【正文】 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)起來的最簡單的硬件設(shè)計(jì) [15]。本文設(shè)計(jì)的智能探測小車嵌入式控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng)組成如圖 所示。嵌入式內(nèi)核S 3 C 2 4 4 0 A電源 時(shí)鐘存儲器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—— 對于任何一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，處理器都是整個系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)是靠處理器的指令工作起來的。存儲器—— 一個嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行，其指令必須放入一定的存儲器空間內(nèi)，運(yùn)行的時(shí)候也需要空間存儲臨時(shí)數(shù)據(jù)，一般的內(nèi)存包括可以固化代碼的 FLASH 和可基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)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或者幾個周期內(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—— 在高級的嵌入式處理器里內(nèi)置 JTAG 接口，即聯(lián)合測試行動小組接口將主機(jī)中的程序載入到嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存中，并對處理器電路進(jìn)行邊界掃描和故障檢測。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。其實(shí)物圖如圖 所示：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(jì)與實(shí)現(xiàn)18 主控板電路模塊設(shè)計(jì)圖 核心板和主板實(shí)物圖圖 是主板的實(shí)物簡介圖，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(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(shí)注意電源應(yīng)該具備持續(xù)提供 1A 的負(fù)載能力；基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)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)19JP1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(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、I 2C、UART 、SPI 的相關(guān)信號引腳Sensor紅外傳感器接口第三章 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(jì)與實(shí)現(xiàn)20CON_CAM攝像頭接口JJ9USB 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(shí)連接起來就是選擇 Host 功能，把 JJ9 右邊兩個插針同時(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，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。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 中正常啟動則 LED3 常亮，LED1 閃爍，LED2 、LED4 常滅；在 NAND FLASH中正常啟動則一開始 LEDLED3 常亮，LED2 、LED4 常滅，啟動完成后 4 個 LED 以類似走馬燈的方式點(diǎn)亮基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)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)21J1上面的信號引腳并不是都用到，下面僅列出較重要的信號引腳：RESET：給 AVR 單片機(jī)的復(fù)位信號；OM0：模式控制信號，0 為從 NAND FLASH 啟動，1 為從 NOR FLASH 啟動；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(jì)與實(shí)現(xiàn)22J2上面的信號引腳并不是都用到，下面僅列出較重要的信號引腳：RST_KEY：S3C2440A 的復(fù)位信號，低電平復(fù)位；BEEP：蜂鳴器控制引腳。 穩(wěn)壓電源電路模塊設(shè)計(jì)電源是整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，穩(wěn)壓電源電路為整個智能探測小車提供電源，主要為控制器和外圍電路提供能源，同時(shí)驅(qū)動直流電機(jī)控制速度和方向。S3C2440A 的供電電壓為 ，內(nèi)核 。其他處理器外圍電路需要 電源，為了使得四個直流電機(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)基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)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)23過光耦連接。對航模鋰電池進(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，范圍為 —— 。對于系統(tǒng)來說，穩(wěn)定運(yùn)行的電壓要在 以上。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)動板提供 電源。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。 電路加了工作指示燈。 SW1 是系統(tǒng)電源開關(guān)1，用于給驅(qū)動板和電機(jī)供電；SW2 是系統(tǒng)電源開關(guān) 2，用于給主板供電。C047uF/5VDN89inOUTG3BLM6SHAWPowerEdRJ圖 電源 1 電路+_p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。電路如圖 、 所示。