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基于ARM平台的智能小车控制系统的开发与实现

第24卷第4期2008年12月

金陵科技学院学报

JOURNAI。OFJINLINGINSTITUTEOFTE(HNOLOGY

Vd.24.No.4

Dec.,2008

基于ARM平台的智能小车控制系统的开发与实现

田海梅

(金陵科技学院信息技术学院,江苏南京211169)

摘要:介绍了在由ARM内核微处理器芯片LM3S615构成的EasyARM615开发平台的基础上,运用PWM直流电机调速技术,进行外围电路的扩展,实现简易智能小车系统。同时通过灰度传感器检测路面黑线,利用外扩液晶显示器显示出传感器采集的各个参数,完成对运动轨迹跟踪等一系列控制。重点叙述了系统设计原理,调试过程中出现的问题及解决方法。

关键词:液晶显示器;直流电机;灰度传感器

中图分类号:TS958.28;TP273文献标识码:A文章编号:1672—755X(2008)04—0023一04

ExploitationandRealizationofIntelligentCar’SControlSystem

BasedontheModuleofARM

TlANHai—mei

(Jin“ngInstituteofTechnology。Nanjing211169,China)

Abstract:ThispaperintroducestheextensionofperipherydectficcircuitonthebasicofEasyARM615platform。

whichisconstructedbyARMkerndmicroprocessorchipLM3S615。theuseofthevelocitymodulationtechnologyofPWMDCelectromotor。andtherealizationofsimpleintelligentear’ssystem.Atthe,sametimethecarcanusethegrayscalesensortotesttheblacklineontheroad.MakinguseoftheextendedLCD。theearmaydisplayeachparame?ter

collectedbysensor,completeaseriesofcontrolofthemovementtrajectorytracking.Thispaperdescribesthesys—tem’sdesignprinciple,problemandsolingmethods,whichhappensinthesystemdebuggingprocess.

Keywords:LCD;directcurrentelectmmotor;grayscaleserLgor

近几年,在我国大学,智能小车作为轮式机器人家族中的重要成员,现已是机械电子学、计算机技术、人工智能等的典型载体被广泛地用来作为工科本科生的讲授课程之一;在中学,轮式模型机器人则逐渐成为素质教育,技能实践的选题之一,各种智能化的比赛正蓬勃发展。但因成本和功耗过高,功能的不断扩展,运行环境的不可预知性等因素起了极大的负面影响,制约了其发展。本文通过EasyARM615开发板和IAR开发平台,设计出基于嵌入式系统的智能小车控制器。以其功耗低、体积小、集成度高、可靠性强等无可比拟的优势,为轮式机器人技术的发展提供了广阔的前景。

1系统的功能描述

普通的玩具小车一般需要在外加条件下才能按照自己的设想轨迹去行驶,而目前可借助嵌入式技术让小车无需外加条件便可完成智能化。即实现沿轨迹行进的功能。从原理上讲主要是依靠比较在轨迹两侧的红外灰度传感器的测量值,当两个传感器的灰度值都不是轨迹线的灰度时,小车的两

收稿日期:2008一ll一23:修回日期:2008—12—06

作者简介:田海梅(1980一),女,江苏海安人,研究方向:计算机科学与技术。

金陵科技学院学报第24卷

个电机同时正转,这样小车会向前行进。如果轨迹线左边的灰度传感器测量到轨迹线的灰度而右边的没有检测到则小车左边的电机反转或不转而右边的电机正转,这样小车将会向左转。反之小车则会向右转。假定轨迹线是黑色线条,则系统控制流程如图1。

图l系统流程示意

Fig.1Systemflowchal'g2系统总体设计与实现

总体设计方案的硬件部分如图2:

