基于ARM10與LINUX智能小車系統(tǒng)的設(shè)計.doc

畢業(yè)生論文1基于ARM的智能小車系統(tǒng)的設(shè)計摘要基于ARM的嵌入式系統(tǒng)其性能優(yōu)良，移植性好，已廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)，因此將ARM微處理器應(yīng)用于智能小車的控制系統(tǒng)是一種較好的選擇。基于此，我們設(shè)計了一種基于ARM10與Linux控制的智能循跡小車，通過編程使它沿著我們提前鋪好的黑色膠帶前進，十字路口停下通過攝像頭驅(qū)動拍照使用WIFI傳輸后繼續(xù)前進。這種基于ARM10的智能型設(shè)計將運用于很廣闊的地方。根據(jù)Linux嵌入式開發(fā)平臺的需要，配置相應(yīng)的開發(fā)工具、合理剪裁Linux內(nèi)核、選擇合適的Bootloader和根文件系統(tǒng)，最后把它們移植到ARM10開發(fā)平臺上，搭建好開發(fā)環(huán)境。接著研究了Linux環(huán)境下的設(shè)備驅(qū)動程序，深入了解設(shè)備模型和設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)框架以及并發(fā)、內(nèi)存、中斷機制，從而更好的實現(xiàn)其功能。本次我們設(shè)計制作了一款具有智能判斷功能的小車，功能強大。小車具有以下幾個功能：循跡功能；自動拍照功能。作品可以作為高級智能玩具，也可以作為嵌入式控制的強有力的應(yīng)用實例?！娟P(guān)鍵詞】ARM10Linux智能小車自動拍照循跡畢業(yè)生論文2目錄基于ARM的智能小車系統(tǒng)的設(shè)計1摘要1目錄2第一章引言41.1背景介紹41.2可行性分析5第二章需求分析62.1硬件需求62.2軟件需求7第三章硬件分析與設(shè)計83.1硬件分析83.1.2電路板模塊93.1.3傳感器模塊103.1.4轉(zhuǎn)接板模塊123.2硬件設(shè)計133.2.1總體設(shè)計133.2.2驅(qū)動電路143.2.3信號檢測模塊153.2.4主控電路16第四章軟件分析與設(shè)計164.1驅(qū)動程序設(shè)計164.1.1USB驅(qū)動164.1.2CMMERA驅(qū)動184.1.3WIFI驅(qū)動194.2軟件詳細(xì)設(shè)計204.2.1循跡模塊214.2.2服務(wù)器端模塊224.2.3拍照模塊244.2.4傳輸模塊244.3客戶端模塊254.3.1接收模塊254.3.2處理模塊264.3.3顯示模塊27第五章項目實施275.1環(huán)境的搭建275.1.1Bootlader275.1.2網(wǎng)絡(luò)環(huán)境285.1.3根文件系統(tǒng)的編譯與燒錄295.1.4內(nèi)核的編譯與燒錄295.2代碼的測試305.2.1白盒測試305.2.2黑盒測試32畢業(yè)生論文35.2.3性能測試325.3單位系統(tǒng)測試33第六章總結(jié)34參考文獻35致謝36畢業(yè)生論文4第一章引言隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，自動化控制出現(xiàn)了許多新的要求。“PC+運動控制器”是目前開放式數(shù)年控系統(tǒng)中最常見的形式。主PC用于人機界面、存貯和通訊，DSP或A-SIC作從屬CPU來實現(xiàn)實時控制、I/O中斷和計算等。而嵌入式技術(shù)依靠其體積小、成本低、功能強、可裁剪等特點，適應(yīng)了工業(yè)自動化發(fā)展的最新要求。單片機作為控制系統(tǒng)的微處理器，在數(shù)據(jù)處理和代碼存儲等方面都已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的需求，ARM微處理器資源豐富，具有良好的通用性，其主要優(yōu)點是高性能、低價格、低功耗。ARM本身是32位微處理器，但卻集成了16位的處理器如51系列單片機使用，同時具有32位處理器的速度?；贏RM的嵌入式系統(tǒng)其性能優(yōu)良，移植性好，已廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)，因此將ARM微處理器應(yīng)用于智能小車的控制系統(tǒng)是一種較好的選擇。基于此，我們做一種基于ARM控制的智能小車，提高了對直流電機的控制效率，在ARM上移植了LINUX操作系統(tǒng)，設(shè)計出了友好的人機界面，使開發(fā)過程式變得容易。并對控制系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計，有利于智能小車的功能擴展和升級。我們根據(jù)ARM和LINUX來完成智能小車控制設(shè)計。其具體內(nèi)容如下：第一章從技術(shù)、經(jīng)濟、社會價值、盈虧方面分析了智能小車的可行性。第二章介紹需求分析。第三章，硬件設(shè)計。在硬件設(shè)計中分別又介紹了ARM10處理器的相關(guān)知識，光電傳感器，電路板（有關(guān)電源處理方面），轉(zhuǎn)接板，還有硬件的實現(xiàn)。第四章對軟件的設(shè)計的介紹，其中又包括三個模塊：循跡模塊、驅(qū)動板模塊、傳感器模塊。第五章是對程序的測試。第六章就是項目的實施過程了，通過對環(huán)境的搭建、代碼的測試、系統(tǒng)測試等方面，把整個項目最終實施出來。文中使用的硬件板式基于ARM10的硬件模塊，還有使用到了PWM、UART、看門口電路、直流電機等相關(guān)內(nèi)容。LINUX應(yīng)用到了客服端/服務(wù)端的顯示模塊，還有圖像傳輸、圖像查看等相關(guān)內(nèi)了。