基于ARM10與LINUX智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)生論文1基于ARM的智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)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?cè)O(shè)計(jì)了一種基于ARM10與Linux控制的智能循跡小車，通過(guò)編程使它沿著我們提前鋪好的黑色膠帶前進(jìn)，十字路口停下通過(guò)攝像頭驅(qū)動(dòng)拍照使用WIFI傳輸后繼續(xù)前進(jìn)。這種基于ARM10的智能型設(shè)計(jì)將運(yùn)用于很廣闊的地方。根據(jù)Linux嵌入式開發(fā)平臺(tái)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(tái)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(dòng)程序，深入了解設(shè)備模型和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)框架以及并發(fā)、內(nèi)存、中斷機(jī)制，從而更好的實(shí)現(xiàn)其功能。本次我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一款具有智能判斷功能的小車，功能強(qiáng)大。小車具有以下幾個(gè)功能：循跡功能；自動(dòng)拍照功能。作品可以作為高級(jí)智能玩具，也可以作為嵌入式控制的強(qiáng)有力的應(yīng)用實(shí)例。【關(guān)鍵詞】ARM10Linux智能小車自動(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)133.2.1總體設(shè)計(jì)133.2.2驅(qū)動(dòng)電路143.2.3信號(hào)檢測(cè)模塊153.2.4主控電路16第四章軟件分析與設(shè)計(jì)164.1驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)164.1.1USB驅(qū)動(dòng)164.1.2CMMERA驅(qū)動(dòng)184.1.3WIFI驅(qū)動(dòng)194.2軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)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(xiàng)目實(shí)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(cè)試305.2.1白盒測(cè)試305.2.2黑盒測(cè)試32畢業(yè)生論文35.2.3性能測(cè)試325.3單位系統(tǒng)測(cè)試33第六章總結(jié)34參考文獻(xiàn)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(dòng)化控制出現(xiàn)了許多新的要求。“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”是目前開放式數(shù)年控系統(tǒng)中最常見(jiàn)的形式。主PC用于人機(jī)界面、存貯和通訊，DSP或A-SIC作從屬CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、I/O中斷和計(jì)算等。而嵌入式技術(shù)依靠其體積小、成本低、功能強(qiáng)、可裁剪等特點(diǎn)，適應(yīng)了工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的最新要求。單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器，在數(shù)據(jù)處理和代碼存儲(chǔ)等方面都已經(jīng)無(wú)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(diǎn)是高性能、低價(jià)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(jī)使用，同時(shí)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(gè)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?；诖?，我們做一種基于ARM控制的智能小車，提高了對(duì)直流電機(jī)的控制效率，在ARM上移植了LINUX操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出了友好的人機(jī)界面，使開發(fā)過(guò)程式變得容易。并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，有利于智能小車的功能擴(kuò)展和升級(jí)。我們根據(jù)ARM和LINUX來(lái)完成智能小車控制設(shè)計(jì)。其具體內(nèi)容如下：第一章從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)價(jià)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(jì)。在硬件設(shè)計(jì)中分別又介紹了ARM10處理器的相關(guān)知識(shí)，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(shí)現(xiàn)。第四章對(duì)軟件的設(shè)計(jì)的介紹，其中又包括三個(gè)模塊：循跡模塊、驅(qū)動(dòng)板模塊、傳感器模塊。第五章是對(duì)程序的測(cè)試。第六章就是項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程了，通過(guò)對(duì)環(huán)境的搭建、代碼的測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試等方面，把整個(gè)項(xiàng)目最終實(shí)施出來(lái)。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(jī)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(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、畢業(yè)生論文5交通、宇航、國(guó)防等領(lǐng)域。近年來(lái)機(jī)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?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺(jué)傳感器種類越來(lái)越多，其中視覺(jué)傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺(jué)的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于視覺(jué)的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺(jué)需要通過(guò)大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡(jiǎn)單的目標(biāo)。視覺(jué)傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動(dòng)聚焦。但CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺(jué)的系統(tǒng)中考慮使用接近覺(jué)傳感器是一種實(shí)用有效的方法。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jī)器人一個(gè)視覺(jué)功能。使用傳感器感知路線并作出相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。整個(gè)電路系統(tǒng)分為檢測(cè)、控制、驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊。首先利用光電對(duì)管對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)比較器處理之后，送給軟件控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。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(shí)質(zhì)成果。其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測(cè)貼片、尋光入庫(kù)等基本功能，這幾節(jié)的電子設(shè)計(jì)大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。但是,現(xiàn)今對(duì)智能車輛的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特性、智能控制策略的研究并不完善,因此有必要對(duì)智能車輛的仿真版本智能小車做更深驅(qū)動(dòng)、人工智能、驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域。