基于ARM單片機的裝載機障礙物監(jiān)測預警系統(tǒng)設計

1 引言

　　隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術獲得廣闊的發(fā)展空間，工業(yè)控制領域也進行著一場巨大的變革，以32位高端處理器為平臺的實時嵌入式軟硬件技術將應用在工業(yè)控制的各個角落。嵌入控制器因其體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等許多優(yōu)點,其應用已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、國防、科研以及日常生活等各個領域,對各行各業(yè)的技術改造、產(chǎn)品更新?lián)Q代、加速自動化化 進程、提高生產(chǎn)率等方面起到了極其重要的推動作用[1]。

　　現(xiàn)今，國內外雖有部分車輛安裝了超聲波倒車防撞報警裝置、基于DSP的智能車輛防撞系統(tǒng)、圖像處理技術的汽車追尾預警系統(tǒng)等，但是用于像裝載機這種廣泛用于城建、礦山、公路等工程的工程機械的障礙物監(jiān)測預警系統(tǒng)卻沒有發(fā)現(xiàn)。所以建立一個對障礙物進行監(jiān)測預警的系統(tǒng)，提前為駕駛員提供危險信號，讓駕駛員能及時采用有效措施是減少事故的有效方法[2～5]。

2 系統(tǒng)硬件設計

　　本系統(tǒng)以裝載機為研究對象，以實現(xiàn)信號采集、調理、傳送、顯示和預警為目的。把系統(tǒng)劃分為障礙物距離信號采集模塊、LCD顯示模塊、聲光報警模塊和處理器模塊這四個部分。其中以處理器為核心，通過總線和接口電路把信號輸入和輸出相連。系統(tǒng)做成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

　　該Mini ARM模塊集成有C2290微控制器最小系統(tǒng)，USB主機控制器、10M以太網(wǎng)通信控制器以及NAND FLASH 電子盤，其硬件資源主要有：2M NOR FLASH、16K SRAM、2M/8M Bytes PSRAM、10M 以太網(wǎng)接口、2 路USB-Host 控制器、集成電子盤、2 路CAN控制器以及RTC等[6]。

　　LCD顯示模塊使用內置T6963C的液晶顯示模塊，該模塊上已經(jīng)實現(xiàn)了T6963C與行、列驅動器及顯示緩沖區(qū)RAM 的接口。

2.1 障礙物距離檢測電路的設計

　　對于障礙物的檢測方法有超聲波測距法、圖像處理法、激光測距法等。但是由于超聲波傳感器具有信息處理簡單、價格低廉、制作方便等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用超聲波測距法來對障礙物的距離進行檢測。

（1）超聲波測距的原理

　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為c，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s[7]，即s=ct/2 (1)。

（2）超聲波測距電路

　　在本系統(tǒng)中超聲波測距電路是由MICROCHIP的PIC16C57設計而成的，選用的超聲波傳感器是T/R40-16壓電陶瓷傳感器。在工作中，主控器PIC16C57發(fā)出信號使發(fā)射端的超聲波換能器發(fā)出加以電壓激勵，其受激勵后以脈沖的形式發(fā)射超聲波，當超聲波接收器接收到回波信號時，傳回到主控器中，從脈沖信號開始發(fā)射時主控器中的定時器便開始計時，接收到回波信號時停止計時。所側出的時間間隔再乘以聲速就得到了兩倍的距離值。從而計算出障礙物到發(fā)射點的距離。其電路圖如圖2所示。

圖2 超聲波測距電路圖[!--empirenews.page--]

　　距離值通過PIC16C57的10腳進行串行輸出，經(jīng)MAX232芯片后與ARM的串口相連。芯片MAX232是為RS232標準串口設計的接口電路，它完成TTL電平和RS232電平的轉換[8]。

2.2 聲光報警電路設計

　　本系統(tǒng)要求根據(jù)影響裝載機穩(wěn)定性的障礙物距離的臨界值對危險狀況進行三級報警。當處于低危險狀況時，只有指示燈綠燈被點亮，提醒駕駛者注意；當危險級別增高時，指示燈黃燈點亮，同時伴隨有舒緩的蜂鳴聲，提醒駕駛者采取措施；當達到最高危險級別時，指示燈紅燈被點亮，同時蜂鳴聲由舒緩轉為急促，提醒駕駛者趕緊制動。
設計中，分別采用了LPC2290的P2.20（GPIOA4）驅動綠色LED，P2.21（GPIOA5）驅動黃色LED, P2.22（GPIOA6）驅動紅色LED，P2.23（GPIOA7）驅動蜂鳴器。所設計的報警電路如圖3所示。

圖3 報警電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

　　常用的嵌入式操作系統(tǒng)有VxWorks、Windows CE、嵌入式Linux和μC/OS-Ⅱ等，由于μC/OS-Ⅱ嵌入式系統(tǒng)具有公開源代碼，具有實時多任務內核來進行多任務調度等優(yōu)點[9]，所以本系統(tǒng)選用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)。

　　由于采用模塊化編程，所以μC/OS-II下系統(tǒng)任務的劃分也是基于不同的功能模塊，每一個模塊被分解成一個或者多個任務，每個任務被安排一個優(yōu)先級。這樣，一旦這些任務被建立起來，它們之間的調度情況就完全由μC/OS-II來完成。結合本系統(tǒng)的設計需求，程序中創(chuàng)建串口通信任務、報警任務、LCD顯示任務。其軟件流程框圖如圖4所示。

