【正文】 介、可靠、低功耗等要求。在大量的實驗基礎(chǔ)上設(shè)計了智能探測小車溫度探測模塊，電源模塊，通信模塊，控制和執(zhí)行模塊等硬件電路。而一些電話系統(tǒng)就是采用個人計算機技術(shù)建立的嵌入式計算機系統(tǒng)，最典型的嵌入式系統(tǒng)如手機、可視電話等；另外還有一些嵌入式系統(tǒng)采用特殊的微處理器，如傳真機、打印機等。(2) V2 構(gòu)架（ARMARM3）：增加乘法指令；增加支持協(xié)處理器的操作；增第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測小車的總體概述 基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn)6加快速中斷模式；增加 SWP/SWPB 的存儲器和寄存器交換指令。傳統(tǒng)的 CISC 計算機隨著計算機技術(shù)的發(fā)展不斷地引入新的復(fù)雜指令集，為了支持這些新增的指令，計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復(fù)雜，但在這些指令中，只有約 20%的指令會被反復(fù)調(diào)用，占程序代碼的 80%；余下的 80%指令不經(jīng)常使用，在程序代碼中占 20%，這就造成了浪費，顯得設(shè)計不合理，而 RISC則可以避免這些問題。Vxworks所具有的顯著特點是:可靠性、實時性和可裁減性，而且它支持多種處理器，如x8i960 、SunSparc 、 Motorola MC68xxx、MIPS、POWER PC等等。第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測小車的總體概述 基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn)8(4) QNXQNX是加拿大QNX公司的產(chǎn)品。(6) 嵌入式LinuxLinux的核心是由 Linus Torvalds在1991年開發(fā)出來，并放到網(wǎng)絡(luò)上供大家下載學(xué)習(xí)使用。可以在標(biāo)準平臺上開發(fā)然后移植到具體的硬件上，加快了軟件與硬件的開發(fā)過程。(6) Linux 在臺式機上的成功，也保證了 Linux 在嵌入式系統(tǒng)中的輝煌前景。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計描述系統(tǒng)如何實現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分以及系統(tǒng)的軟件、硬件選型等。傳感執(zhí)行層可以看作是小車的各種器官，傳感器用來實現(xiàn)信息采集，執(zhí)行器用來執(zhí)行上層發(fā)來的動作命令。它隱藏了特定平臺的硬件接口細節(jié),為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺,使其具有硬件無關(guān)性,可在多種平臺上進行移植。圖 小車實物圖 本章小結(jié)本章首先介紹了嵌入式技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，接著分析了基于ARM 的嵌入式系統(tǒng)，包括 ARM 微處理器和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法的介紹，其次給出了本文設(shè)計的基于 ARM 的智能探測小車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及軟硬件組成。對于微控制器的選擇，遵守了以下原則：1) 系統(tǒng)時鐘的速度—— 芯片的運行速度由系統(tǒng)時鐘來決定，在對芯片的速度考察的時候，考慮到總線速度的影響，根據(jù)實際需要一般要選用實際所需速度的三倍時鐘。