【正文】 ARM的 智能探測(cè)小車 智能探測(cè)小車 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 上 位 機(jī) 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(hào) 處 理各 類 傳 感 器執(zhí) 行 器小 車 機(jī) 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(cè)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(jī)監(jiān)控層，策略應(yīng)用層，控制器層，傳感和執(zhí)行層以及 機(jī)械層。 中間部分 由驅(qū)動(dòng) 程序?qū)雍陀布橄髮咏M成。 智能探測(cè)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(jī)驅(qū)動(dòng)板、紅外尋跡板、攝像頭和探測(cè)板組成。 智能探測(cè)小車 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 如圖 所示。 5) UART 數(shù)量 —— 幾乎所有的 32 位芯片都支持 1 個(gè)或 2 個(gè)串口，用于同 PC 機(jī)通信調(diào)試。本文設(shè)計(jì)的 智能探測(cè)小車 嵌入式控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng)組成如圖 所示。 JTAG 調(diào)試接口 —— 在高級(jí)的嵌入式處理器里內(nèi)置 JTAG 接口，即聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小 組接口將主機(jī)中的程序載入到嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存中，并對(duì)處理器電路進(jìn)行邊界掃描和故障檢測(cè)。在 NOR FLASH 中正常啟動(dòng)則 LED3 常亮， LED1 閃爍， LED LED4 常滅；在 NAND FLASH 中正常啟動(dòng)則一開始 LED LED3 常亮， LED LED4 常滅，啟動(dòng)完成后 4 個(gè) LED 以類似走馬燈的方式點(diǎn)亮 第三章 智能探測(cè)小車 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 20 J1 上面的信號(hào)引腳并不是都用到，下面僅列出較重要的信號(hào)引腳： RESET：給 AVR 單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)； OM0：模式控制信號(hào)， 0 為從 NAND FLASH 啟動(dòng)， 1 為從 NOR FLASH啟動(dòng)； 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車 的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測(cè)小車 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 21 J2 上面的信號(hào)引腳并不是都用到，下面僅列出較重要的信號(hào)引腳： RST_KEY： S3C2440A 的復(fù)位信號(hào)，低電平復(fù)位； BEEP：蜂鳴器控制引腳 。 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(jī)和主板驅(qū)動(dòng)板提供 電源 。要使機(jī)器人小車能夠識(shí)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。這種方法利用了路面不同第三章 智能探測(cè)小車 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 24 的材料和顏色對(duì)光線的吸收和反射量不同，檢測(cè)反射回來的光線就可以得到當(dāng)前位置的材料或者顏色。 另一種方式是將模擬信號(hào)直接傳送給控制器的 AD 接口，編寫合適的算法，直接交由處理器去完成， 這樣做簡(jiǎn)化了外圍電路， 由于在 AD 轉(zhuǎn)化需要花費(fèi)一定時(shí)間，降低了小車對(duì)路面信息采集的實(shí)時(shí)性 。缺 點(diǎn)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。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。 S3C2440A的供電電壓為 ，內(nèi)核 。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，稱之為核心板。 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)讀寫的 RAM?？紤]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。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。 主板供電為 +5V 直流電源，通過跟驅(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。 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。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(jì)實(shí)現(xiàn)最為關(guān)鍵的層次。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。 (5) Linux 高度模塊化使添加部件非常容易。 Linux 己經(jīng)被移植到多種硬件平臺(tái)，這對(duì)受開銷、時(shí)間限制的研究與開發(fā)項(xiàng)目是很有吸引力的。 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。 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)。常見的嵌入式操作系統(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)核以及友好的用戶開發(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。 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。 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。舉例來說，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)。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)問題，闡述了基于ARM 嵌入式 智能探測(cè)小車 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)。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)器人小車更 “智能 ”的條件。操作員可以通過修改小車的計(jì)算機(jī)程序來改變它的行駛方式。 “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)。 “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。月球已成為未來航天大國(guó)爭(zhēng)奪戰(zhàn)略資源的焦點(diǎn)。 20xx 年，中國(guó)正式開展月球探測(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)。 設(shè)計(jì)了基于 ARM 的機(jī)器人小車控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。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 控制平臺(tái)的軟硬件系統(tǒng)。 課題 旨在設(shè)計(jì)一款具有良好可擴(kuò)展性，模塊化的教育型 智能探測(cè)小車 控制平臺(tái)，使其既能夠滿足大專院校 學(xué) 生開展機(jī)器人比賽的要求，同時(shí)又能成為 嵌入式課程 開發(fā)和項(xiàng)目研究的 平臺(tái) 。