【正文】 系統(tǒng)與 智能探測(cè)小車(chē) 的總體概述 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 的設(shè)計(jì)與實(shí) 現(xiàn) 6 快速中斷模式；增加 SWP/SWPB 的存儲(chǔ)器和寄存器交換指令。而一些電話(huà)系統(tǒng)就是采用個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)建立的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，最典型的嵌入式系統(tǒng)如手機(jī)、可視電話(huà)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(jī)、打印機(jī)等。在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了 智能探測(cè)小車(chē) 溫度 探測(cè)模塊，電源模塊，通信模塊，控制和執(zhí)行模塊等硬件電路 。 另外 智能探測(cè)小車(chē) 是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，對(duì)硬件的要求隨著系統(tǒng)功能的增加而增高，嵌入式控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)勢(shì)必要滿(mǎn)足簡(jiǎn)介、可靠、低功耗等要求。 這種 智能探測(cè)小車(chē) 的另一基本特征是 ，依靠自動(dòng)導(dǎo)航軟件實(shí)現(xiàn)在一定道路條件下的自動(dòng)行駛，這是車(chē)輛的另一個(gè)基本特征。 “勇氣 ”號(hào)成功實(shí)現(xiàn)了集通信、拍攝和計(jì)算等功能于一身。 等到這 “三步走 ” 走下來(lái)，我國(guó)接著就將開(kāi)始中華民族千年夢(mèng)想的載人登月計(jì)劃 ，并有可能與有關(guān)國(guó)家共建月球基地。月球具有可供人類(lèi)開(kāi)發(fā)和利用的各種獨(dú)特資源，月球上 特第一章 緒論 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 有的礦產(chǎn)和能源，是對(duì)地球資源的重要補(bǔ)充和儲(chǔ)備，將對(duì)人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。 今年的國(guó)慶，中國(guó)讓世界 再次 矚目 ——這一天， “嫦娥二號(hào) ”衛(wèi)星從 “月亮城 ”西昌騰空而起，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。先將 Linux 操作系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼、內(nèi)核和文件系統(tǒng)移植到 S3C2440A 上。 本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種低功耗、高性能嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合的 智能探測(cè)小車(chē) 控制系統(tǒng)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。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(cè)小車(chē) 控制平臺(tái)的軟硬件系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)了基于 ARM 的機(jī)器人小車(chē)控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。 20xx 年，中國(guó)正式開(kāi)展月球探測(cè)工程，并命名為 “嫦娥工程 ”，直到 “嫦娥一號(hào) ”的奔月成功，國(guó)人的夢(mèng)正一步一步地走向?qū)崿F(xiàn)。月球已成為未來(lái)航天大國(guó)爭(zhēng)奪戰(zhàn)略資源的焦點(diǎn)。 “回 ”的技術(shù)水平更高、更復(fù)雜，預(yù)計(jì)在 2017 年左右進(jìn)行。 “勇氣 ”號(hào)是迄今美國(guó)發(fā)射的最尖端的火星探測(cè)裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機(jī)及具有紅外探測(cè)能力的微型熱輻射分光計(jì)。操作員可以通過(guò)修改小車(chē)的計(jì)算機(jī)程序來(lái)改變它的行駛方式。而要進(jìn)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(jī)器人小車(chē)更 “智能 ”的條件。為達(dá)到上述目的，本課題主要對(duì)以下方面進(jìn)行了工作 : 1． 結(jié)合當(dāng)前機(jī)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(wèn)題，闡述了基于ARM 嵌入式 智能探測(cè)小車(chē) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了基于 ARM920T 的最小系統(tǒng)。舉例來(lái)說(shuō)，個(gè)人計(jì)算機(jī)（ PC）不是一種嵌入式系統(tǒng)，因?yàn)樗怯糜谕ㄓ媚康牡南到y(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(guò)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(wú)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(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)） [7]而設(shè)計(jì)的，它與 CISC（ Complex Instruction Set Computer 復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）在一些地方有著很大的區(qū)別。常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)有： (1) Vxworks Vxworks操作系統(tǒng)是美國(guó) WindRiver公司于 1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)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(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。 Palm OS在 PDA市場(chǎng)上占有很大的市場(chǎng)份額，目前主要與 WIN CE進(jìn)行激烈競(jìng)爭(zhēng)。 