【正文】 蘋(píng)果電腦、Acorn Computer Group 和 VLSI Technology 聯(lián)合成立的一家設(shè)計(jì) 32 位嵌入式 RISC 芯片內(nèi)核的公司。 ARM 處理器的體系和結(jié)構(gòu)ARM 構(gòu)架誕生至今已經(jīng)有過(guò)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(gòu)有：(1) V1 構(gòu)架（ARM1 ）：具有基本的數(shù)據(jù)處理指令（無(wú)乘法） ；字節(jié)、半字節(jié)、字的 Load/Store 指令；轉(zhuǎn)移指令；軟件中斷指令；64MB 的尋址空間。(3) V3 構(gòu)架（ARM6 ）：增加 MRS/MSR 指令，可以訪問(wèn)新增加的 CPSR/SPSR寄存器。(4) V4 構(gòu)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(diào)試開(kāi)發(fā)方便；具有 16 位的 Thumb 指令集；主頻高達(dá) 130MIPS；完善了軟件中斷 SWI 指令。(6) V6 構(gòu)架（ARM11）：增加了 SIMD 功能，為多媒體處理的應(yīng)用系統(tǒng)提供優(yōu)化功能。ARM 是基于 RISC（Reduced Instruction Set Computer 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)） [7]而設(shè)計(jì)的，它與 CISC（Complex Instruction Set Computer 復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）在一些地方有著很大的區(qū)別。RISC 指令系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)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(fù)雜的操作使用成熟的編譯技術(shù)由簡(jiǎn)單指令合成，這使得計(jì)算機(jī)的執(zhí)行效率得到提高。CISC 和 RISC 架構(gòu)各有其側(cè)重點(diǎn)，現(xiàn)在出現(xiàn)了超長(zhǎng)指令集計(jì)算機(jī)，融合了兩只指令集的優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái) CPU 發(fā)展的趨勢(shì)之一。操作系統(tǒng)管理整個(gè)硬件系統(tǒng)的運(yùn)行，負(fù)責(zé)各種資源的調(diào)配，充分發(fā)揮了32位CPU的多任務(wù)能力，是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的靈魂。常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)有： (1) VxworksVxworks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。大多數(shù)的 Vxworks API是專(zhuān)有的，火星機(jī)器人使用的就是Vxworks操作系統(tǒng)。針對(duì)掌上設(shè)備、無(wú)線設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺(tái)，WindowsCE嵌入式不夠?qū)崟r(shí)，屬于軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM空間。Palm OS在PDA市場(chǎng)上占有很大的市場(chǎng)份額，目前主要與 WIN CE進(jìn)行激烈競(jìng)爭(zhēng)。它是在x86體系上面開(kāi)發(fā)出來(lái)的，別的好多RTOS都是從 68K的CPU上面開(kāi)發(fā)成熟，然后再移植到x86體系上面來(lái)的。(5) 181。應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機(jī)、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、高速公路電話系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)等。 C/OSII ，2022年，得到美國(guó)航空管理局（FAA）的認(rèn)證，可以用于飛行器上。開(kāi)放源代碼，內(nèi)核小、功能強(qiáng)大、系統(tǒng)健壯、效率高、易于裁減。嵌入式Linux就是指對(duì)Linux經(jīng)過(guò)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(chǔ)存器芯片中，用于特定嵌入式場(chǎng)合的專(zhuān)用 Linux操作系統(tǒng) [8][9][10] 。另外，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，當(dāng)前國(guó)家對(duì)自主操作系統(tǒng)的大力支持，也為源代碼開(kāi)放的 Linux 的推廣提供了廣闊的發(fā)展前景。Linux 己經(jīng)被移植到多種硬件平臺(tái)，這對(duì)受開(kāi)銷(xiāo)、時(shí)間限制的研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目是很有吸引力的。(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(guān)系。(3) 它是免費(fèi)的，源代碼可以得到，這是最吸引人的。Linux 世界就是一個(gè)自由、開(kāi)放的王國(guó)。(5) Linux 高度模塊化使添加部件非常容易。基于 Linux 的嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)的有 ARMLinux、RTLinux 和 181。本設(shè)計(jì)中選擇 ARMLinux 作為操作系統(tǒng) [11][12] 。各個(gè)階段之間往往要求不斷的反復(fù)和修改，直至完成最終設(shè)計(jì)目標(biāo)。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(cè)小車(chē)的總體概述 基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)10功能，如輸入輸出信號(hào)、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。(2) 硬件/軟件設(shè)計(jì)基于體系結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。(3) 系統(tǒng)集成 /測(cè)試把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成在一起，進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤。 基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē) 智能探測(cè)小車(chē)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)上 位 機(jī) 監(jiān) 控 層小 車(chē) 控 制 層 （ A R M 9 核 ）策 略 應(yīng) 用 層 （ L i n u x ）信 號(hào) 處 理各 類(lèi) 傳 感 器執(zhí) 行 器小 車(chē) 機(jī) 械 層月 球 表 面 環(huán) 境無(wú) 線 通 信圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖圖 為基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖，系統(tǒng)主要由 5 層組成：上位機(jī)監(jiān)控層，策略應(yīng)用層，控制器層，傳感和執(zhí)行層以及機(jī)械層。小車(chē)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。機(jī)械層是被控制對(duì)象，是最底層的部件。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。中間部分由驅(qū)動(dòng)程序?qū)雍陀布橄髮咏M成。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。 從軟硬件測(cè)試的角度來(lái)看，軟硬件的測(cè)試工作都可分別基于硬件抽象層來(lái)完成，使得軟硬件測(cè)試工作的并行進(jìn)行成為可能。在智能探測(cè)小車(chē)的核心板上移植 ARMLinux 操作系統(tǒng)，根據(jù)小車(chē)的功能編寫(xiě)應(yīng)用程序。 