依據(jù) PCB 設(shè)計(jì)的原則、抗干擾措施，自行設(shè)計(jì)了印刷電路板 (PCB)。古往今來，我國(guó)對(duì)探索月球 有著矢志不渝的追求。實(shí)現(xiàn)月球探測(cè)將是我國(guó)航天深 空探測(cè)零的突破。這個(gè)月球著陸器落在月球表面就位探測(cè)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。根據(jù)最初的設(shè)計(jì)， “勇氣 ”號(hào)和 “機(jī)遇 ”號(hào)用來執(zhí)行為期 90 天的火星探索任務(wù)，但這兩個(gè)機(jī)器人最終上演了超齡服役的壯舉。而 智能探測(cè)小車 ，則可以通過計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)其對(duì)行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預(yù)。 在對(duì) 智能探測(cè)小車 的研究中面臨的最大難題在于小車本身是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，即機(jī)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(huì)思考而且要有效的管理自己軀干的各個(gè)部件。最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠自動(dòng)識(shí)別路徑， 自動(dòng)控制穩(wěn)定性，自動(dòng)拍攝識(shí)別沿途障礙標(biāo)志物并自動(dòng)傳送圖像 參數(shù) 的快速、安全、穩(wěn)定的 智能探測(cè)小車 。 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車 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 的總體概述 5 第二章 嵌入式系統(tǒng)與 智能探測(cè)小車 的總體概述 ARM硬件開發(fā)平臺(tái) 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(jì)算機(jī)設(shè)備，就可以算是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。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(chǎng)，并成為嵌入式系統(tǒng)的主流技術(shù)之一 [6]。 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。 目前有多種嵌入式操作系統(tǒng)，它們使得開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能，把應(yīng)用程序分割為若干獨(dú)立運(yùn)行的模塊，使得 程序的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)化許多；對(duì)于實(shí)時(shí)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(gè)系統(tǒng)的資源得到很好的管理和應(yīng)用。 (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。 1998年升級(jí)到 181。選擇 Linux 有以下幾個(gè)原因： (1) 可 應(yīng)用于多種硬件平臺(tái)。 基于 ARM 的 智能探測(cè)小車 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 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。 需 求 分 析規(guī) 格 說 明 書體 系 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)體 系 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 硬 件 設(shè) 計(jì) 軟 件 設(shè) 計(jì)系 統(tǒng) 集 成系 統(tǒng) 測(cè) 試最 終 產(chǎn) 品 圖 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 (1) 系統(tǒng)需求分析 /體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的需求一般分功能需求和非功能性需求兩方面。上位機(jī)監(jiān)控層由PC 機(jī)和其上由 C++開發(fā)的應(yīng)用軟件組成，上位機(jī)通過 其上的無線網(wǎng)卡，由無線路由器橋接與 智能探測(cè)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(jī)主要實(shí)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(cè)對(duì)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(cè)小車 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 的總體概述 11 也是本課題的重點(diǎn)部分。 驅(qū)動(dòng)程序?qū)邮强梢允褂?jì)算機(jī)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(gè)接口，才能控制硬件設(shè)備的工作。 小車共有四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，左右各兩個(gè)，并且同一邊的兩個(gè)電機(jī)是共用一個(gè) PWM信號(hào)的，所以小車驅(qū)動(dòng)起來只需要 2 路 PWM 信號(hào)。 圖 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 智能探測(cè)小車 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 智能探測(cè)小車 核心板設(shè)計(jì) (1) 微處理器的選型 智能探測(cè)小車 的微處理器是整個(gè)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(cè)小車 的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測(cè)小車 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)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(jìn)行數(shù)據(jù) 處理，控制算法運(yùn)算，輸出控制量和上位機(jī)通訊等功能，系統(tǒng)采用嵌入式微處理器來建立控制平臺(tái)。 Samsung 的 ARM 芯片是國(guó)內(nèi)目前使用最多的 ARM 芯片，其中最常用的是S3C45 S3C44B0、 S3C2410 和 S3C2440。 嵌 入 式 內(nèi) 核S 3 C 2 4 4 0 A電 源 時(shí) 鐘存 儲(chǔ) 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(duì)于任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，處理器都是整個(gè)系統(tǒng)的核心，整個(gè)系統(tǒng)是靠處理器的指令工作起來的。 正由于 S3C2440A的強(qiáng)大功能，在它上面開發(fā)新功能是很有意義的一件事。 穩(wěn)壓 電源電路 模塊 設(shè) 計(jì) 電源是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，穩(wěn)壓電源電路為整個(gè) 智能探測(cè)小車 提供電源，主要為控制器和外圍電路提供能源，同時(shí)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制速度和方向。該款芯片特點(diǎn)是輸出電流大、輸出電壓精度高、穩(wěn)定好。 (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(shí)別中常用的方法之一。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是 :電路簡(jiǎn)單，信號(hào)處理速度快。 本文選擇了