圖4 軟件流程框圖

　　上電后，首先進行硬件的初始化，然后對μC/OS-II操作系統(tǒng)進行初始化，建立任務，進行多任務調度。μC /OS - II的任務調度是搶占式的，所以在設置任務優(yōu)先級的時候應該盡量考慮任務對實時性的要求。即使兩個任務的重要性是相同的，它們也必須有優(yōu)先級上的差異，這也就意味著高優(yōu)先級的任務在處理完成后必須進入等待或掛起狀態(tài)，否則低優(yōu)先級的任務永遠也不可能執(zhí)行。本系統(tǒng)中設置串口通信任務的優(yōu)先級高于液晶顯示任務，液晶顯示任務的優(yōu)先級又高于報警任務。

　　1.串口通信任務完成超聲波測距部分與ARM處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸。串口通信部分主要包括兩部分內容：用戶接口函數(shù)和任務函數(shù)。串口共有5個用戶接口函數(shù)，分別為deopen()、dclose()、dread()、dwrite（）和diocontrol()。

　　超聲波測距裝置和LPC2290進行通信的部分程序代碼如下：
diocontrol(Uart0_Handles,UART0_SET_MODE, (void *)&Mode0)； // 設置UART 模式
diocontrol(Uart0_Handles,UART0_SET_TIMEROUT,(void *)5)； // 設置接收超時因子, 參數(shù) =0 則關閉超時
diocontrol(Uart0_Handles, UART0_CLR_FIFO, (void *)0)； // 清空接收軟FIFO
while (1)
{Rece_Count=dread(Uart0_Handles, UART_Rece
_Buff,1)； //讀取超聲波發(fā)送過來的第一個起始字節(jié)，放入緩沖區(qū)
if((Rece_Count>0)&&(UART_Rece_Buff[0]== ’@’)) //如果讀取成功且第一個字節(jié)為‘@’
{dread（Uart0_Handles,&UART_Rece_Buff[1],3）； //接收后三位字節(jié)，分別為百位數(shù)、十位數(shù)、個位數(shù)
for(i=1；i<4；i++)
UART_Rece_Buff[i]=UART_Rece_Buff[i]+48； //將十六進制數(shù)轉換為ASCII碼值
for(i=0；i<3；i++)
sbuff[i]=UART_Rece_Buff[i+1]； //接收的數(shù)據(jù)緩存到數(shù)組中，供LCD顯示部分調用
}
}[!--empirenews.page--]

　　2.液晶顯示任務主要是把ARM處理器中超聲波傳過來的數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上，以方便駕駛員能實時看到障礙物的距離值。

　　顯示文字的部分程序代碼如下：
{ uint32 addr；
uint8 i；
for (i=0；i<24；i++)
/* 找出目標地址 */
{ addr = (y+i)*(GUI_LCM_XMAX>>3) + (x>>3)；
LCD_WriteTCommand3(LCD_ADR_POS, addr&0xFF, addr>>8)； // 置地址指針
/* 輸出數(shù)據(jù) */
LCD_WriteTCommand2(LCD_INC_WR, *Buff)；
Buff++；
LCD_WriteTCommand2(LCD_INC_WR, *Buff)；
Buff++；
LCD_WriteTCommand2(LCD_INC_WR,*Buff)；
Buff++；
LCD_WriteTCommand2(LCD_NOC_WR,*Buff)；
Buff++； }
LCD_WriteTCommand3(LCD_ADR_POS, 0x00, 0x00)；
// 重置地址指針
}

　　3.報警任務主要是通過ARM處理器把障礙物的距離值與不同報警條件下的臨界值進行比較，并完成相應的報警顯示。

4 調試及結果

　　系統(tǒng)調試用到了ADS集成開發(fā)環(huán)境及EasyJTAG-H仿真器。當把程序編寫好并把EasyJTAG-H仿真器的JTAG接口與MiniARM產(chǎn)品相連后，便可用調試軟件把程序下載到ARM板上，進行試驗。

　　超聲波每檢測一次串口輸出一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?600，包括一個起始位和三位數(shù)據(jù)位。結果表明：微處理器對不符合所設定格式的數(shù)據(jù)幀沒有響應，不接收所發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，只對滿足要求的數(shù)據(jù)才進行相應的處理。

　　超聲波檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)調試結果表明，能及時的在LCD液晶顯示屏上準確的顯示出來，通訊穩(wěn)定性高。同時對各種危險情況能準確的顯示其相應的報警現(xiàn)象。

　　本系統(tǒng)的精度分析，我們把超聲波傳感器的測量值與實際值進行比較繪制了如下表1。

表1 障礙物距離測量值與實際值對照表

 
　　當障礙物距離大于10m時，發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器測量數(shù)據(jù)發(fā)生嚴重失真，經(jīng)分析和實驗可得本系統(tǒng)對障礙物距離檢測的最大值為9.99m，同時由表1數(shù)據(jù)經(jīng)分析計算可知測量誤差≤0.01m。

5 結論

　　所設計的對裝載機障礙物距離的監(jiān)測預警系統(tǒng)，是以Mini ARM作為處理器針對裝載機的工作場地及需要監(jiān)測的距離信號來考慮的，通過試驗驗證，該系統(tǒng)已完成了所需的功能要求，最大測量值為9.99m，誤差≤0.01m。安裝非常方便，便于使用。但該系統(tǒng)還有一個不足，即用超聲波傳感器檢測車輛前方路面信息時，如果是凸起的障礙物能有效的檢測到，但當前方為凹坑時便檢測不出來，所以有待于進一步研究。