【正文】 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。 “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。 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。 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。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。而一些電話系統(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。 (2) V2 構(gòu)架（ ARM ARM3）：增加乘法指令；增加支持協(xié)處理器的操作；增加第二章 嵌入式系統(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。傳統(tǒng)的 CISC 計(jì)算機(jī)隨著計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，但在這些指令中，只有約 20%的指令會(huì)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(fèi)，顯得設(shè)計(jì)不合理，而 RISC 則可以避免這些問(wèn)題。 Vxworks所具有的顯著特點(diǎn)是 :可靠性、實(shí)時(shí)性和可裁減性，而且它支持多種處理器，如 x8 i960、 SunSparc、 Motorola MC68xxx、 MIPS、 POWER PC等等。 (4) QNX QNX是加拿大 QNX公司的產(chǎn)品。 (6) 嵌入式 Linux Linux的核心是由 Linus Torvalds在 1991年開(kāi)發(fā)出來(lái)，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(zhǔn)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)然后移植到具體的硬件上，加快了 軟件與硬件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。 (6) Linux 在臺(tái)式機(jī)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(jì)描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對(duì)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(chē)的 各種器官 ，傳感器用來(lái)實(shí)現(xiàn)信息采集，執(zhí)行器用來(lái)執(zhí)行上層發(fā)來(lái)的動(dòng)作命令。它隱藏了特定平臺(tái)的硬件接口細(xì)節(jié) ,為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺(tái) ,使其具有硬件無(wú)關(guān)性 ,可在多種平臺(tái)上進(jìn)行移植。 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 13 圖 小車(chē)實(shí)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(jì)方法的介紹，其次給出了本文設(shè)計(jì)的基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 以及軟硬件組成。對(duì)于微控制器的選擇，遵守了以下原則 ： 1) 系統(tǒng)時(shí)鐘的速度 —— 芯片的運(yùn)行速度由系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)決定，在對(duì)芯片的速度考察的時(shí)候，考慮到總線速度的影響，根據(jù)實(shí)際需要一般要選用實(shí)際所需速度的三倍時(shí)鐘。 S3C2440A 采用 ARM920T 內(nèi)核 [14]，集成如下片上功能 ： ， ， I/O， 16KB指令 Cache/16KB數(shù)據(jù) Cache， 外部?jī)?chǔ)存控制器 (SDRAM 控制盒片選邏輯 )， 集成 LCD 專(zhuān)用 DMA 的 LCD控制器 ， 4 路擁有外部請(qǐng)求引腳的 DMA 控制器 ， 3 路 URAT， 2 路 SPI， IIC 總線接第三章 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) 16 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(jī) /l路 USB 設(shè)備 ， 4 路 PWM 定時(shí)器 /l路內(nèi)部定時(shí)器 /看門(mén)狗定時(shí)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(gè)通用 I/O， 24 個(gè)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(shí)鐘發(fā)生器。本系統(tǒng)擴(kuò)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(gè)直流電機(jī)穩(wěn)定正常持續(xù)的高性能工作，提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 12V。 電路加了工作指示燈。采用 CCD 最大的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)對(duì) 智能探測(cè)小車(chē) 前方 圖像的處理，能夠準(zhǔn)確的判斷出 智能探測(cè)小車(chē) 前方較長(zhǎng)一段距離跑道的走向，從而 為 智能探測(cè)小車(chē)的控制提供更多的信息。光電管相對(duì)的感知距離較近并且只能提供非常少的前方車(chē)道的走勢(shì)信息。 (2) 采用反射式紅外光電管，是路徑檢測(cè)常用的方法。 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測(cè)小車(chē) 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 23 C1510uF/16VC610uF/16VC18104 C5104VDD5VVin3GND1Vout2NC4U3LM111733LED2redR2330GND圖 電源電路 圖 電源電路 尋跡 電路 模塊 設(shè)計(jì) 尋跡電路模塊是 智能探測(cè)小車(chē) 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識(shí)別方案的好壞，直接關(guān)系到最終任務(wù)的成功與否。對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)，共有四個(gè)可編程的 LED，它們直接與S3C2440A 的 GPIO 相連，低電平時(shí)點(diǎn)亮。復(fù)位電路連接處理器的引腳，實(shí)現(xiàn)通過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)的最簡(jiǎn)單的硬件設(shè)計(jì) [15]。同時(shí)，數(shù)據(jù)總線的寬度有8 位、 16 位、 32 位三類(lèi)，方便選擇總線寬度類(lèi)型。整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣做既能方便硬件的調(diào)試和升級(jí)， 又能方便控制系統(tǒng)硬件在 智能探測(cè)小車(chē) 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(jī)驅(qū)動(dòng)功放模塊，紅外傳感 器尋跡模塊，探測(cè)板模塊，無(wú)線通信模塊。應(yīng)用程序和算法包含：系統(tǒng)啟動(dòng)程序、呼叫上位機(jī)程序、路況采集程序、路信息過(guò)濾程序、電機(jī)控制程序、圖像識(shí)別程序、圖像處理程序、探測(cè)信息分析程序、無(wú)線通信程序等。 其中存儲(chǔ)器包含了 SDRAM、 Nor Flash 和 Nand Flash；電機(jī)模塊通過(guò)串口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；紅外光電尋跡模塊則通過(guò)紅外傳感器來(lái)對(duì)地第二章 嵌入式系統(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) 12 面路況進(jìn)行識(shí)別，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò) SPI 總線來(lái)傳輸給處理器；探測(cè)模塊是 智能探測(cè)小車(chē) 的眼睛、鼻子和耳朵，它將 月球表面的訊息采集處理和通過(guò) IIC 總線傳輸給處理器。