1.1背景介紹自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、畢業(yè)生論文5交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認(rèn)識自然的過程中，制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機器視覺需要通過大量的運算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器的價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實用有效的方法。機器人要實現(xiàn)自動導(dǎo)引功能就必須要感知導(dǎo)引線，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機器人一個視覺功能。使用傳感器感知路線并作出相應(yīng)的執(zhí)行動作。該智能小車可以作為機器人的典型代表。整個電路系統(tǒng)分為檢測、控制、驅(qū)動三個模塊。首先利用光電對管對路面信號進行檢測，經(jīng)過比較器處理之后，送給軟件控制模塊進行實時控制，輸出相應(yīng)的信號給驅(qū)動芯片驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而控制整個小車的運動。1.2可行性分析現(xiàn)智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實質(zhì)成果。其基本可實現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫等基本功能，這幾節(jié)的電子設(shè)計大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。但是,現(xiàn)今對智能車輛的結(jié)構(gòu)、運動特性、智能控制策略的研究并不完善,因此有必要對智能車輛的仿真版本智能小車做更深驅(qū)動、人工智能、驅(qū)動電源的設(shè)計等諸多領(lǐng)域。單片機作為控制系統(tǒng)的微處理器，在數(shù)據(jù)處理和代碼存儲等方面都已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的需求，ARM微處理器資源豐富，具有良好的通用性，其主要優(yōu)點是高性能、低價格、低功耗。ARM10本身是32位微處理器，但卻集成了16位的Thumb指令集，這使得ARM10可以代替16位的處理器如51系列單片機使用，同時具有32位處理器的速度。目前有多種嵌入式操作系統(tǒng)，它們使得開發(fā)實時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能，把應(yīng)用程序分割為若干獨立運行的模塊，使得程序的設(shè)計變得簡化許多；對于實時性要求高的應(yīng)用做到了快速響應(yīng)和可靠處理；使得整個系統(tǒng)的資源得到很好的管理和應(yīng)用。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有：Vxworks、WindowsCE、PalmOS、QNX、C/OS、嵌入式Linux。Linux的開放源代碼，內(nèi)核小、功能強大、系統(tǒng)健壯、效率高、易于裁減。畢業(yè)生論文6可以支持?jǐn)?shù)十種CPU芯片。嵌入式Linux就是指對Linux經(jīng)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)。Linux可應(yīng)用于多種硬件平臺。Linux己經(jīng)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。可以在標(biāo)準(zhǔn)平臺上開發(fā)然后移植到具體的硬件上，加快了軟件與硬件的開發(fā)過程；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。唯一的限制是開發(fā)者必須做出對Linux社區(qū)有益的改動；它是免費的，源代碼可以得到，這是最吸引人的。毫無疑問，這會節(jié)省大量的開發(fā)費用；優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)支持，微內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持，而不必像其他操作系統(tǒng)要外掛TCP/IP協(xié)議包；Linux高度模塊化使添加部件非常容易；Linux在臺式機上的成功，也保證了Linux在嵌入式系統(tǒng)中的輝煌前景?；贚inux的嵌入式操作系統(tǒng)常見的有ARMLinux、RTLinux和CLinux等。本設(shè)計中選擇ARMLinux作為操作系統(tǒng)。第二章需求分析2.1硬件需求ARM處理器是一種低功耗高性能的32位RISC處理器。ARM處理器共有31個32位寄存器，而其中16個可以在任何模式下看到。它的指令為簡單的加載與存儲指令。ARM一個特點是它所有的指令都帶有條件。另一個特征是可以在加載數(shù)值的同時進行算術(shù)和移位操作。它可以在幾種模式下操作，包括通過使用SWI指令從用戶模式進入到系統(tǒng)模式。ARM處理器是一個綜合體，允許將其處理器通過協(xié)處理器接口進行緊耦合；它還包括幾種內(nèi)存管理單元的變種，包括簡單的內(nèi)存保護到復(fù)雜的頁面層次。根據(jù)智能小車系統(tǒng)的設(shè)計需求，我選用了以ARM10處理器為核心的電路板。