【導(dǎo)讀】科學(xué)工作者的關(guān)注。智能探測(cè)小車屬于機(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)。機(jī)器人車應(yīng)用領(lǐng)域。廣泛，包括自動(dòng)駕駛、反恐、核電站維護(hù)、未知區(qū)域探測(cè)、無人工程產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)鹊龋瑱C(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展必將對(duì)人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。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)，和項(xiàng)目研究的平臺(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)。無線通信模塊等。概述了基于ARM的智能探測(cè)小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對(duì)核心板、主控板、穩(wěn)。接口等硬件電路分別給出了詳盡的設(shè)計(jì)方案。依據(jù)PCB設(shè)計(jì)的原則、抗干擾措施，在Linux系統(tǒng)中編寫相應(yīng)的設(shè)備和接。口驅(qū)動(dòng)程序，編寫了控制系統(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。設(shè)計(jì)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。論述了紅外尋跡處理中。度補(bǔ)償?shù)葐栴}的解決策略。的位置跟蹤和圖像采集處理性能。

　　

【正文】 機(jī)通信調(diào)試。 Samsung 的 ARM 芯片是國內(nèi)目前使用最多的 ARM 芯片，其中最常用的是S3C45 S3C44B0、 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 ： ， ， I/O， 16KB指令 Cache/16KB數(shù)據(jù) Cache， 外部儲(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) 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)起來的最簡單的硬件設(shè)計(jì) [15]。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。 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。 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)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) 17 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。 其實(shí)物圖如圖 所示： 主控板電路模塊設(shè)計(jì) 圖 核心板和 主板實(shí)物圖 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) 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(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 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) 19 CON_CAM 攝像頭接口 J J9 USB 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 J J9 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， 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 。 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。 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(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) 22 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(duì)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(dòng)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(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。 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(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。 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(duì) 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。 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) 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 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。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是 :電路簡單，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?？刂破魍ㄟ^ 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