【正文】 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(tái)架構(gòu)29D9IN5819 D11IN5。當(dāng)輸入信號(hào)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。其優(yōu)越性在于驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的簡單性和計(jì)算機(jī)接口的容易性。因此 STM32 將產(chǎn)生一個(gè)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。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。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(hào)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(tái)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。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） 。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。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。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。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:電路簡單，信號(hào)處理速度快。(2) 采用反射式紅外光電管，是路徑檢測常用的方法。缺點(diǎn)是:圖像處理計(jì)算量大，處理速度慢。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。(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。第三章 智能探測小車控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)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(shí)別方案的好壞，直接關(guān)系到最終任務(wù)的成功與否。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。 電路加了工作指示燈。該款芯片特點(diǎn)是輸出電流大、輸出電壓精度高、穩(wěn)定好。對于系統(tǒng)來說，穩(wěn)定運(yùn)行的電壓要在 以上。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)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(tái)架構(gòu)23過光耦連接。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。 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。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。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(tái)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(dòng)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(dòng)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(tái)架構(gòu)19JP1與驅(qū)動(dòng)板連接到端口其中，RESET 是預(yù)留給 S3C2440A 對驅(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(hào)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(tái)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(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 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。它更好的提高了其與CPU的通信效率。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。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。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。本系統(tǒng)擴(kuò)展了 64MB 的 SDRAM、64MB 的 NandFlash 和 2MB的 NorFlash。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。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]。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。S3C2440A 采用 ARM920T 內(nèi)核 [14]，集成如下片上功能： 內(nèi)核， 擴(kuò)展 I/O，16KB 指令第三章 智能探測小車控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)16Cache/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， 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。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S3C45S3C44B0、S3C2410 和 S3C2440。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。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。對于微控制器的選擇，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。圖 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 智能探測小車控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 智能探測小車核心板設(shè)計(jì)(1) 微處理器的選型基于 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(tái)架構(gòu)15智能探測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)。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，探測板模塊，無線通信模塊。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(jì)與實(shí)現(xiàn)14第三章 智能探測小車控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 總體設(shè)計(jì)智能探測小車的硬件是整個(gè)控制系統(tǒng)能否順利運(yùn)行的基礎(chǔ)。圖 小車實(shí)物圖 本章小結(jié)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 的智能探測小車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及軟硬件組成。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)。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、探測信息分析程序、無線通信程序等。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。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。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。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；探測模塊是智能探測小車的眼睛、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。 系統(tǒng)軟硬件組成系統(tǒng)啟動(dòng)呼叫上位機(jī)路況采集路信息過濾電機(jī)控制圖像識(shí)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(dòng) 程 序 層硬 件 抽 象 層A R M 9 核 （ S 3 C 2 4 4 0 A )存 儲(chǔ) 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(jì)與實(shí)現(xiàn)12統(tǒng)部分、中間部分和硬件部分。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。上位機(jī)監(jiān)控層基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測小車的總體概述11由 PC 機(jī)和其上由 C++開發(fā)的應(yīng)用軟件組成，上位機(jī)通過其上的無線網(wǎng)卡，由無線路由器橋接與智能探測小車上的無線網(wǎng)卡建立連接，數(shù)據(jù)通過無線接口模塊來傳輸，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，如沿途被測對象的顏色、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。對設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行測試，看其是否滿足規(guī)格說明書中給定的功能要求。軟硬件設(shè)計(jì)往往是并行的，并且嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作大部分都集中在軟件設(shè)計(jì)上，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代軟件工程經(jīng)常采用的方法。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分以及系統(tǒng)的軟件、硬件選型等。需 求 分 析規(guī) 格 說 明 書體 系 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)體 系 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 硬 件 設(shè) 計(jì) 軟 件 設(shè) 計(jì)系 統(tǒng) 集 成系 統(tǒng) 測 試最 終 產(chǎn) 品圖 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程(1) 系統(tǒng)需求分析 /體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求一般分功能需求和非功能性需求兩方面。 基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法如圖 所示，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般由 5 個(gè)階段構(gòu)成：需求分析、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件/軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)測試 [13]。CLinux 等。(6) Linux 在臺(tái)式機(jī)上的成功