單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器，在數(shù)據(jù)處理和代碼存儲(chǔ)等方面都已經(jīng)無(wú)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(diǎn)是高性能、低價(jià)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(jī)使用，同時(shí)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(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能，把應(yīng)用程序分割為若干獨(dú)立運(yùn)行的模塊，使得程序的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)化許多；對(duì)于實(shí)時(shí)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(gè)系統(tǒng)的資源得到很好的管理和應(yīng)用。常見(jiàn)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(qiáng)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(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)合的專用Linux操作系統(tǒng)。Linux可應(yīng)用于多種硬件平臺(tái)。Linux己經(jīng)被移植到多種硬件平臺(tái)，這對(duì)受開銷、時(shí)間限制的研究與開發(fā)項(xiàng)目是很有吸引力的。可以在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)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(guò)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(duì)Linux社區(qū)有益的改動(dòng)；它是免費(fèi)的，源代碼可以得到，這是最吸引人的。毫無(wú)疑問(wèn)，這會(huì)節(jié)省大量的開發(fā)費(fèi)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(tái)式機(jī)上的成功，也保證了Linux在嵌入式系統(tǒng)中的輝煌前景。基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)常見(jiàn)的有ARMLinux、RTLinux和CLinux等。本設(shè)計(jì)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(gè)32位寄存器，而其中16個(gè)可以在任何模式下看到。它的指令為簡(jiǎn)單的加載與存儲(chǔ)指令。ARM一個(gè)特點(diǎn)是它所有的指令都帶有條件。另一個(gè)特征是可以在加載數(shù)值的同時(shí)進(jìn)行算術(shù)和移位操作。它可以在幾種模式下操作，包括通過(guò)使用SWI指令從用戶模式進(jìn)入到系統(tǒng)模式。ARM處理器是一個(gè)綜合體，允許將其處理器通過(guò)協(xié)處理器接口進(jìn)行緊耦合；它還包括幾種內(nèi)存管理單元的變種，包括簡(jiǎn)單的內(nèi)存保護(hù)到復(fù)雜的頁(yè)面層次。根據(jù)智能小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(lái)避免小車會(huì)被燒壞，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要實(shí)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(cè)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(cè)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(lái)，因此設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)小車的功能，我們還采用了HJTAG工具。同時(shí)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(jì)采用的是ARM10微處理器，這系列的主要特點(diǎn)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(hào)處理的場(chǎng)合；6級(jí)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(diǎn)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(dá)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(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)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(diǎn)，在linux下的文件結(jié)構(gòu)非常有條理，Linux支持多種語(yǔ)言，因此我們選擇Linux作為小車的軟件操作系統(tǒng),型號(hào)為RedhatLinux,因?yàn)镽edhat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(gè)運(yùn)行環(huán)境，所以要用到Bootloader,在調(diào)試的過(guò)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(lái)，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(qiáng)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(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)合的專用Linux操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)的特點(diǎn)(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(guó)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(gè)用戶對(duì)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(jì)算機(jī)同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序，而且各個(gè)程序的運(yùn)行互相獨(dú)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(dòng)條等設(shè)施，給用戶呈現(xiàn)一個(gè)直觀、易操作、交互性強(qiáng)的友好的圖形化界面。(4）設(shè)備獨(dú)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(lái)看待，只要安裝它們的驅(qū)動(dòng)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(dú)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(diǎn)。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(duì)讀、寫控制、帶保護(hù)的子系統(tǒng)、審計(jì)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(gè)平臺(tái)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)平臺(tái)使它仍然能按其自身的方式運(yùn)行的能力。Linux是一種可移植的操作系統(tǒng)，能夠在從微型計(jì)算機(jī)到大型計(jì)算機(jī)的任何環(huán)境中和任何平臺(tái)上運(yùn)行。在Linux這樣的優(yōu)勢(shì)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(yùn)行。第三章硬件分析與設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(shí)鐘頻率下，性能提高了近50%，同時(shí)，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進(jìn)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(shí)圖2ARM10E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下：(1）.支持DSP指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合。(2）.6級(jí)流水線，指令執(zhí)行效率更高。(3）.支持32位ARM指令