智能探測(cè)小車(chē)的整體介紹如圖 所示小車(chē)共有 6 塊電路板，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。主板供電為+5V 直流電源，通過(guò)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；核心板為 直流電基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測(cè)小車(chē)的總體概述13源，取自主板。最后介紹了智能探測(cè)小車(chē)的整體結(jié)構(gòu)。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。智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)如圖 所示。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。2) GPIO 的數(shù)量 —— 在芯片說(shuō)明書(shū)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。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。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。考慮到要求控制系統(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。(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)。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(lái)，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)。本文設(shè)計(jì)的智能探測(cè)小車(chē)嵌入式控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng)組成如圖 所示。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 和可基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)17以隨機(jī)讀寫(xiě)的 RAM。時(shí)鐘—— 處理器的運(yùn)行需要時(shí)鐘周期，一般來(lái)說(shuō)處理器在一個(gè)或者幾個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。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。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)。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(chēng)之為核心板。更好的發(fā)揮S3C2440A芯片的潛能。模式選擇開(kāi)關(guān) 開(kāi)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(lái)的方便小車(chē)在沒(méi)有無(wú)線網(wǎng)控制下直接通過(guò)人工手動(dòng)啟動(dòng)小車(chē)完成所需要的功能。在 NOR FLASH 中正常啟動(dòng)則 LED3 常亮，LED1 閃爍，LED2 、LED4 常滅；在 NAND FLASH中正常啟動(dòng)則一開(kāi)始 LEDLED3 常亮，LED2 、LED4 常滅，啟動(dòng)完成后 4 個(gè) LED 以類(lèi)似走馬燈的方式點(diǎn)亮基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)21J1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)；第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)22J2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。S3C2440A 的供電電壓為 ，內(nèi)核 。系統(tǒng)使用了電源 1 和電源 2 兩路鋰電池進(jìn)行供電。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，范圍為 —— 。首先，如圖 、 中將兩組 12V 電池電壓分別通過(guò)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。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(kāi)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(kāi)關(guān) 2，用于給主板供電。電路如圖 、 所示。要使機(jī)器人小車(chē)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。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。根據(jù)攝像頭拍攝到的畫(huà)面，通過(guò)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。如果要獲得較遠(yuǎn)的視野，將會(huì)在小車(chē)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。這種方法利用了路面不基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)25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(lái)的光線就可以得到當(dāng)前位置的材料或者顏色。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。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。控制器通過(guò)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。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(xiě)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(chē)對(duì)路面信息采集的實(shí)時(shí)性。圖 為尋跡模塊中紅外傳感器數(shù)據(jù)流向框圖。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(lái)幫助核心板預(yù)處理紅外傳感器等的信號(hào)，從而通過(guò) SPI 總線將處理好的數(shù)據(jù)傳送給 S3C2440A 控制器。STM32 處理器通過(guò) SPI 來(lái)傳送控制命令，通過(guò)三個(gè) 595 來(lái)對(duì)每組紅外關(guān)電對(duì)管控制器通斷，打開(kāi)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(guò) 4051來(lái)按照一定頻率選擇性的接收各路信號(hào)，通過(guò)其后的放大電路放大后傳回 STM32 處理器進(jìn)行處理?；?ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)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(dòng)電路模塊設(shè)計(jì)大多數(shù)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)是采用開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)方式，其中以脈寬調(diào)制(PWM)最為常見(jiàn)。由于 PWM 調(diào)制方式使晶體管工作在開(kāi)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(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)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]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)車(chē)輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要由總線驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片采用SN74HC245N，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用 L298N，其最大驅(qū)動(dòng)流為單組 2A；電機(jī)采用 12V電源供電，保護(hù)用二極管采用 1N