基于ARM和FPGA的智能小車監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言
    智能小車是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容。它集機(jī)械、電子、檢測技術(shù)與智能控制于一體。在各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，智能小車的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)最為常見。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)之所以得到廣泛的應(yīng)用，主要是因?yàn)槿菀卓刂破湟苿?dòng)速度和移動(dòng)方向。智能小車可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險(xiǎn)地段、人類無法介入等特殊情況下的任務(wù)。一般的智能小車操作控制復(fù)雜、功能單一、不能遠(yuǎn)程重構(gòu)。
    本文介紹的智能小車可移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以“飛思卡爾杯”智能小車競賽提供的車模裝置為基礎(chǔ)，利用ARM芯片S3C2440A控制圖像采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、速度采集干擾小的模塊，利用FPGA芯片控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)控制、電量采集干擾大的模塊，當(dāng)上位機(jī)通過Internet訪問智能小車服務(wù)器時(shí)，在監(jiān)控界面上點(diǎn)擊按鈕來控制小車的運(yùn)行、圖像拍攝、速度采集。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)采用三星公司的ARM芯片S3C2440A作為主控制芯片及Altera公司的FPGA芯片EP2C5T144C8作為輔助控制芯片，ARM上裝有Windows CE5．0操作系統(tǒng)。S3C2440A內(nèi)置豐富的外設(shè)資源包括中斷控制器、GPIO、I2C、相機(jī)接口等接口電路，其內(nèi)核為16／32位的ARM920T處理器，它集MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)與一體，主頻可達(dá)400 MHz。
    利用ARM9控制圖像采集、速度采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙男?、干擾弱的模塊；利用FPGA單獨(dú)控制功耗大、干擾強(qiáng)的直流電機(jī)、舵機(jī)、固態(tài)繼電器以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。ARM9和FPGA以并行總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳輸，需要注意的是ARM的I／O口需要設(shè)置為禁止上拉，否則無法和FPGA進(jìn)行通信。該系統(tǒng)具體組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 圖像采集電路設(shè)計(jì)
    圖像采集模塊選用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV9650，可達(dá)130萬像素，具有標(biāo)準(zhǔn)SCCB(setial camera control bus)接口，通過該接口可以方便地設(shè)置圖像像素大小、輸出YCbCr順序、白平衡、色飽和等重要參數(shù)。
    S3C2440A可以直接和CMOS圖像傳感器OV9650連接，如圖2所示。OV9650的PWDN引腳與S3C2440A的GPG12引腳相連，這樣可以控制OV9650的工作狀態(tài)。當(dāng)無須采集圖像時(shí)，將GPG12輸出高電平，OV9650芯片處于掉電模式，節(jié)省電能消耗。OV9650可輸出YCbCr，RGB兩種格式的數(shù)據(jù)，當(dāng)輸出YCbCr格式時(shí)，要用到數(shù)據(jù)線的D2～D9；當(dāng)輸出RGB格式時(shí)，則需要用數(shù)據(jù)線D0～D9。本文采用YCbCr格式，數(shù)據(jù)線D2～D9與S3C2440A的CAMDATA0～CAMDATA7相連。

    S3C2440A芯片具有相機(jī)接口CAMIF，其內(nèi)部單元如圖3所示，CAMIF支持ITU-R BT．601／656YCbCr 8 b標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)輸入，最大可采樣4 096×4 096像素的圖像。該接口可以使用兩種通道將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SDRAM中：一種是預(yù)覽通道模式，將從相機(jī)接口采集到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為RGB數(shù)據(jù)，并在DMA控制下傳輸?shù)絊DRAM，這種模式通常用來提供圖像預(yù)覽功能；另一種是編碼通道模式，將圖像數(shù)據(jù)按照YCbCr 4：2：0或者YCbCr 4：2：2的格式傳輸?shù)絊DRAM，這種模式主要為JPEC，MPEG-4，H．263等編碼器提供圖像數(shù)據(jù)的輸入。

