【正文】 電機驅動電路實現(xiàn)對小車車輪電機的驅動主要由總線驅動電路和電機 PWM 驅動保護電路兩部分組成，其電路原理圖如圖 、 所示，總線驅動芯片采用SN74HC245N，電機驅動芯片采用 L298N，其最大驅動流為單組 2A；電機采用 12V電源供電，保護用二極管采用 1N5822。由于 PWM 調制方式使晶體管工作在開關狀態(tài)，這種調速方式不僅功率損耗低、效率高，還具有調速范第三章 智能探測小車控制系統(tǒng)硬件平臺架構 基于 ARM 的智能探測小車的設計與實現(xiàn)28圍廣，線性度好，響應速度快等特點 [20]?；?ARM 的智能探測小車的設計與實現(xiàn) 第三章 智能探測小車控制系統(tǒng)硬件平臺架構27圖 紅外傳感器尋跡電路圖 實物圖 電機驅動電路模塊設計大多數(shù)直流電機驅動是采用開關型驅動方式，其中以脈寬調制(PWM)最為常見。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 處理器進行處理。同時考慮到尋跡模塊的 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 為尋跡模塊中紅外傳感器數(shù)據(jù)流向框圖。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 轉化需要花費一定時間，降低了小車對路面信息采集的實時性。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。根據(jù)兩種方案的優(yōu)缺點，權衡穩(wěn)定性、精度和速度后，最終選擇采用反射式紅外光電管。缺點是 :感知前方賽道距離有限，受外界紅外頻段光線干擾，精度低。這種方法利用了路面不基于 ARM 的智能探測小車的設計與實現(xiàn) 第三章 智能探測小車控制系統(tǒng)硬件平臺架構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前位置的材料或者顏色。如果要獲得較遠的視野，將會在小車最近的前方產生一個盲區(qū)，在急轉彎處黑線容易丟失。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鍵信息，如中心位置，方向，曲率等等。這種方法的優(yōu)點是: 能夠感知前方較遠距離處的道路狀況；受外界干擾小。要使機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。電路如圖 、 所示。 SW1 是系統(tǒng)電源開關1，用于給驅動板和電機供電；SW2 是系統(tǒng)電源開關 2，用于給主板供電。為了降低噪聲和出錯機率，在設計 PCB 時設計了合理的走線以及大面積敷銅處理。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 ，分別為電機和主板驅動板提供 電源。對航模鋰電池進行放電試驗，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 —— 。系統(tǒng)使用了電源 1 和電源 2 兩路鋰電池進行供電。S3C2440A 的供電電壓為 ，內核 。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亮基于 ARM 的智能探測小車的設計與實現(xiàn) 第三章 智能探測小車控制系統(tǒng)硬件平臺架構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 單片機的復位信號；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 基于 ARM 的智能探測小車的設計與實現(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 的復位信號，低電平復位；BEEP：蜂鳴器控制引腳。模式選擇開關 開關撥到左邊則選擇從 NOR FLASH 啟動，撥到右邊則選擇從 NAND FLASH 啟動JTAG手動啟動按鈕預留出來的方便小車在沒有無線網控制下直接通過人工手動啟動小車完成所需要的功能。更好的發(fā)揮S3C2440A芯片的潛能。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、通用性較強的部件，稱之為核心板。JTAG 調試接口—— 在高級的嵌入式處理器里內置 JTAG 接口，即聯(lián)合測試行動小組接口將主機中的程序載入到嵌入式系統(tǒng)的內存中，并對處理器電路進行邊界掃描和故障檢測。電源和復位—— 電源是為處理器提供能源的部件，一般使用直流電源。時鐘—— 處理器的運行需要時鐘周期，一般來說處理器在一個或者幾個周期內執(zhí)行一條指令。存儲器—— 一個嵌入式系統(tǒng)的運行，其指令必須放入一定的存儲器空間內，運行的時候也需要空間存儲臨時數(shù)據(jù)，一般的內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計與實現(xiàn) 第三章 智能探測小車控制系統(tǒng)硬件平臺架構17以隨機讀寫的 RAM。本文設計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。因此構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，可以運行起來，這樣才可以逐步增加系統(tǒng)的功能，如外圍擴展、軟件及程序設計、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)。(2) ARM 最小系統(tǒng)設計最小系統(tǒng)是處理器能夠運行的基本系統(tǒng)?？紤]到要求控制系統(tǒng)具有高性能的原因，另外結合實驗室的設備情況，決定選擇以 Samsung 公司 32 位處理器芯片—— S3C2440A(ARM9 內核)為控制器，S3C2440A 主頻高達 533MHz，并提供豐富的輸入輸出端口、時鐘源、PWM、外部中斷接口。5) UART 數(shù)量—— 幾乎所有的 32 位芯片都支持 1 個或 2 個串口，用于同 PC機通信調試。4) 外部擴展總線—— 大部分的 32 位芯片支持外部擴展 SDRAM，但是提供的片選信號的數(shù)量不同，即支持的外部擴展芯片的數(shù)量不同。2) GPIO 的數(shù)量 —— 在芯片說明書中標出的是最多的 I/O 口的數(shù)量，其中有些是地址、數(shù)據(jù)、I/O 復用的接口，因此選擇芯片時一定要考慮其實際可用的 I/O 接口數(shù)量。由于嵌入式系統(tǒng)應用需求的多樣性，市場上基于 RISC 結構的嵌入式處理器供應商也日漸增多，為了保證系統(tǒng)的實用性和易擴展性，同時系統(tǒng)需要植入高性能的操作系統(tǒng)，以完成復雜的多任務協(xié)同運行，此控制系統(tǒng)需要選用高性能的微控制器，考慮到系統(tǒng)升級以及高檔微控制器的價格不斷下降等因素，因此設計時選用 32 位微控制器作為整個系統(tǒng)的核心。智能探測小車控制系統(tǒng)硬件平臺架構如圖 所示。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，使用驅動電路、編碼器和直流電機進行轉向控制和速度控制。