 機械層。各個階段之間往往要求不斷的反復(fù)和修改，直至完成最終設(shè)計目標(biāo)。 Linux 世界就是一個自由、開放的王國。另外，結(jié)合我國國情，當(dāng)前國家對自主操作系統(tǒng)的大力支持，也為源代碼開放的 Linux 的推