S3C2440A 采用 ARM920T 內(nèi)核 [14]，集成如下片上功能： 內(nèi)核， 擴展 I/O，16KB 指令第三章 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)16Cache/16KB 數(shù)據(jù) Cache，外部儲存控制器(SDRAM 控制盒片選邏輯)，集成 LCD 專用 DMA 的 LCD 控制器，4 路擁有外部請求引腳的 DMA 控制器，3 路 URAT，2路 SPI，IIC 總線接口，IIS 音頻編解碼器接口，AC97 編解碼器接口， 版 SD 主接口，兼容 版 MMC 接口，2 路 USB 主機/l 路 USB 設(shè)備，4 路 PWM 定時器/l路內(nèi)部定時器/看門狗定時器，8 路 10 位 ADC 和觸摸屏接口，具有日歷功能的RTC，攝像頭接口，130 個通用 I/O，24 個外部中斷源，電源控制：正常，慢速，空閑，睡眠模式，帶 PLL 的片上時鐘發(fā)生器。本系統(tǒng)擴展了 64MB 的 SDRAM、64MB 的 NandFlash 和 2MB的 NorFlash。它更好的提高了其與CPU的通信效率。其他處理器外圍電路需要 電源，為了使得四個直流電機穩(wěn)定正常持續(xù)的高性能工作，提供給電機驅(qū)動板 12V。 電路加了工作指示燈。采用 CCD 最大的優(yōu)勢是通過對智能探測小車前方圖像的處理，能夠準確的判斷出智能探測小車前方較長一段距離跑道的走向，從而為智能探測小車的控制提供更多的信息。光電管相對的感知距離較近并且只能提供非常少的前方車道的走勢信息。核心板控制器S 3 C 2 4 4 0 A尋跡模塊輔助處理器S T M 3 2方波產(chǎn)生發(fā)射管電源通斷發(fā)射管A D接口S P I多路選擇放大信號圖 紅外傳感器探測數(shù)據(jù)流向框圖第三章 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)26由于在紅外傳感器模塊組上還預(yù)留了其他傳感器和功能模塊，例如陀螺儀和加速度儀，以便增強智能探測小車的性能。當(dāng)輸入信號為零時，伺服電機處于微振狀態(tài)，克服了靜摩擦力的影響，有利于改善伺服系統(tǒng)低速運行時的平穩(wěn)性。因此 STM32 將產(chǎn)生一個固定的頻率用于交替執(zhí)行打開尋跡傳感器通道和尋跡傳感器的 ADC 采樣。RPR220 接收管接收到的是模擬信號，控制器有兩種方式接收信息，一種方式是將模擬信號先經(jīng)過放大電路，然后送給比較器變成“0”、 “1”信號送給控制器，但是這樣增加了硬件電路的成本。(2) 采用反射式紅外光電管，是路徑檢測常用的方法。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)24C150uF/圖 電源電路圖 電源電路 尋跡電路模塊設(shè)計尋跡電路模塊是智能探測小車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，直接關(guān)系到最終任務(wù)的成功與否。對于系統(tǒng)來說，穩(wěn)定運行的電壓要在 以上。電路如下：指示燈用于指示當(dāng)前系統(tǒng)的運行狀態(tài)，共有四個可編程的 LED，它們直接與S3C2440A 的 GPIO 相連，低電平時點亮。復(fù)位電路連接處理器的引腳，實現(xiàn)通過外部電平讓處理器復(fù)位的目的。嵌入式系統(tǒng)的最小系統(tǒng)是指基于以某處理器為核心，可以運轉(zhuǎn)起來的最簡單的硬件設(shè)計 [15]。同時，數(shù)據(jù)總線的寬度有 8 位、16 位、32 位三類，方便選擇總線寬度類型。整個控制系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計，這樣做既能方便硬件的調(diào)試和升級，又能方便控制系統(tǒng)硬件在智能探測小車上的安裝，系統(tǒng)硬件可分為電源模塊，S3C2440A 核心板模塊，主板模塊，直流電機驅(qū)動功放模塊，紅外傳感器尋跡模塊，探測板模塊，無線通信模塊。應(yīng)用程序和算法包含：系統(tǒng)啟動程序、呼叫上位機程序、路況采集程序、路信息過濾程序、電機控制程序、圖像識別程序、圖像處理程序、探測信息分析程序、無線通信程序等。其中存儲器包含了 SDRAM、Nor Flash 和 Nand Flash；電機模塊通過串口與處理器進行數(shù)據(jù)交換；紅外光電尋跡模塊則通過紅外傳感器來對地面路況進行識別，處理后的數(shù)據(jù)通過 SPI 總線來傳輸給處理器；探測模塊是智能探測小車的眼睛、鼻子和耳朵，它將月球表面的訊息采集處理和通過 IIC 總線傳輸給處理器。對設(shè)計好的系統(tǒng)進行測試，看其是否滿足規(guī)格說明書中給定的功能要求。 