最后介紹了智能探測小車的整體結構。主板供電為+5V 直流電源，通過跟驅動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，主板上配有一個紐扣電池為 2440 的實時時鐘供電；驅動板上有兩組電源，分別以+12V 直流電源供電；核心板為 直流電基于 ARM 的智能探測小車的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測小車的總體概述13源，取自主板。 智能探測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、電機驅動板、紅外尋跡板、攝像頭和探測板組成。在智能探測小車的核心板上移植 ARMLinux 操作系統(tǒng)，根據(jù)小車的功能編寫應用程序。 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行成為可能。硬件抽象層是位于操作系統(tǒng)內核與硬件電路之間的接口層，其目的在于將硬件抽象化。中間部分由驅動程序層和硬件抽象層組成。硬件部分由 ARM9 處理器 S3C2440A，存儲器，紅外光電尋跡模塊、電機模塊、任務探測模塊等電路組成。機械層是被控制對象，是最底層的部件。小車控制器層主要由 ARM9 內核控制器及其外圍電路組成，是課題設計實現(xiàn)最為關鍵的層次。 基于 ARM 的智能探測小車 智能探測小車系統(tǒng)層次結構上 位 機 監(jiān) 控 層小 車 控 制 層 （ A R M 9 核 ）策 略 應 用 層 （ L i n u x ）信 號 處 理各 類 傳 感 器執(zhí) 行 器小 車 機 械 層月 球 表 面 環(huán) 境無 線 通 信圖 系統(tǒng)結構層次圖圖 為基于 ARM 的智能探測小車控制系統(tǒng)結構層次圖，系統(tǒng)主要由 5 層組成：上位機監(jiān)控層，策略應用層，控制器層，傳感和執(zhí)行層以及機械層。(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，進行調試，發(fā)現(xiàn)并改進單元設計過程中的錯誤。(2) 硬件/軟件設計基于體系結構，對系統(tǒng)的軟件、硬件進行詳細設計。功能性需求是系統(tǒng)的基本第二章 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計與實現(xiàn)10功能，如輸入輸出信號、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。各個階段之間往往要求不斷的反復和修改，直至完成最終設計目標。本設計中選擇 ARMLinux 作為操作系統(tǒng) [11][12] 。基于 Linux 的嵌入式操作系統(tǒng)常見的有 ARMLinux、RTLinux 和 181。(5) Linux 高度模塊化使添加部件非常容易。Linux 世界就是一個自由、開放的王國。(3) 它是免費的，源代碼可以得到，這是最吸引人的。(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系。Linux 己經被移植到多種硬件平臺，這對受開銷、時間限制的研究與開發(fā)項目是很有吸引力的。另外，結合我國國情，當前國家對自主操作系統(tǒng)的大力支持，也為源代碼開放的 Linux 的推廣提供了廣闊的發(fā)展前景。嵌入式Linux就是指對Linux經過小型化裁減后，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] 。開放源代碼，內核小、功能強大、系統(tǒng)健壯、效率高、易于裁減。 C/OSII ，2022年，得到美國航空管理局（FAA）的認證，可以用于飛行器上。應用面覆蓋了諸多領域，如照相機、醫(yī)療器械、音響設備、發(fā)動機控制、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機等。(5) 181。它是在x86體系上面開發(fā)出來的，別的好多RTOS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。Palm OS在PDA市場上占有很大的市場份額，目前主要與 WIN CE進行激烈競爭。操作系統(tǒng)的基本內核需要至少200K的ROM空間。針對掌上設備、無線設備的動態(tài)應用程序和服務提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺，WindowsCE嵌入式不夠實時，屬于軟實時操作系統(tǒng)。大多數(shù)的 Vxworks API是專有的，火星機器人使用的就是Vxworks操作系統(tǒng)。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有： (1) VxworksVxworks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)，具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領域牢牢占據(jù)著一席之地。操作系統(tǒng)管理整個硬件系統(tǒng)的運行，負責各種資源的調配，充分發(fā)揮了32位CPU的多任務能力，是整個嵌入式系統(tǒng)的靈魂。CISC 和 RISC 架構各有其側重點，現(xiàn)在出現(xiàn)了超長指令集計算機，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。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，大部分復雜的操作使用成熟的編譯技術由簡單指令合成，這使得計算機的執(zhí)行效率得到提高。ARM 是基于 RISC（Reduced Instruction Set Computer 精簡指令集計算機） [7]而設計的，它與 CISC（Complex Instruction Set Computer 復雜指令集計算機）在一些地方有著很大的區(qū)別。(6) V6 構架（ARM11）：增加了 SIMD 功能，為多媒體處理的應用系統(tǒng)提供優(yōu)化功能。(4) V4 構架（ARMARM9）：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，調試開發(fā)方便；具有 16 位的 Thumb 指令集；主頻高達 130MIPS；完善了軟件中斷 SWI 指令。(3) V3 構架（ARM6 ）：增加 MRS/MSR 指令，可以訪問新增加的 CPSR/SPSR寄存器。 ARM 處理器的體系和結構ARM 構架誕生至今已經有過多次變革，每一次都在性能上得到了很大的提高，目前 ARM 的架構有：(1) V1 構架（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；轉移指令；軟件中斷指令；64MB 的尋址空間。ARM 技術是嵌入式系統(tǒng)的一種，是全球微處理器行業(yè)中一家知名的企業(yè)，該公司于 1990 年在劍橋大學成立，它是由蘋果電腦、Acorn C