【正文】 緒論 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與實(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)計一套電路簡單、性能可靠 、功能齊全的嵌入式機(jī)器人小車硬件控制系統(tǒng)是另一個難題。狹義上而言，嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為核心，計算機(jī)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(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。 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(jī)的執(zhí)行效率得到提高。它是在 x86體系上面開發(fā)出來的，別的好多 RTOS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(shí)現(xiàn) 8 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。 (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。 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(shí)現(xiàn) 10 (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(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。 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(jìn)行成為可能。 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(shí)際可用的 I/O 接口數(shù)量。 時鐘 —— 處理器的運(yùn)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)基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與 實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 17 執(zhí)行一條指令。 系統(tǒng)使用了電源 1 和電源 2 兩路鋰電池進(jìn)行供電。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。控制器通過 合適的采樣頻率的對 24 個 通道定時發(fā)送通斷信號 ， 驅(qū)動 RPR220 傳感器的發(fā)射管，這樣做 即能節(jié)能，又能提高抗干擾能力。電路如圖 、 所示。 模式選擇開關(guān) 開關(guān)撥到左邊則選擇從 NOR FLASH 啟動，撥到右邊則選擇從 NAND FLASH 啟動 JTAG 手動啟動按鈕 預(yù)留出來的方便小車在沒有無線網(wǎng)控制下直接通過人工手動啟動小車完成所需要的功能。因此構(gòu)建一個嵌入式控制系統(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，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、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)。硬件以 ARM9 核控制芯片 S3C2440A 為控制器，用紅外 光電傳感器識別路徑，使用驅(qū)動電路、編碼器和直流 電機(jī) 進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制和速度控制。 硬件部分由 ARM9 處理器 S3C2440A， 存儲器 ， 紅外 光電尋跡模塊 、 電機(jī)模塊 、 任務(wù)探測模塊 等電路組成。本設(shè)計中選擇 ARMLinux 作為操作系統(tǒng) [11][12] 。嵌入式 Linux就是指對 Linux經(jīng)過小型化裁減后， 能夠固化 在容量只有幾百 K字節(jié)或幾兆字節(jié)的儲存器芯片中，用于特定嵌入式場合的專用 Linux操作系統(tǒng) [8][9][10] 。針對掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動態(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， WindowsCE嵌入式不夠?qū)崟r，屬于軟實(shí)時操作系統(tǒng)。 (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。 對于紅外尋跡 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 。另外， 智能探測小車 的自動控制、傳感、通信等 的研究將有助于車輛的研究，車輛駕駛?cè)蝿?wù)的自動完成將給人類社會的進(jìn)步帶來巨大 的影響 [25]。 20xx 年，美國宇航局發(fā)射 “勇氣 ”號和 “機(jī)遇 ”號火星車執(zhí)行火星探索任務(wù)。這代表著， “嫦娥二號 ”任務(wù)已基本取得成功。概述了基于 ARM 的 智能探測 小車 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 具體內(nèi)容如下： 闡述了 智能探測小車 的應(yīng)用價值和研究意義，并詳細(xì)的描述了 智能探測小車 的體系結(jié)構(gòu)。 