對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，看其是否滿(mǎn)足規(guī)格說(shuō)明書(shū)中給定的功能要求。 基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 如圖 所示，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般由 5 個(gè)階段構(gòu)成：需求分析、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件 /軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)測(cè)試 [13]。毫無(wú)疑問(wèn)，這會(huì)節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。 選擇 Linux 操作系統(tǒng)的 原因 以上常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)，雖然提供了很多高級(jí)的功能，如圖形用戶(hù)界面和網(wǎng)絡(luò)支持，但這些專(zhuān)用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，其高昂的價(jià)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(kāi)發(fā)者的積極性。 C/OS Micro Controller operating system，微控制器操作系統(tǒng)，它是由美國(guó)人 Jean Labrosse 1992年完成的。由于其Windows背景，界面比較統(tǒng)一認(rèn)可。 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)是沒(méi)有用的，這點(diǎn)在普通的臺(tái)式電腦上大家都有深刻體會(huì)。 (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?？梢钥闯龃硕x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(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 。 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)。 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 。 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。 20xx 年 1 月，兩輛火星車(chē)在火星的不同區(qū)域著陸。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）。如圖 所 示本次嫦娥二號(hào)衛(wèi)星 發(fā)射的主要任務(wù)。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。 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)。 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)。 智能探測(cè)小車(chē) 包括視嵌入式核心模塊、主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外尋跡模塊 、測(cè)溫模塊、攝像頭模塊、無(wú)線通信模塊等。在 Linux 系統(tǒng)中編寫(xiě)相應(yīng)的設(shè)備和接口驅(qū)動(dòng)程序，編寫(xiě)了控制系統(tǒng)主程序群、圖像采集程序群和溫度測(cè)試程序 等應(yīng)用程序 。美國(guó)媒體在嫦娥二號(hào)發(fā)射當(dāng)天即用大量文字和圖片報(bào)道中國(guó)月球探索歷程；新加坡《聯(lián)合早報(bào)》將中國(guó)的嫦娥二號(hào)和西方發(fā)射的探月衛(wèi)星進(jìn)行了比較，認(rèn)為嫦娥二號(hào)只用 112 小時(shí)便能進(jìn)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(shí)施的 “三步走 ” ， 三階段都采用無(wú)人自動(dòng)探測(cè)，可用 “繞、落、回 ”來(lái)簡(jiǎn)單概括： 第一期工程叫 “繞 ” 即發(fā)射一個(gè) 月球探測(cè)器，圍繞月球軌道靠近月面進(jìn)行探測(cè)，包括對(duì)月球影像的拍攝，對(duì)近月表面情況（成分、月壤厚度等）的探測(cè)，以及對(duì)月地之間環(huán)境的探測(cè)等。甚至還有航天專(zhuān)家預(yù)想，我國(guó)將在 20xx 年——2033 年間實(shí)現(xiàn)無(wú)人火星探測(cè)， 2040 年 ——2060 年實(shí)現(xiàn)載人火星探測(cè) [1]。火星車(chē)能夠在火星上自主行駛：當(dāng)火星車(chē)發(fā)現(xiàn)值得探測(cè)的目標(biāo)，它會(huì)驅(qū)動(dòng)六 個(gè)輪子向基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 第一章 緒論 3 目標(biāo)行駛，在檢測(cè)到前進(jìn)方向上的障礙后，火星車(chē)會(huì)去尋找可能的最佳路徑。自尋跡 的 智能探測(cè)小車(chē) ，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工及自動(dòng)控 制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。目前基于第一章 緒論 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車(chē) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 單片機(jī)的控制系統(tǒng)外圍電路、可靠性、可擴(kuò)展性普遍較差，如何設(shè)計(jì)一套電路簡(jiǎn)單、性能可靠、功能齊全的嵌入式機(jī)器人小車(chē)硬件控制系統(tǒng)是另一個(gè)難題。 2． 移植 Linux、 內(nèi)核、 系統(tǒng)文件 ， 編寫(xiě) 智能探測(cè)小車(chē) 底層物理驅(qū)動(dòng) 并在 Linux操作系統(tǒng)的平臺(tái)基礎(chǔ)上 編寫(xiě)調(diào)試 智能探測(cè)小車(chē) 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(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 (3) V3 構(gòu)架（ ARM6）：增加 MRS/MSR 指令，可以訪問(wèn)新增加的 CPSR/SPSR 寄存器。 RISC 指令系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠滿(mǎn)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(jiǎn)單指令合成，這使得計(jì)算機(jī)的執(zhí)行效率得到提高。大多數(shù)的 Vxworks API是專(zhuān)有的，火星機(jī)器人使用的就是 Vxworks操作系統(tǒng)。它是在 x86體系上面開(kāi)發(fā)出來(lái)的，別的好多 RTOS第二章 嵌入式系統(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) 8 都是從 68K的 CPU上面開(kāi)發(fā)成熟，然后再移植到 x86體系上面來(lái)的。開(kāi)放源代碼，內(nèi)核小、功能強(qiáng)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?；贚inux 的嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)的有 ARMLinux、 RTLinux 和 181。 第二章 嵌入式系統(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) 10 (2) 硬件 /軟件設(shè)計(jì) 基于體系結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。機(jī)械層是被控制對(duì)象，是最底層的部件 。 從軟硬件測(cè)試的角度來(lái)看，軟硬件的測(cè)試工作都可分別基于硬件抽象層來(lái)完成，使