图2硬件框示意

Fig.2Hardwareblockdiagram

在本设计中选择的开发平台是IAREWARM编译和调试程序。

2.1电机驱动模块设计

具体电路如图3。本电路采用的是基于PWM原理…的H型驱动电路。该电路采用TIPl32大功率达林顿管,以保证电动机启动瞬间的8安培电流要求。

当Ugl为高电平,u92为低电平时,Q3、Q6管导通,Q4、Q5管截止,电动机正转。当Ugl为低电平,U92为高电平时,Q3、Q6管截止,Q4、Q5管导通,电动机反转。另外四个二极管可以在Ugl由高低时,通过D2,D4两个二极管形成电动机电圈感应的回路,起到了保护电动机的作用。

图3电路示意Fig.3Circuit

第4期田海梅:基于ARM平台的智能小车控制系统的开发与实现

EasyARM615开发板上的J6为硬件PWM扩展接I=1,6路PWM引脚信号可以直接从J6引脚,并可以提供3.3v电源如图4[21。

PDO/PWMO

厂、

一、PDI/PWMl

PB0/PWM2/CC×I2=PB!/PWM3/CCI

PE0/PWM4:

456一、PEI/PWM5

GND

:PD6/ADC5/FAU

GND

厂、

:DP3V3

910

图4引脚示意

Fig.4

Pin

map

LM3S615的PWM模块由3个PWM发生器模块和一个控制模块组成。每个PWM发生器模块包含一个定时器(16位递减或先增后减计数器)、两个比较器、一个PWM信号发生器、一个死区发生器和一个中断/ADC一触发选择器。控制模块决定了PWM信号的极性,以及将哪个信号传递到管脚。每个PWM发生器模块产生两个PWM信号,这两个PWM信号,这两个信号可以独立的(不同于基于相同定时器,具有相同频率的信号),或一对插入了死区延迟的互补信号。调用API函数,可以不需要了解寄存器即可对该模块进行操作。

下面程序演示了配置PWM发生器,产生两路增减模式下的PWM信号,从PD0和PDl口输出。在该程序中,装载值(即周期值)为60000个系统时钟,PWM0的匹配值(即占空比的值)为50000个系统时钟。PWMl的匹配值为10000个系统时钟。

intmain(void)

{S吱瓤烛c(SYSCTL—SYSDIV一1

SYSCIL—

USE—OSC

SYSCTL—OSC—MAINISYSCTL—

XTAL一6MHZ);

//设定晶振为时钟源

SysCtlPWMCIockSet(SYSCTL—PWMDIV一1);//PWM时钟源1分频

SysCtlPeripheralEnable

(SYS(’TL—PERIPH—GPIOD);

//使能PD口外设

SysCtlPeripheralEnable

(SYSCTL—PERIPH—PWM);

//使能PWM外设

GPIOPinTypePWM(GPIO—PORTD—BASE,

GPIo—PIN一0

GPIo—PIN一1);

//设置PD0,PDl为PWM0和PWMlPWMGenConfigure

(PWM—BASE,PWM—

GEN一0,PWM—GEN—MODE—UP—DOWNIPWM—GEN—MODE—No—SYNC);

//设置PWM发生器0为上下计数方式。两路PWM不同步

PwMGenPeriodSet(PWM—BASE.

PWM—

GEN一0,60000);

//设置两路PWM的共同周期

PWMPulseWidthset(PWM—BASE,PWM—OUT一0,50000);

/份别设置两路PWM的匹配值

PWMPulseWidthset(PWM—BASE,PWM—

OUT一1,loooo);

PWMOutputState(PWM—BASE。PWM—OUT一0一BITIPWM—OUT一1一BIT,true);

//使能PWMO和PWMl

nWⅥG朗Em【ble(PWM—B‘峪E,PWM—GEN一

0);