更讓人振奮的是 “嫦娥二號 ”在飛行 180 余小時后，在 10 月 9 日 上午11 時 32 分正式進(jìn)入軌道高度為 100 公里、周期為 118 分鐘的圓形環(huán)月 “使命軌道 ”。 在航天深空探索上，美國人有著全世界最好的技術(shù)和經(jīng)驗。 智能探測小車 最適 合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，因此這類 機(jī)器人小車的研究和開發(fā)對未來的工業(yè)和社會具有十分重要的意義。 3． 控制算法的研究與實(shí)現(xiàn) ： 結(jié)合紅外傳感器硬件排布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文設(shè)計了自適應(yīng)的掃描 方法。增加了異常處理返回；尋址空間擴(kuò)展到 4GB。 (2) WindowsCE WindowsCE 、移動式、智能化、 32位、連接設(shè)備的模塊化實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)?？梢灾С?jǐn)?shù)十種 CPU芯片。C Linux 等。 系統(tǒng)軟硬件組成 系統(tǒng)啟動呼叫上位機(jī)路況采集路信息過濾電機(jī)控制圖像識別圖形特征分析探測信息分析無線通信應(yīng) 用 程 序 層A R M L I N U X 操 作 系 統(tǒng)驅(qū) 動 程 序 層硬 件 抽 象 層A R M 9 核 （ S 3 C 2 4 4 0 A )存 儲 器S D R A MN o r F l a s hN a n d F l a s h串 口電 機(jī)模 塊S P I紅 外 光 電尋 跡 模 塊I I C探 測 模 塊 圖 系統(tǒng)軟硬件組成 智能探測小車 控制系統(tǒng)軟硬件組成如圖 所示，系統(tǒng)由三部分組成，操作系統(tǒng)部分、中間部分和硬件部分。 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(shí)現(xiàn) 14 第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 智能探測小車 的硬件是整個控制系統(tǒng)能否順利運(yùn)行的基礎(chǔ)。在嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)中，最小系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。 其實(shí)物圖如圖 所示： 主控板電路模塊設(shè)計 圖 核心板和 主板實(shí)物圖 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(shí)現(xiàn) 18 圖 ，主板的功能主要是根據(jù)小車的功能需求把 S3C2440A核 心板的各種有用的接口引出來，并提供電源和一些輔助接口，具體說明如表 所示： 表 主板各事項說明 事項 詳細(xì)說明 電源開關(guān) 根據(jù)絲印層提示，開關(guān)撥到右邊開啟電源，撥到左邊關(guān)閉電源； 復(fù)位按鈕 用于手動對 S3C2440A 強(qiáng)制復(fù)位； 輔助電源插座 用于在主板沒有與驅(qū)動板連接的情況下直接對主板供電，一般是為了對主板進(jìn)行獨(dú)立調(diào)試，此時注意電源應(yīng)該具備持續(xù)提供 1A 的負(fù)載能力； JP1 與驅(qū)動板連接到端口 其中， RESET 是預(yù)留給 S3C2440A 對驅(qū)動板上 AVR 單片機(jī)的復(fù)位信號 X_mode 擴(kuò)展 板接口 擴(kuò)展板接口主要用于連接測溫以及設(shè)計的傳感器電路板，分別預(yù)留出開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入、 I2C、 UART、 SPI 的相關(guān)信號引腳 Sensor 紅外傳感器接口 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與 實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 19 CON_CAM 攝像頭接口 J J9 USB 主從口選擇 S3C2440A 有兩個 USB 主口 Host0、 Host1，其中 Host0 已經(jīng)由USBHOST1 引出，而 Host1 與 USB 從口 (稱為 USB Device)的引腳是復(fù)用的，所以需要對 Host1/Device 進(jìn)行選擇，這里用兩個短路帽把 JJ9 左邊兩個插針同時連接起來就是選 擇 Host 功能，把 J J9 右邊兩個插針同時連起來就是選擇 Device 功能。 C10470uF/25VD21N5822C9470uF/25VVDD12VVin1OUT2GND3FB4ON/OFF5U1LM2576S5L2100uH/3AVDD5VC2104C15104231SW1PowerD11N5822LED1redVDD5VR147012J2123J4VDD5V 圖 電源 1 電路 C7470uF/25VD31N5822C8470uF/25V+12V_upVin1OUT2GND3FB4ON/OFF5U2LM2576S5L1100uH/3A+5V_upC3104C4104231SW2PowerD41N5822LED2red+5V_upR247012J3123J5 圖 電源 2 電路 然后，如圖，再對 電源經(jīng)過低壓差、低噪聲線性穩(wěn)壓源 LM111733 和LM111718[17]穩(wěn)壓源芯片穩(wěn)壓，提供給處理器所需要的 電源和內(nèi)核所需的 電壓， 電源電路加了工作指示燈。