C/OSII， 20xx年，得到美國(guó)航空管理局 （ FAA） 的認(rèn)證，可以用于飛行器上。 Linux 己經(jīng)被移植到多種硬件平臺(tái)，這對(duì)受開(kāi)銷(xiāo)、時(shí)間限制的研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)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(hào)、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(chē)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(jì)實(shí)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(guò)跟驅(qū)動(dòng)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(gè)紐扣電池為 2440 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電；驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(shí)用性和易擴(kuò)展性， 同時(shí)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(yùn)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(jí)以及高檔微控制器的價(jià)格不斷下降等因素，因此設(shè)計(jì)時(shí)選用 32 位微控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心。考慮到要求控制系統(tǒng)具有高性能的原因，另外結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(dá) 533MHz，并提供豐富的輸入輸出端口、時(shí)鐘源、 PWM、外部中斷接口。 存儲(chǔ)器 —— 一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行 ，其指令必須放入一定的存儲(chǔ)器空間內(nèi)，運(yùn)行的時(shí)候也需要空間存儲(chǔ)臨時(shí)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(jī)讀寫(xiě)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(qiáng)的部件，稱(chēng)之為核心板。 S3C2440A的供電電壓為 ，內(nèi)核 。為了 降低噪聲和出錯(cuò) 機(jī)率 ，在設(shè)計(jì) PCB 時(shí)設(shè)計(jì)了合理的走線以及大面積敷銅處理。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是 :能夠感知前方較遠(yuǎn)距離處的道路狀況 ； 受外界干 擾小。電路如圖 、 所示。 對(duì)航模鋰第三章 智能探測(cè)小車(chē) 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 22 電池進(jìn)行放電試驗(yàn)， 在 3A 大電流放電的情況下得到的曲線，可以看出隨著電量的釋放，電壓也在不斷地減低，范圍為 —— 。 模式選擇開(kāi)關(guān) 開(kāi)關(guān)撥到左邊則選擇從 NOR FLASH 啟動(dòng)，撥到右邊則選擇從 NAND FLASH 啟動(dòng) JTAG 手動(dòng)啟動(dòng)按鈕 預(yù)留出來(lái)的方便小車(chē)在沒(méi)有無(wú)線網(wǎng)控制下直接通過(guò)人工手動(dòng)啟動(dòng)小車(chē)完成所需要的功能。 電源和復(fù)位 —— 電源是為處理器提供能源的部件，一般使用直流電源。因此構(gòu)建一個(gè)嵌入式控制系統(tǒng)，第一步，必須是要讓系統(tǒng)核心部分 —— 嵌入式處理器，可以運(yùn)行起來(lái) ，這樣才可以逐步增加系統(tǒng)的功能，如外圍擴(kuò)展、軟件及程序設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)移植、增加各種接口等，最終形成符合需求的完整系統(tǒng)。 4) 外部擴(kuò)展總線 —— 大部 分的 32 位芯片支持外部擴(kuò)展 SDRAM，但是提供的片選信號(hào)的數(shù)量不同，即支持的外部擴(kuò)展芯片的數(shù)量不同。硬件以 ARM9 核控制芯片 S3C2440A 為控制器，用紅外 光電傳感器識(shí)別路徑，使用驅(qū)動(dòng)電 路、編碼器和直流 電機(jī) 進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制和速度控制。 在 智能探測(cè)小車(chē) 的核心板上移植 ARMLinux 操作系統(tǒng)，根據(jù)小車(chē)的功能編寫(xiě)應(yīng)用程序。 硬件部分由 ARM9 處理器 S3C2440A， 存儲(chǔ)器 ， 紅外 光電尋跡模塊 、 電機(jī)模塊 、 任務(wù)探測(cè)模塊 等電路組成。 (3) 系統(tǒng)集成 /測(cè)試 把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成在一起，進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤。本設(shè)計(jì)中選擇 ARMLinux 作為操作系統(tǒng) [11][12] 。 (3) 它是免費(fèi)的，源代碼可以得到，這是最吸引人的。嵌入式 Linux就是指對(duì) Linux經(jīng)過(guò)小型化裁減后，能夠固化 在容量只有幾百 K字節(jié)或幾兆字節(jié)的儲(chǔ)存器芯片中，用于特定嵌入式場(chǎng)合的專(zhuān)用 Linux操作系統(tǒng) [8][9][10] 。 (5) 181。針對(duì)掌上設(shè)備、無(wú)線設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺(tái)， WindowsCE嵌入式不夠?qū)崟r(shí)，屬于軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 CISC 和 RISC 架構(gòu)各有其側(cè)重點(diǎn)，現(xiàn)在出現(xiàn)了超長(zhǎng)指令集計(jì)算機(jī)，融合了兩只指令集的優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái) CPU發(fā)展的趨勢(shì)之一。 (4) V4 構(gòu)架（ ARM ARM9）：低功 耗 的 32 位 RISC 處理器，包括 32 位地址線和數(shù)據(jù)線，具有 ICE 邏輯，調(diào)試開(kāi)發(fā)方便；具有 16 位的 Thumb 指令集；主頻高達(dá)130MIPS；完善了軟件中斷 SWI 指令。 根據(jù) IEEE（國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義：嵌入式系統(tǒng)是 “用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置 ”（原文為 devices used to control， monitor， or assist the operation of equipment， machinery or plants）。 對(duì)于紅外尋跡 本文實(shí)現(xiàn) PD 變尺度增量 控制算法并分析了的其優(yōu)劣 。嵌入 真正開(kāi)放、資源豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)、能實(shí)時(shí)多任務(wù)管理的 Linux 操作系統(tǒng)成為首選辦法。另外， 智能探測(cè)小車(chē) 的自動(dòng)控制、傳感、通信等 的研究將有助于車(chē)輛的研究，車(chē)輛駕駛?cè)蝿?wù)的自動(dòng)完成將給人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步帶來(lái)巨大 的影響 [25]。目前各國(guó)關(guān)于機(jī)器人的定義都各不相同，在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，只有易于再編 程的裝置才認(rèn)為是機(jī)器人。 20xx 年，美國(guó)宇航局發(fā)射 “勇氣 ”號(hào)和 “機(jī)遇 ”號(hào)火星車(chē)執(zhí)行火星探索任務(wù)。 第二期工程叫 “落 ” 即發(fā)射一個(gè)月球 探測(cè)器，著陸在月球表面上，再?gòu)倪@個(gè)月球著陸探測(cè)器上釋放出一個(gè)探 月 車(chē)，在月球表面上行走探測(cè)。這代表著， “嫦娥二號(hào) ”任務(wù)已基本取得成功。論 述了紅外尋跡處理中基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 中文摘要 III 的 PD 變尺度增量控制算法，圖像處理中的灰度二值化算法以及溫度測(cè)試中的環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題的解決策略。概述了基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 中文摘要 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) II 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 的設(shè) 計(jì)與實(shí)現(xiàn) 中文摘要 隨著國(guó)人在嫦娥工程的初步成功和逐步深入，月球探測(cè)器的設(shè)計(jì)一直吸引著眾多科學(xué)工作者的關(guān)注。 I 碩士 專(zhuān)業(yè) 學(xué)位論文 論文題目 基于 ARM的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 研究生姓名 指導(dǎo)教師姓名 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 研究方向 論文提交日期 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 中文摘要 I 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 智能探測(cè)小車(chē) 屬于機(jī)器人的范疇，它融合了先進(jìn)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(dòng)控制等技術(shù)。 設(shè)計(jì)了基于 ARM 的 智能探測(cè)小 車(chē) 控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。測(cè)試結(jié)果表明，在該控制系統(tǒng)下， 智能探測(cè)小車(chē) 具有良好的位置跟蹤和圖像采集處理性能。如圖 所 示本次嫦娥二號(hào)衛(wèi)星發(fā)射的主要任務(wù)。如果申報(bào)獲批，該工程預(yù)計(jì)在 20xx 年前后進(jìn)行（本文所研究設(shè)計(jì)的 智能探測(cè)小車(chē) 即為了模擬第二期工程中降落在月球表面的探測(cè)器）。 20xx 年 1 月，兩輛火星車(chē)在火星的不同區(qū)域著陸。 智能探測(cè)小車(chē) 不同遙控小車(chē)，后者需要操作員來(lái)控制其轉(zhuǎn)向、啟停和進(jìn)退，比較先進(jìn)的遙控車(chē)還能控制其速度。 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(zhuān)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(jìn)控制 的理論成果使得對(duì)機(jī)器人的研究更具有挑戰(zhàn)性 。 本文以 ARM920T 核控制芯片為控制器，用紅 外傳感器識(shí)別路徑，使用直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制和速度控制，使用 CMOS 攝像頭來(lái)拍攝識(shí)別對(duì)象，使用無(wú)線網(wǎng)卡來(lái)傳輸數(shù)據(jù)， 使用協(xié) Linux 操作系統(tǒng)來(lái)管理應(yīng)用程序，使用上位機(jī)軟 件來(lái)控制小車(chē)啟停并接收反饋信號(hào)。結(jié)合 CMOS 攝像模塊的性能，采用了二值化算法對(duì)拍攝圖像進(jìn)行二值化，并對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果分析后得到顏色和圖像形狀 ?？梢钥闯龃?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。 (5) V5 構(gòu)架（ ARM10）：具有帶鏈接和交換的轉(zhuǎn)移 BLX 指令；計(jì)數(shù)前導(dǎo)零 CLZ指令； BRK 中斷指令；增加了一些信號(hào)處理指令。 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與 智能探測(cè)小車(chē) 的總體概述 7 ARM 操作系統(tǒng) 常見(jiàn)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(lái)越重要，可以說(shuō)沒(méi)有操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)