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2．2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊電路設(shè)計(jì)
    網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊選用DAVICOM公司推出的一款高速以太網(wǎng)接口芯片DM9000A，內(nèi)部集成10／100M物理層接口，16 KB SRAM用作接收發(fā)送的F-IFO緩存，支持8／16 b內(nèi)存數(shù)據(jù)存取接口。
    S3C2440A內(nèi)部沒有專用以太網(wǎng)控制器，需要外部總線外掛一個(gè)以太網(wǎng)控制器，才能實(shí)現(xiàn)S3C2440A連接以太網(wǎng)的需要，該系統(tǒng)選用DM9000A作為以太網(wǎng)的物理層接口。DM9000A與S3C2440A的連接比較簡單，如圖4所示。S3C2440A數(shù)據(jù)總線DATA0～DATA15與芯片的SD0～SD15連接；地址線ADDR2與芯片的CMD連接；片選線nGCS3與芯片nCS的相連；9號(hào)外中斷與芯片的INT相連。DM9000A以太網(wǎng)控制器的工作基址為0x300，而S3C2440A的地址線ADDR2與芯片的命令／數(shù)據(jù)使能端CMD相連，所以對其進(jìn)行操作時(shí)的地址是0x300(地址端口)或0x304(數(shù)據(jù)端口)。
2．3 運(yùn)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)
    速度采集模塊由紅外傳感器和脈沖整形電路組成，經(jīng)整形后的脈沖送往ARM中斷進(jìn)行脈沖捕獲。運(yùn)動(dòng)控制模塊選用型號(hào)為RS-380SH的直流電機(jī)控制車模的前進(jìn)或后退，選用型號(hào)為FUTABA-S3010的舵機(jī)控制車模的轉(zhuǎn)向，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用L298N實(shí)現(xiàn)對電機(jī)調(diào)速、正反轉(zhuǎn)的控制。

    該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制包括電機(jī)控制和舵機(jī)控制兩部分。電機(jī)控制如圖5所示，PWM1，PWM2用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，IN11，IN12，IN21，IN22用于控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。舵機(jī)控制電路簡單，外接有3根線，紅色為電源線，黑色為地線，另外一個(gè)為PWM信號(hào)輸入線。兩者的主要控制信號(hào)是PWM信號(hào)，S3C2440A發(fā)送命令控制FPGA輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)。舵機(jī)PWM信號(hào)的周期固定為20 ms，脈寬分布在1～2 ms之間，因此選定PWM信號(hào)頻率為50 Hz，占空比固定在5％～10％之間。直流電機(jī)PWM信號(hào)頻率選定10 kHz，占空比可在0％～100％波動(dòng)，當(dāng)IN11=1，IN12=0，電機(jī)正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速隨PWM1信號(hào)的占空比不同而變化，當(dāng)IN11=0，IN12=1，電機(jī)反轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速也隨著PWM1信號(hào)占空比變化。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 圖像采集驅(qū)動(dòng)開發(fā)
    該系統(tǒng)圖像采集模塊硬件電路由CMOS圖像傳感器芯片和S3C2440A的CAMIF單元組成。為此在編寫圖像采集驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，就需要對圖像傳感器芯片的寄存器和S3C2440A的CAMIF單元的寄存器同時(shí)配置，否則就得不到正常圖像。S3C2440A以I2C總線的方式對CMOS圖像傳感器芯片的寄存器進(jìn)行配置。
    在WinCE下，圖像采集驅(qū)動(dòng)是基于流接口設(shè)計(jì)的。首先在CIS_Init函數(shù)下對相機(jī)接口的寄存器進(jìn)行配置，主要配置功能包括：設(shè)置相機(jī)接口輸出時(shí)鐘；設(shè)置圖像輸入輸出格式；設(shè)置裁剪圖像偏移量；設(shè)置幀緩沖區(qū)中圖像像素大??；設(shè)置編碼通道和預(yù)覽通道幀緩沖區(qū)起始地址。然后S3C2440A以I2C總線方式對OV9650的寄存器進(jìn)行配置，需要注意的是相機(jī)接口的配置功能要和OV9650的配置功能完全一致，否則采集不到圖像，兩者之間通信協(xié)議如圖6所示。最后利用API函數(shù)CreateThread()創(chuàng)建中斷服務(wù)線程。