所接電源是9.6V，系統(tǒng)內(nèi)部卻只需要5V電源，因此引入了降低電壓的模塊，這樣一來避免小車會被燒壞，同時在設(shè)計過程中需要實現(xiàn)小車的循跡功能，因此我們又采用了光電傳感器作為探測小車行駛的路徑，可下載循跡的程序到串口上，讓小車自主的去探測檢索路徑，從而能準(zhǔn)確穩(wěn)當(dāng)?shù)男旭?。而且為了更好的將ARM10與小車的各部件連接起來，因此設(shè)計了電路板，輔助主控芯片更好的完成需求。在前期的調(diào)試中還用到了串口，數(shù)據(jù)傳輸和接收都要用串口，所以串口也是必不可少的工具之一。為了能更好的實現(xiàn)小車的功能，我們還采用了HJTAG工具。同時要想使小車行駛必不可少的還有電源和攝像頭等相關(guān)硬件。本設(shè)計采用的是ARM10微處理器，這系列的主要特點如下：支持DSP指令集，畢業(yè)生論文7適合于需要高速數(shù)字信號處理的場合；6級流水線，指令執(zhí)行效率更高；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA總線接口；支持VFP10浮點處理協(xié)處理器；全性能的MMU，支持眾多主流嵌入式操作系統(tǒng)；支持?jǐn)?shù)據(jù)Chche和指令Chche，具有更高的處理能力；主頻最高可達400MHz；內(nèi)嵌并行讀/學(xué)操作部件。ARM10E系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。2.2軟件需求Linux操作系統(tǒng)是一種自由和開放代碼的類Unix操作系統(tǒng)，并且Linux繼承了Unix操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰的特點，在linux下的文件結(jié)構(gòu)非常有條理，Linux支持多種語言，因此我們選擇Linux作為小車的軟件操作系統(tǒng),型號為RedhatLinux,因為Redhat是全球最大的開源技術(shù)廠家，其產(chǎn)品RedHatLinux也是全世界應(yīng)用最廣泛的Linux。由于小車的行駛需要特定的環(huán)境，則要為小車搭建一個運行環(huán)境，所以要用到Bootloader,在調(diào)試的過程中還需要用到Qt編程工具。Linux的核心是由LinusTorvalds在1991年開發(fā)出來，并放到網(wǎng)絡(luò)上供大家下載學(xué)習(xí)使用。開放源代碼，內(nèi)核小、功能強大、系統(tǒng)健壯、效率高、易于裁減。可以支持?jǐn)?shù)十種CPU芯片。嵌入式Linux就是指對Linux經(jīng)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)。Linux操作系統(tǒng)的特點(1）開放性：指系統(tǒng)遵循世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，特別是遵循開放系統(tǒng)互連（OSI）國際標(biāo)準(zhǔn)。(2）多用戶：是指系統(tǒng)資源可以被不同用戶使用，每個用戶對自己的資源（例如：文件、設(shè)備）有特定的權(quán)限，互不影響。(3）多任務(wù)：它是指計算機同時執(zhí)行多個程序，而且各個程序的運行互相獨立。良好的用戶界面：Linux向用戶提供了兩種界面：用戶界面和系統(tǒng)調(diào)用。Linux還為用戶提供了圖形用戶界面。它利用鼠標(biāo)、菜單、窗口、滾動條等設(shè)施，給用戶呈現(xiàn)一個直觀、易操作、交互性強的友好的圖形化界面。(4）設(shè)備獨立性：是指操作系統(tǒng)把所有外部設(shè)備統(tǒng)一當(dāng)作成文件來看待，只要安裝它們的驅(qū)動程序，任何用戶都可以象使用文件一樣，操縱、使用這些設(shè)備，而不必知道它們的具體存在形式。Linux是具有設(shè)備獨立性的操作系統(tǒng)，它的內(nèi)核具有高度適應(yīng)能力(5）提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)功能：完善的內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)是Linux一大特點。畢業(yè)生論文8(6）可靠的安全系統(tǒng)：Linux采取了許多安全技術(shù)措施，包括對讀、寫控制、帶保護的子系統(tǒng)、審計跟蹤、核心授權(quán)等，這為網(wǎng)絡(luò)多用戶環(huán)境中的用戶提供了必要的安全保障。(7）良好的可移植性：是指將操作系統(tǒng)從一個平臺轉(zhuǎn)移到另一個平臺使它仍然能按其自身的方式運行的能力。Linux是一種可移植的操作系統(tǒng)，能夠在從微型計算機到大型計算機的任何環(huán)境中和任何平臺上運行。在Linux這樣的優(yōu)勢下，我們還需要用到ADS和AXD調(diào)試工具，讓循跡還有轉(zhuǎn)彎等與硬件相關(guān)的程序能夠調(diào)試后正常運行。第三章硬件分析與設(shè)計3.1硬件分析3.1.1ARM10處理器1.ARM10處理器介紹ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特點，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近50%，同時，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進的節(jié)能方式，使其功耗極低。畢業(yè)生論文9圖31微處理器實圖2ARM10E系列微處理器的主要特點如下：(1）.支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號處理的場合。(2）.6級流水線，指令執(zhí)行效率更高。(3）.支持32位ARM指令