基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法如圖 所示，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計一般由 5 個階段構(gòu)成：需求分析、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件/軟件設(shè)計、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)測試 [13]。毫無疑問，這會節(jié)省大量的開發(fā)費用。 選擇 Linux 操作系統(tǒng)的原因以上常見的嵌入式操作系統(tǒng)，雖然提供了很多高級的功能，如圖形用戶界面和網(wǎng)絡(luò)支持，但這些專用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，其高昂的價格使許多低端產(chǎn)品的小公司望而卻步；而且源碼封閉性也大大限制了開發(fā)者的積極性。 C/OSMicro Controller operating system，微控制器操作系統(tǒng)，它是由美國人JeanLabrosse 1992年完成的。由于其Windows 背景，界面比較統(tǒng)一認可?；?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7 ARM 操作系統(tǒng) 常見的 ARM 操作系統(tǒng)在嵌入式應(yīng)用中嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)大量存在，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大、要求較高的方案中顯得越來越重要，可以說沒有操作系統(tǒng)的計算機是沒有用的，這點在普通的臺式電腦上大家都有深刻體會。(5) V5 構(gòu)架（ ARM10）：具有帶鏈接和交換的轉(zhuǎn)移 BLX 指令；計數(shù)前導(dǎo)零 CLZ指令；BRK 中斷指令；增加了一些信號處理指令。可以看出此定義從應(yīng)用上考慮，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體。結(jié)合 CMOS 攝像模塊的性能，采用了二值化算法對拍攝圖像進行二值化，并對數(shù)據(jù)結(jié)果分析后得到顏色和圖像形狀。本文以 ARM920T 核控制芯片為控制器，用紅外傳感器識別路徑，使用直流電機進行轉(zhuǎn)向控制和速度控制，使用 CMOS 攝像頭來拍攝識別對象，使用無線網(wǎng)卡來傳輸數(shù)據(jù)，使用協(xié) Linux 操作系統(tǒng)來管理應(yīng)用程序，使用上位機軟件來控制小車啟停并接收反饋信號。 本課題的主要目的與工作作者在研究生期間一直從事嵌入式專業(yè)的研究和教學(xué)工作，嵌入式行業(yè)的蓬勃發(fā)展以及先進控制的理論成果使得對機器人的研究更具有挑戰(zhàn)性。智能探測小車不同遙控小車，后者需要操作員來控制其轉(zhuǎn)向、啟停和進退，比較先進的遙控車還能控制其速度。 2022 年 1 月，兩輛火星車在火星的不同區(qū)域著陸。如果申報獲批，該工程預(yù)計在 2022 年前后進行（本文所研究設(shè)計的智能探測小車即為了模擬第二期工程中降落在月球表面的探測器） 。如圖 所示本次嫦娥二號衛(wèi)星發(fā)射的主要任務(wù)。測試結(jié)果表明，在該控制系統(tǒng)下，智能探測小車具有良好的位置跟蹤和圖像采集處理性能。設(shè)計了基于 ARM 的智能探測小車控制系統(tǒng)的硬件平臺。智能探測小車屬于機器人的范疇，它融合了先進的嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子電氣、路徑規(guī)劃、人工智能和自動控制等技術(shù)。智能探測小車包括視嵌入式核心模塊、主控模塊、電機驅(qū)動模塊、紅外尋跡模塊、測溫模塊、攝像頭模塊、無線通信模塊等。在 Linux 系統(tǒng)中編寫相應(yīng)的設(shè)備和接口驅(qū)動程序，編寫了控制系統(tǒng)主程序群、圖像采集程序群和溫度測試程序等應(yīng)用程序。美國媒體在嫦娥二號發(fā)射當(dāng)天即用大量文字和圖片報道中國月球探索歷程；新加坡《聯(lián)合早報》將中國的嫦娥二號和西方發(fā)射的探月衛(wèi)星進行了比較，認為嫦娥二號只用 112 小時便能進入月球軌道，比歐洲和日本探月衛(wèi)星的速度都要快。 