    中斷服務(wù)線程函數(shù)負(fù)責(zé)具體的中斷操作，在該線程函數(shù)內(nèi)利用CreateEent()函數(shù)創(chuàng)建CAMIF單元的中斷事件。然后調(diào)用InterruptInitia-lize()函數(shù)將該中斷事件與CAMIF單元的邏輯中斷相關(guān)聯(lián)。最后調(diào)用Wait For SingleObject()等待中斷事件的到來，當(dāng)中斷到來時(shí)，將讀取事件置位，在應(yīng)用程序中即可利用ReadFile()函數(shù)讀取YCbCr數(shù)據(jù)，為圖像壓縮提供數(shù)據(jù)源。[!--empirenews.page--]
3．2 速度采集程序設(shè)計(jì)
    速度傳感器由紅外反射式傳感器和施密特觸發(fā)器組成，經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形后信號(hào)的頻率與速度相關(guān)，通過測量該信號(hào)頻率計(jì)算車模行駛速度。在Windows CE中，API函數(shù)SetTimer()可以設(shè)置定時(shí)器編號(hào)和定時(shí)時(shí)間，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，執(zhí)行消息響應(yīng)函數(shù)OnTimer。速度采集流程如圖7所示。調(diào)用SetTimer函數(shù)設(shè)置定時(shí)器初值，當(dāng)外部中斷EINT_19產(chǎn)生時(shí)，即一個(gè)脈沖信號(hào)到來，計(jì)數(shù)變量CNT加1，當(dāng)SetTimer()函數(shù)設(shè)置的時(shí)間到來時(shí)，執(zhí)行OnTimer()函數(shù)，該函數(shù)負(fù)責(zé)計(jì)算車模速度并將計(jì)數(shù)變量CNT清0。

    計(jì)數(shù)變量CNT雖然與速度成正比關(guān)系，但它并不是真正的行駛速度，需要經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，才能傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端并顯示。假設(shè)車模后輪直徑為D，光柵編碼盤黑白相間的個(gè)數(shù)為M，在定時(shí)時(shí)間T秒內(nèi)記得脈沖個(gè)數(shù)為N，則車模行駛速度：
   
3．3 網(wǎng)絡(luò)傳輸程序設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸程序是基于TCP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的。S3C2440A組成的嵌入式設(shè)備作為服務(wù)器負(fù)責(zé)圖像采集、速度采集、車?？刂?。服務(wù)器調(diào)用accept()函數(shù)等待客戶端的連接請求，服務(wù)器端接收該連接請求后，雙方就此建立了連接?？蛻舳送ㄟ^send()發(fā)送請求命令，服務(wù)器調(diào)用recv()函數(shù)接收該請求命令，通過命令解析來執(zhí)行具體的操作，若收到圖像采集命令，服務(wù)器端打開攝像頭驅(qū)動(dòng)，設(shè)置圖像像素大小后，將采集到Y(jié)CbCr數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG的壓縮并保存為．jpg格式的圖片。然后將該圖片發(fā)送到客戶端，客戶端將該圖片在圖像顯示區(qū)域顯示；若收到速度采集命令，服務(wù)器端打開定時(shí)器，打開外部中斷EINT19，用于計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到后，將計(jì)數(shù)脈沖轉(zhuǎn)換為以cm／s為單位的速度發(fā)送到客戶端，客戶端將采集到速度在速度顯示區(qū)顯示；若收到控制車模運(yùn)行狀態(tài)，如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，服務(wù)器端打開GPIO驅(qū)動(dòng)，通過GPIO端口輸出控制信號(hào)，控制FPGA輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，即可控制車模的運(yùn)行狀態(tài)。
    客戶端負(fù)責(zé)發(fā)送控制車模、圖像采集、速度采集的命令，然后將服務(wù)器端發(fā)送過來的圖像、速度信息進(jìn)行顯示?？蛻舳说谋O(jiān)控界面如圖8所示。

    遠(yuǎn)程地址欄輸入服務(wù)端IP地址，點(diǎn)擊“創(chuàng)建連接”按鈕即可和服務(wù)器端進(jìn)行連接，連接成功后，就可以進(jìn)行一系列的命令發(fā)送。

4 結(jié)語
    該設(shè)計(jì)在自制電路板板上進(jìn)行了軟、硬件的系統(tǒng)集成及測試。測試結(jié)果為：圖像采集時(shí)鐘24 MHz；圖像采集速度為30 f／s；行同步頻率為14．5 kHz，圖像采集像素為640×480；JPEG壓縮比達(dá)到10：1；運(yùn)動(dòng)控制命令響應(yīng)時(shí)間為5μs，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率達(dá)10 Mb／s。