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(jì)與實(shí)現(xiàn)24C150uF/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小車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，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)勢是通過對智能探測小車前方圖像的處理，能夠準(zhǔn)確的判斷出智能探測小車前方較長一段距離跑道的走向，從而為智能探測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，將會在小車最近的前方產(chǎn)生一個盲區(qū)，在急轉(zhuǎn)彎處黑線容易丟失。(2) 采用反射式紅外光電管，是路徑檢測常用的方法。這種方法利用了路面不基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)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)25同的材料和顏色對光線的吸收和反射量不同，檢測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:電路簡單，信號處理速度快。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。光電管相對的感知距離較近并且只能提供非常少的前方車道的走勢信息。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)過對多種紅外對管實(shí)驗(yàn)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?？刂破魍ㄟ^合適的采樣頻率的對 24 個通道定時(shí)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。RPR220 接收管接收到的是模擬信號，控制器有兩種方式接收信息，一種方式是將模擬信號先經(jīng)過放大電路，然后送給比較器變成“0”、 “1”信號送給控制器，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)小車尋跡的效能，采用 ARM7 內(nèi)核的 STM32[19]處理器芯片進(jìn)行輔助運(yùn)算，引入歸一化算法使得尋跡過程更為可靠和穩(wěn)定（算法將在具體闡述） 。圖 為尋跡模塊中紅外傳感器數(shù)據(jù)流向框圖。核心板控制器S 3 C 2 4 4 0 A尋跡模塊輔助處理器S T M 3 2方波產(chǎn)生發(fā)射管電源通斷發(fā)射管A D接口S P I多路選擇放大信號圖 紅外傳感器探測數(shù)據(jù)流向框圖第三章 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(jì)與實(shí)現(xiàn)26由于在紅外傳感器模塊組上還預(yù)留了其他傳感器和功能模塊，例如陀螺儀和加速度儀，以便增強(qiáng)智能探測小車的性能。同時(shí)考慮到尋跡模塊的 24 組紅外傳感器數(shù)據(jù)采集和分析的算法需要較好的運(yùn)算處理能力，因此在尋跡模塊中增加了輔助處理器 STM32 來幫助核心板預(yù)處理紅外傳感器等的信號，從而通過 SPI 總線將處理好的數(shù)據(jù)傳送給 S3C2440A 控制器。圖 、圖 分別為紅外傳感器組成的尋跡模塊電路圖和尋跡模塊實(shí)物圖。STM32 處理器通過 SPI 來傳送控制命令，通過三個 595 來對每組紅外關(guān)電對管控制器通斷，打開的發(fā)射管發(fā)射光線，返回的光線由其相應(yīng)的接收管接受，并通過 4051來按照一定頻率選擇性的接收各路信號，通過其后的放大電路放大后傳回 STM32 處理器進(jìn)行處理。因此 STM32 將產(chǎn)生一個固定的頻率用于交替執(zhí)行打開尋跡傳感器通道和尋跡傳感器的 ADC 采樣?；?ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)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)27圖 紅外傳感器尋跡電路圖 實(shí)物圖 電機(jī)驅(qū)動電路模塊設(shè)計(jì)大多數(shù)直流電機(jī)驅(qū)動是采用開關(guān)型驅(qū)動方式，其中以脈寬調(diào)制(PWM)最為常見。其優(yōu)越性在于驅(qū)動電子設(shè)備的簡單性和計(jì)算機(jī)接口的容易性。由于 PWM 調(diào)制方式使晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，這種調(diào)速方式不僅功率損耗低、效率高，還具有調(diào)速范第三章 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(jì)與實(shí)現(xiàn)28圍廣，線性度好，響應(yīng)速度快等特點(diǎn) [20]。當(dāng)輸入信號為零時(shí)，伺服電機(jī)處于微振狀態(tài)，克服了靜摩擦力的影響，有利于改善伺服系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性。電機(jī)驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)對小車車輪電機(jī)的驅(qū)動主要由總線驅(qū)動電路和電機(jī) PWM 驅(qū)動保護(hù)電路兩部分組成，其電路原理圖如圖 、 所示，總線驅(qū)動芯片采用SN74HC245N，電機(jī)驅(qū)動芯片采用 L298N，其最大驅(qū)動流為單組 2A；電機(jī)采用 12V電源供電，保護(hù)用二極管采用 1N5822。圖 AVR 單片機(jī)電路原理圖基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)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)29D9IN5819 D11IN5819D4IN5819D5IN5819D6IN5819D7IN5819D10IN5819D8IN5819EN A6 EN B11IN15 IN27IN310 IN412 OUT1 2OUT2 3OUT3 13OUT4 14ISEN A 1ISEN B 15VS 4VSS9GND8U2L298N+12V2+5V1234567RP110kM11M12M21M22D151N5819 D161N5819D131N5819D171N5819D141N5819D181N5819D201N5819D191N589EN A6 EN B11IN15 IN27IN310 IN412 OUT1 2OUT2 3OUT3 13OUT4 14ISEN A 1ISEN B 15VS 4VSS9GND8U5L298N