尋跡電路模塊的工作原理描述如下 ： 經(jīng)過對多種紅外對管實(shí)驗室性能測試，最后選擇 24 對紅外收發(fā)對管 RPR220[18]作為路面探測傳感器， 24 對紅外傳感器 “一 ”字排開，間距 22mm，作為 智能探測小車“眼睛 ”，探測模塊安裝在車體的前端。缺點(diǎn)是 :圖像處理計算量大，處理速度慢。電源 1 供給 STM32 和驅(qū)動電機(jī)的電源， 標(biāo)配的是 8C 2200mAh 的航模鋰電池； 電源 2 供給主板 電源，標(biāo)配的是 20C 2200mAh 的航模鋰電池，與電源 1 通過光耦完全隔離， 主板與驅(qū)動板的通信都要經(jīng)過光耦連接。時鐘單元的核心是晶振，它可以提供一個頻率，處理器使用該頻率的時候可能還需要倍頻處理。 3) 中斷控制器 —— 外部中斷控制器是選擇芯片必須考慮的因素，合理的外部中斷設(shè)計可以在很大程度上減輕任務(wù)調(diào)度的工作量，同時還要考慮中斷的觸發(fā)方式。 操作系統(tǒng)部分由系統(tǒng)內(nèi)核、應(yīng)用程序及算法程序等軟件組成。軟硬件設(shè)計往往是并行的，并且嵌 入式系統(tǒng)設(shè)計的工作大部分都集中在軟件設(shè)計上，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)計是現(xiàn)代軟件工程經(jīng)常采用的方法。唯一的限 制是開發(fā)者必須做出對 Linux 社區(qū)有益的改動。 QNX是一個實(shí)時的、可擴(kuò)充的操作系統(tǒng)，它部分遵循 POSIX相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由于 QNX具有強(qiáng)大的圖形界面功能，因此很適合作為機(jī)頂盒、手持設(shè)備 (手掌電腦、手機(jī) )、 GPS設(shè)備的實(shí)時操作系統(tǒng)使用。目前中高端的服務(wù)器普遍使用 RISC 指令集，把重點(diǎn)放在了如何使計算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運(yùn)算速度。一般的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程是：從產(chǎn)品定義開 始，接著進(jìn)行硬件設(shè)計，然后將軟件或操作系統(tǒng)移植到硬件上，并且進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，最后經(jīng)過測試與調(diào)試后即開始銷售或使用。由于 智能探測小車 對控制以及精度的要求，控制系統(tǒng)的軟件部分亦將變的龐大而復(fù)雜。 本文所述的 智能探測小車 ，是類似火星車，以輪子作為移動機(jī)構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的 一種機(jī)器人，它具有機(jī)器人的基本特征 ——易于再編程。這個探測器 20xx 年就已經(jīng) 發(fā)射。 設(shè)計 了上位機(jī)監(jiān)控軟件 、 相關(guān)通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳送格式。基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 中文摘要 碩士研究生學(xué)位論文 基于 ARM的 智能探測小車 的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 中文摘要 隨著國人在嫦娥工程的初步成功和逐步深入，月球探測器的設(shè)計一直吸引著眾多科學(xué)工作者的關(guān)注。論述了紅外尋跡處理中的 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試中的環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)葐栴}的解決策略。 第二期工程叫 “落 ” 即發(fā)射一個月球 探測器，著陸在月球表面上，再從這個月球著陸探測器上釋放出一個探月 車，在月球表面上行走探測。目前各國關(guān)于機(jī)器人的定義都各不相同，在美國標(biāo)準(zhǔn)中，只有易于再編程的裝置才認(rèn)為是機(jī)器人。嵌入 真正開放、資源豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)、能實(shí)時多任務(wù)管理的 Linux 操作系統(tǒng)成為首選辦法。 根據(jù) IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）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）。 CISC 和 RISC 架構(gòu)各有其側(cè)重點(diǎn)，現(xiàn)在出現(xiàn)了超長指令集計算機(jī)，融合了兩只指令集的優(yōu)勢，成為未來 CPU發(fā)展的趨勢之一。 (5) 181。 (3) 它是免費(fèi)的，源代碼可以得到，這是最吸引人的。 (3) 系統(tǒng)集成 /測試 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)計過程中的錯誤。 在 智能