選題依據(jù)及研究意義 “嫦娥工程”是分階段實施的 “三步走” ，三階段都采用無人自動探測，可用 “繞、落、回”來簡單概括： 第一期工程叫“ 繞” 即發(fā)射一個月球探測器，圍繞月球軌道靠近月面進行探測，包括對月球影像的拍攝，對近月表面情況（成分、月壤厚度等）的探測，以及對月地之間環(huán)境的探測等。甚至還有航天專家預(yù)想，我國將在 2022 年——2033 年間實現(xiàn)無人火星探測，2040 年——2060 年實現(xiàn)載人火星探測 [1]?；鹦擒嚹軌蛟诨鹦巧献灾餍旭偅寒?dāng)火星車發(fā)現(xiàn)值得探測的目標(biāo)，它會驅(qū)動六基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn) 第一章 緒論3個輪子向目標(biāo)行駛，在檢測到前進方向上的障礙后，火星車會去尋找可能的最佳路徑。自尋跡的智能探測小車，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。目前基于單片機的控制系統(tǒng)外圍電路、可靠性、可擴展性普遍較差，如何設(shè)計一套電路簡單、性能可靠、功能齊全的嵌入式機器人小車硬件控制系統(tǒng)是另一個難題。2．移植 Linux、內(nèi)核、系統(tǒng)文件，編寫智能探測小車底層物理驅(qū)動并在 Linux操作系統(tǒng)的平臺基礎(chǔ)上編寫調(diào)試智能探測小車的應(yīng)用程序。狹義上而言，嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為核心，計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。(3) V3 構(gòu)架（ARM6 ）：增加 MRS/MSR 指令，可以訪問新增加的 CPSR/SPSR寄存器。RISC 指令系統(tǒng)相對簡單，能夠滿足大部分的功能需求，只要求硬件執(zhí)行有限的最常用的那部分指令，大部分復(fù)雜的操作使用成熟的編譯技術(shù)由簡單指令合成，這使得計算機的執(zhí)行效率得到提高。大多數(shù)的 Vxworks API是專有的，火星機器人使用的就是Vxworks操作系統(tǒng)。它是在x86體系上面開發(fā)出來的，別的好多RTOS都是從 68K的CPU上面開發(fā)成熟，然后再移植到x86體系上面來的。開放源代碼，內(nèi)核小、功能強大、系統(tǒng)健壯、效率高、易于裁減。(2) Linux 可以隨意的配置，不需要任何的許可證或商家的合作關(guān)系?；?Linux 的嵌入式操作系統(tǒng)常見的有 ARMLinux、RTLinux 和 181。(2) 硬件/軟件設(shè)計基于體系結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的軟件、硬件進行詳細設(shè)計。機械層是被控制對象，是最底層的部件。 從軟硬件測試的角度來看，軟硬件的測試工作都可分別基于硬件抽象層來完成，使得軟硬件測試工作的并行進行成為可能。最后介紹了智能探測小車的整體結(jié)構(gòu)。2) GPIO 的數(shù)量 —— 在芯片說明書中標(biāo)出的是最多的 I/O 口的數(shù)量，其中有些是地址、數(shù)據(jù)、I/O 復(fù)用的接口，因此選擇芯片時一定要考慮其實際可用的 I/O 接口數(shù)量。(2) ARM 最小系統(tǒng)設(shè)計最小系統(tǒng)是處理器能夠運行的基本系統(tǒng)。時鐘—— 處理器的運行需要時鐘周期，一般來說處理器在一個或者幾個周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。更好的發(fā)揮S3C2440A芯片的潛能。系統(tǒng)使用了電源 1 和電源 2 兩路鋰電池進行供電。 SW1 是系統(tǒng)電源開關(guān)1，用于給驅(qū)動板和電機供電；SW2 是系統(tǒng)電源開關(guān) 2，用于給主板供電。根據(jù)攝像頭拍攝到的畫面，通過邊緣檢測等算法判斷出許多關(guān)鍵信息，如中心位置，方向，曲率等等。根據(jù)兩種方案的優(yōu)缺點，權(quán)衡穩(wěn)定性、精度和速度后，最終選擇采用反射式紅外光電管。同時考慮到尋跡模塊