//使能PWM发生器0while(1);}

通过示波器观察得出:PWM0与PWMl的周期同为3ms。但PWM0的占空比为5:1,而PWMl占空比是1:5。所以欲改变PWM的占空比只需修改函数PWMPulsdwidthSet(unsigned

longul—

Base,unsignedlong

ulPWMout,unsigned10ngul—

Width)中的ulwidth参数,此函数功能是设置指定PWM输出的脉宽,这里的脉宽被定义成PWM的时钟节拍数,参数ulWidth是用于指定脉冲的正相部分宽度。

PWMOutputState(PWM—BASE,PWM—OUT一0一

BIT

l嗍一OUT一1一BIT,true)函数用于使能

PWM0与PWMl,若想关闭PWMO与PWMl,则只需将true改为false。PWMGenEnable(PWM—BASE,PWM—GEN一0)功能是使能PWM发生器0,也就是允许PWM时钟驱动指定发生器模块的

定时器付数器工作,被使能的PWM发生器必须

是PWM—GEN一0,PWM—GEN一1,PWM—GEN一2其中的一个。

2.2灰度传感器模块设计

灰度测量模块是专为机器人设计的灰度传感

26金陵科技学院学报第24卷

器。不同的物体对红外线的反射率不同,黑色最低,白色最高;它通过发射红外线并测量红外线被反射的强度来输出反映物体颜色的电压信号。其技术规格如下:探测距离:3—30mm;T作电压:5V;输出电压:0D3.3V;输出量:模拟量输出,输出电压和探测物体颜色有关。已知灰度传感器的输出电压为0—3.3V,所以可通过ARM615开发板上的ADC模块转换成数字信号,最后通过不断测试得出黑线与白线的大概参数值。

2.3LCD显示模块

本次设计中WINSTAR的wGl2864A系列的液晶显示器。像这种二值屏幕,习惯于用1个字节表示连续的8个点,“1”对应位被点亮,“0”对应位不亮,所以对图形的操作最基本的手段就是位操作。根据此原理,编写库函数,主要函数如下:voidU=D—FULL(emast瑚Isignedchar*bmp);//填充一个128*64的图片

voidLcD—CLR(void);//清屏

voidLCD—INT(vDid);//初始化

voidWrite—Data(unsignedcharRdat);/属数据

voidWrite—Cmad(unsignedcharRcmd);,/写命令

voidWriteMyHZ(constuchar*HZ,ucharPy,ucharadrPage,intadrColumn);//显示一个汉字voidSel-Left(void);//选左屏

voidSel_Right(void);//选右屏

3设计过程中出现的问题及解决方法

在本设计中所选择的开发平台是IARE.WARM编译和调试程序。在本系统设计和调试过程中出现以下问题并予以解决:

1)用LMLINK调试的时候会出现如下警告【3】

LMLINK调试器专门用于对Luminary系列单片机程序的调试与下载。该调试器结合IARE—WARM集成开发环境,可支持所有LM3S系列MCU的程序的下载与调试。

解决的方法是一路选“否”,然后进入正常的调试。每次用LMLINK进行调试都会遇到该问题。若想彻底避免警告,请采用附件里的文件“driver—lib.r79”代替目录“C:\Program

Files\IAR

Sys.ternslEmbeddedWorkbench4.0Kickstartlarm|lib\Luminary”下的同名文件,从此不再有警告。

2)关于JTAG锁死问题【4-5J

现在,调试LM3S系列单片机一般采用JTAG接口。用户在使用过程中,可能会出现芯片的JTAG接口锁死的问题,即用LMLINK调试器(或其它JTAG调试器)再也无法连接的情况。一旦JTAG接口被锁死,则芯片一般只有报废处理。因此,在编写程序时千万要引起足够的重视,必须插入预防JTAG失效的代码。

导致芯片JTAG接口被锁死的原因有多种,如与JTAG接口[6】复用的GPI被占用、程序中存在定时中断(或其它中断)等等,但最常见的原因还是与JTAG接口复用的GPIO被占用,从而导致上电后JTAG调试器来不及与芯片连接。

4结语

本系统充分利用了ARM芯片的灵活性,通过AD转换得到传感器的值,并通过编程语言的方便性与灵活性,实现了各个模块的功能。本文创新点是使用灰度传感器解决了判断地面上的黑线,而PWM技术则解决了电动机驱动的效率问题。

参考文献:

[1]付庄.轮式移动机器人WMR的运动分析【J],机器人,2001(10):599—600

[2]BadawyA,FehlingsD,WiertzA,eta1.DevelopmentofaNewConceptofElectricallyPoweredHydraulicSteering[M].SAE,2004一Ol一20:66—70

[3]LuminaryMieo公司.Stellaris驱动用户指南[M].美国:LuminaryMieo公司。2006:30—34

[4]周立功等.ARMCortex—M3开发指南[M].中国:广州致远电子有限公司,2006:32—45

[5】田泽.嵌人式系统开发与应用实验教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:20一2l

【6]AlexanderJC,MaddoeksJH.Onthemaneuvering0fVehicles.SIAM[J],JAppIMath,1988:38—5l

基于ARM平台的智能小车控制系统的开发与实现

基于ARM平台的智能小车控制系统的开发与实现

作者:田海梅, TIAN Hai-mei

作者单位:金陵科技学院信息技术学院,江苏,南京,211169

刊名:

金陵科技学院学报

英文刊名:JOURNAL OF JINLING INSTITUTE OF TECHNOLOGY

年,卷(期):2008,24(4)

被引用次数:0次

参考文献(6条)

1.付庄轮式移动机器人WMR的运动分析 2001(10)

2.Badawy A.Fehlings D.Wiertz A Development of a New Concept of Electrically Powered Hydraulic Steering.[SAE,2004-01-20:]

3.LuminaryMico公司Stellaris驱动用户指南 2006

4.周立功ARM Cortex-M3开发指南 2006

5.田泽嵌入式系统开发与应用实验教程 2005

6.Alexander J C.M addoek s J H On the maneuvering of V eh icles.S IAM 1988

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轮椅运行试验结果验证了本课题设计的可行性和可靠性,达到设计的初衷。

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9.学位论文杨成禹光电经纬仪小系统测试性与故障检测的研究2004

本文对光电经纬仪小系统的测试性进行了方案分析、软硬件设计与实验研究。所谓测试性是指系统或设备能够及时并准确确定其状态,并隔离其内部故障的设计特性。测试性设计在我国起步较晚,国产光电经纬仪的小系统尚未进行过测试性研究。进行机内测试能使系统或设备的平均维修时间显著减小,提高系统的可用性;同时减少维修人员的数量、降低对维修人员技术水平的要求,进而降低使用及保障费用。因而对光学经纬仪的小系统进行测试性设计具有重要的实际意义。

该系统采用了以数字信号处理器(DSP)为核心,以复杂可编程逻辑器件(CPLD)为外围电路,对系统外部控制电路进行测试。这种框架结构把系统的控制和测试性设计集于一身。系统上电复位后进行故障自检,并且把故障代码送显示器显示,指导维修人员进行模块式更换。本文对测试系统的具体电路进行了设计,并对复杂可编程器件进行了软件开发与功能仿真。这样的机内测试系统框架能适用于不同型号光电经纬仪的小系统,具有一定的通用性。 通过测试性设计,达到了系统故障检测率的预期要求,系统的设计具有实际的应用价值。

随着武器系统复杂性的提高,现代武器系统的测试性设计和故障检测是解决武器装备的战备完好性、降低使用和保障费用的一种重要途径。通过自动检测和隔离故障,使系统或设备的平均维修时间(MTTR)显著减小,提高系统的可用性;同时减少维修人员的数量、降低对维修人员技术水平的要求

,进而降低使用及保障费用。由于会增加系统的重量、尺寸、复杂性及费用,因此,在系统设计初期必须对系统的测试性和故障诊断进行权衡分析。

本文对光电经纬仪的小系统测试性采用了新的方法,即采用机内测试来完成。测试性是70年代后期兴起的一门学科,而我国在这一学科的研究起步较晚,在光电经纬仪的调光调焦系统尚未进行系统的测试性研究。机内测试是指系统或设备内部提供的检测和隔离故障的自动测试能力,是改善系统或设备测试性的重要技术,用于周期地或连续地监控系统的运行状态,并用于维修前的观察或诊断。本文运用机内测试的方法使故障检测率的设计目标值或规定值达到了95%,故障检测率的最低可接收值达到了85%。

