【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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，也是本課題的重點(diǎn)部分。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。傳感執(zhí)行層可以看作是小車的各種器官，傳感器用來實(shí)現(xiàn)信息采集，執(zhí)行器用來執(zhí)行上層發(fā)來的動(dòng)作命令。機(jī)械層是被控制對(duì)象，是最底層的部件。 系統(tǒng)軟硬件組成，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。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。其中存儲(chǔ)器包含了SDRAM、Nor Flash和Nand Flash；電機(jī)模塊通過串口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；紅外光電尋跡模塊則通過紅外傳感器來對(duì)地面路況進(jìn)行識(shí)別，處理后的數(shù)據(jù)通過SPI總線來傳輸給處理器；探測(cè)模塊是智能探測(cè)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。中間部分由驅(qū)動(dòng)程序?qū)雍陀布橄髮咏M成。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。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。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),使其具有硬件無關(guān)性,可在多種平臺(tái)上進(jìn)行移植。 從軟硬件測(cè)試的角度來看，軟硬件的測(cè)試工作都可分別基于硬件抽象層來完成，使得軟硬件測(cè)試工作的并行進(jìn)行成為可能。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。在智能探測(cè)小車的核心板上移植ARMLinux操作系統(tǒng)，根據(jù)小車的功能編寫應(yīng)用程序。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、無線通信程序等。，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。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)。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；，取自主板。 小車實(shí)物圖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)小車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及軟硬件組成。最后介紹了智能探測(cè)小車的整體結(jié)構(gòu)。75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)第三章 智能探測(cè)小車控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)智能探測(cè)小車的硬件是整個(gè)控制系統(tǒng)能否順利運(yùn)行的基礎(chǔ)。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。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，無線通信模塊。 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)(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模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)。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。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。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(shí)一定要考慮其實(shí)際可用的I/O接口數(shù)量。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(jì)可以在很大程度上減輕任務(wù)調(diào)度的工作量，同時(shí)還要考慮中斷的觸發(fā)方式。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。同時(shí)，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。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。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S3C45S3C44B0、S3C2410和S3C2440?？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。S3C2440A采用ARM920T內(nèi)核[14]，集成如下片上功能：，，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總線接口，IIS音頻編解碼器接口，AC97編解碼器接口，，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。(2) ARM最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)是處理器能夠運(yùn)行的基本系統(tǒng)。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。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，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)。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)起來的最簡(jiǎn)單的硬件設(shè)計(jì)[15]。 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。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。本系統(tǒng)擴(kuò)展了64MB的SDRAM、64MB的NandFlash和2MB的NorFlash。時(shí)鐘—— 處理器的運(yùn)行需要時(shí)鐘周期，一般來說處理器在一個(gè)或者幾個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。時(shí)鐘單元的核心是晶振，它可以提供一個(gè)頻率，處理器使用該頻率的時(shí)候可能還需要倍頻處理。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。復(fù)位電路連接處理器的引腳，實(shí)現(xiàn)通過外部電平讓處理器復(fù)位的目的。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)。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。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。它更好的提高了其與CPU的通信效率。更好的發(fā)揮S3C2440A芯片的潛能。： 核心板和主板實(shí)物圖，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，： 主板各事項(xiàng)說明事項(xiàng)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(dòng)對(duì)S3C2440A強(qiáng)制復(fù)位；輔助電源插座用于在主板沒有與驅(qū)動(dòng)板連接的情況下直接對(duì)主板供電，一般是為了對(duì)主板進(jìn)行獨(dú)立調(diào)試，此時(shí)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(dòng)板連接到端口其中，RESET是預(yù)留給S3C2440A對(duì)驅(qū)動(dòng)板上AVR單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)X_mode擴(kuò)展板接口擴(kuò)展板接口主要用于連接測(cè)溫以及設(shè)計(jì)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(hào)引腳Sensor紅外傳感器接口CON_CAM攝像頭接口JJ9USB主從口選擇S3C2440A有兩個(gè)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(duì)Host1/Device進(jìn)行選擇，這里用兩個(gè)短路帽把JJ9左邊兩個(gè)插針同時(shí)連接起來就是選擇Host功能，把JJ9右邊兩個(gè)插針同時(shí)連起來就是選擇Device功能。模式選擇開關(guān)開關(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)留出來的方便小車在沒有無線網(wǎng)控制下直接通過人工手動(dòng)啟動(dòng)小車完成所需要的功能。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。在NOR FLASH中正常啟動(dòng)則LED3常亮，LED1閃爍，LEDLED4常滅；在NAND FLASH中正常啟動(dòng)則一開始LEDLED3常亮，LEDLED4常滅，啟動(dòng)完成后4個(gè)LED以類似走馬燈的方式點(diǎn)亮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)；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。 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。，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。系統(tǒng)使用了電源1和電源2兩路鋰電池進(jìn)行供電。電源1供給STM32和驅(qū)動(dòng)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(dòng)板的通信都要經(jīng)過光耦連接。對(duì)航模鋰電池進(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，—— 。對(duì)于系統(tǒng)來說。 首先，、[16]。該款芯片特點(diǎn)是輸出電流大、輸出電壓精度高、穩(wěn)定好。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。SW1是系統(tǒng)電源開關(guān)1，用于給驅(qū)動(dòng)板和電機(jī)供電；SW2是系統(tǒng)電源開關(guān)2，用于給主板供電。 然后，如圖，、低噪聲線性穩(wěn)壓源LM111733和LM111718[17]穩(wěn)壓源芯片穩(wěn)壓。、。 尋跡電路模塊是智能探測(cè)小車控制系統(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。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。 (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:能夠感知前方較遠(yuǎn)距離處的道路狀況；受外界干擾小。采用CCD最大的優(yōu)勢(shì)是通過對(duì)智能探測(cè)小車前方圖像的處理，能夠準(zhǔn)確的判斷出智能探測(cè)小車前方較長(zhǎng)一段距離跑道的走向，從而為智能探測(cè)小車的控制提供更多的信息。根據(jù)攝像頭拍攝到的畫面，通過邊緣檢測(cè)等算法判斷出許多關(guān)鍵信息，如中心位置，方向，曲率等等。缺點(diǎn)是:圖像處理計(jì)算量大，處理速度慢。如果要獲得較遠(yuǎn)的視野，將會(huì)在小車最近的前方產(chǎn)生一個(gè)盲區(qū)，在急轉(zhuǎn)彎處黑線容易丟失。 (2) 采用反射式紅外光電管，是路徑檢測(cè)常用的方法。這種方法利用了路面不同的材料和顏色對(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。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:電路簡(jiǎn)單，信號(hào)處理速度快。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。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道的走勢(shì)信息。根據(jù)兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，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。尋跡電路模塊的工作原理描述如下： 經(jīng)過對(duì)多種紅外對(duì)管實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試，最后選擇24對(duì)紅外收發(fā)對(duì)管RPR220[18]作為路面探測(cè)傳感器，24對(duì)紅外傳感器“一”字排開，間距22mm，作為智能探測(cè)小車“眼睛”，探測(cè)模塊安裝在車體的前端。控制器通過合適的采樣頻率的對(duì)24個(gè)通道定時(shí)發(fā)送通斷信號(hào)，驅(qū)動(dòng)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。RPR220接收管接收到的是模擬信號(hào)，控制器有兩種方式接收信息，一種方式是將模擬信號(hào)先經(jīng)過放大電路，然后送給比較器變成“0”、“1”信號(hào)送給控制器，但是這樣增加了硬件電路的成本。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。本文選擇了后者，為了增強(qiáng)小車尋跡的