测试系统中采用了以数字信号处理器为核心,以复杂可编程逻辑器件为外围电路,来控制执行部件和测试与接收由外部返回的数字信号、模拟信号和开关信号。

本文选用的核心器件是TMS320系列的数字信号处理器,TMS320又包括C2000、C5000和C6000三个子系列。而TMS320F240是专为数字电机控制和其它控制应用系统而设计的。它是美国TI公司于1997年推出的低价格高性能的16位定点DSP。它具有独立的程序和数据存储空间,由于总线采用了哈佛结构,所以允许在同一个时刻分别访问数据存储空间和程序存储空间,大大提高了系统的运行速度。

在测试系统中充分使用了数字信号处理器的接口资源:使用了它的脉宽调制信号作为直流电机运转的信号,同时使用一个输出口作为电机的正反相控制。由于数字信号处理器具有10位的模拟——数字转换功能的接口,本文使用它的模数转换接口作为模拟量的采样。通过一片64K×16的存储器6416作为外部存储器的扩展,其中数据存储器和程序存储器各32K。对外部的液晶显示器、开关量采样单元和串行扩展口进行了独立的地址分配。

开发环境采用TI公司针对TMS320C2XX提供的一套全新的集成开发环境CC2000。用C语言开发DSP程序不仅使DSP开发的速度大大加快,而且开发出来的DSP程序的可读性和可移植性都大大增加,程序修改也极为方便。但是在某些情况下,C代码的效率还是无法与手工编写的汇编代码的效率相比,即使是最佳的C编译器,也无法在所有的情况下都能够最佳合理地利用DSP芯片所提供的各种资源。用C语言实现DSP芯片的某些硬件控制也不如汇编程序方便

,有些甚至无法用C语言实现。因此,本测试系统采用C语言和汇编语言的混合编程方法来实现,以达到最佳地利用DSP芯片软硬件资源的目的。

外围电路的复杂可编程逻辑器件使用的是MAX7000系列的EPM7256S,MAX7000系列提供了业界速度最快的可编程逻辑解决方案,基于COMSEEPROM工艺,传播延迟最小为3.5ns,可以实现速度高于200MHz的计数器。提供PCI兼容,非常适合高速设计使用。可以用对复杂可编程逻辑器件进行编程的方式改变它的连接方式,这样就方便了调试,充分利用了电路板上的资源。数字信号处理器和复杂可编程逻辑器件的使用,提高了系统测试的速度,减少了印刷电路板的尺寸。

系统中的核心即数字信号处理器与外部控制及采集信号联系的设计采用了一种新的设计方法,即采用了CPLD来完成,其软件设计采用VHDL(硬件描述语言)。基于EDA(电子设计自动化)技术,利用相应的ALTERA公司的MAX+plusⅡ软件开发平台,对设计进行逻辑综合和仿真,最后采用EPM7256S器件实现该方案。在论文中还详细阐述了逻辑设计原理,给出了CPLD的实现电路和时序仿真波形,从而验证了CPLD技术的可行性。与采用单片机或通用器件相比,所设计的系统具有速度快、可靠性高、结构简单和体积小等优点。VHDL语言和CPLD的结合,使设计的周期缩短,灵活性加大,并且容易调试。

在工作过程中,系统中的模拟信号、数字信号和功率放大电路信号之间的相互干扰,影响系统的测量精度,为此,对系统中的信号相互干扰采取了相应的措施。

总之,光电经纬仪进行测试所采用的模式以及机内测试技术完成了系统的测试性设计要求。随着DSP和CPLD技术的发展,机内测试技术必将得到更广泛的应用。

本文链接:http://www.wendangku.net/doc/4c8fbf01a6c30c2259019e91.html/Periodical_njnzxb200804006.aspx

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