基于ARM和FPGA的智能小車監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言
    智能小車是機器人研究領域的一項重要內容。它集機械、電子、檢測技術與智能控制于一體。在各種移動機構中，智能小車的輪式移動機構最為常見。輪式移動機構之所以得到廣泛的應用，主要是因為容易控制其移動速度和移動方向。智能小車可以適應不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險地段、人類無法介入等特殊情況下的任務。一般的智能小車操作控制復雜、功能單一、不能遠程重構。
    本文介紹的智能小車可移動視頻監(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，利用ARM芯片S3C2440A控制圖像采集、網絡傳輸、速度采集干擾小的模塊，利用FPGA芯片控制電機驅動、舵機控制、電量采集干擾大的模塊，當上位機通過Internet訪問智能小車服務器時，在監(jiān)控界面上點擊按鈕來控制小車的運行、圖像拍攝、速度采集。

1 系統(tǒng)總體設計
    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內置豐富的外設資源包括中斷控制器、GPIO、I2C、相機接口等接口電路，其內核為16／32位的ARM920T處理器，它集MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結構與一體，主頻可達400 MHz。
    利用ARM9控制圖像采集、速度采集、網絡傳輸等功耗小、干擾弱的模塊；利用FPGA單獨控制功耗大、干擾強的直流電機、舵機、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行數據和控制信號的傳輸，需要注意的是ARM的I／O口需要設置為禁止上拉，否則無法和FPGA進行通信。該系統(tǒng)具體組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設計
2．1 圖像采集電路設計
    圖像采集模塊選用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV9650，可達130萬像素，具有標準SCCB(setial camera control bus)接口，通過該接口可以方便地設置圖像像素大小、輸出YCbCr順序、白平衡、色飽和等重要參數。
    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)。當無須采集圖像時，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兩種格式的數據，當輸出YCbCr格式時，要用到數據線的D2～D9；當輸出RGB格式時，則需要用數據線D0～D9。本文采用YCbCr格式，數據線D2～D9與S3C2440A的CAMDATA0～CAMDATA7相連。

    S3C2440A芯片具有相機接口CAMIF，其內部單元如圖3所示，CAMIF支持ITU-R BT．601／656YCbCr 8 b標準的圖像數據輸入，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據存儲在SDRAM中：一種是預覽通道模式，將從相機接口采集到的圖像數據轉為RGB數據，并在DMA控制下傳輸到SDRAM，這種模式通常用來提供圖像預覽功能；另一種是編碼通道模式，將圖像數據按照YCbCr 4：2：0或者YCbCr 4：2：2的格式傳輸到SDRAM，這種模式主要為JPEC，MPEG-4，H．263等編碼器提供圖像數據的輸入。

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2．2 網絡傳輸模塊電路設計
    網絡傳輸模塊選用DAVICOM公司推出的一款高速以太網接口芯片DM9000A，內部集成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內存數據存取接口。
    S3C2440A內部沒有專用以太網控制器，需要外部總線外掛一個以太網控制器，才能實現(xiàn)S3C2440A連接以太網的需要，該系統(tǒng)選用DM9000A作為以太網的物理層接口。DM9000A與S3C2440A的連接比較簡單，如圖4所示。S3C2440A數據總線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號外中斷與芯片的INT相連。DM9000A以太網控制器的工作基址為0x300，而S3C2440A的地址線ADDR2與芯片的命令／數據使能端CMD相連，所以對其進行操作時的地址是0x300(地址端口)或0x304(數據端口)。
2．3 運動控制電路設計
    速度采集模塊由紅外傳感器和脈沖整形電路組成，經整形后的脈沖送往ARM中斷進行脈沖捕獲。運動控制模塊選用型號為RS-380SH的直流電機控制車模的前進或后退，選用型號為FUTABA-S3010的舵機控制車模的轉向，電機驅動芯片選用L298N實現(xiàn)對電機調速、正反轉的控制。

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

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 圖像采集驅動開發(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動程序時，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行配置。
    在WinCE下，圖像采集驅動是基于流接口設計的。首先在CIS_Init函數下對相機接口的寄存器進行配置，主要配置功能包括：設置相機接口輸出時鐘；設置圖像輸入輸出格式；設置裁剪圖像偏移量；設置幀緩沖區(qū)中圖像像素大?。辉O置編碼通道和預覽通道幀緩沖區(qū)起始地址。然后S3C2440A以I2C總線方式對OV9650的寄存器進行配置，需要注意的是相機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CreateThread()創(chuàng)建中斷服務線程。

    中斷服務線程函數負責具體的中斷操作，在該線程函數內利用CreateEent()函數創(chuàng)建CAMIF單元的中斷事件。然后調用InterruptInitia-lize()函數將該中斷事件與CAMIF單元的邏輯中斷相關聯(lián)。最后調用Wait For SingleObject()等待中斷事件的到來，當中斷到來時，將讀取事件置位，在應用程序中即可利用ReadFile()函數讀取YCbCr數據，為圖像壓縮提供數據源。[!--empirenews.page--]
3．2 速度采集程序設計
    速度傳感器由紅外反射式傳感器和施密特觸發(fā)器組成，經過施密特觸發(fā)器整形后信號的頻率與速度相關，通過測量該信號頻率計算車模行駛速度。在Windows CE中，API函數SetTimer()可以設置定時器編號和定時時間，當定時時間到達時，執(zhí)行消息響應函數OnTimer。速度采集流程如圖7所示。調用SetTimer函數設置定時器初值，當外部中斷EINT_19產生時，即一個脈沖信號到來，計數變量CNT加1，當SetTimer()函數設置的時間到來時，執(zhí)行OnTimer()函數，該函數負責計算車模速度并將計數變量CNT清0。

    計數變量CNT雖然與速度成正比關系，但它并不是真正的行駛速度，需要經過一定的數學轉換，才能傳送到遠程監(jiān)控端并顯示。假設車模后輪直徑為D，光柵編碼盤黑白相間的個數為M，在定時時間T秒內記得脈沖個數為N，則車模行駛速度：
   
3．3 網絡傳輸程序設計
    該系統(tǒng)網絡傳輸程序是基于TCP協(xié)議來實現(xiàn)的。S3C2440A組成的嵌入式設備作為服務器負責圖像采集、速度采集、車模控制。服務器調用accept()函數等待客戶端的連接請求，服務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，服務器調用recv()函數接收該請求命令，通過命令解析來執(zhí)行具體的操作，若收到圖像采集命令，服務器端打開攝像頭驅動，設置圖像像素大小后，將采集到YCbCr數據進行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，服務器端打開定時器，打開外部中斷EINT19，用于計數，當定時時間到后，將計數脈沖轉換為以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；若收到控制車模運行狀態(tài)，如前進、后退、左轉、右轉，服務器端打開GPIO驅動，通過GPIO端口輸出控制信號，控制FPGA輸出占空比可調的PWM信號，即可控制車模的運行狀態(tài)。
    客戶端負責發(fā)送控制車模、圖像采集、速度采集的命令，然后將服務器端發(fā)送過來的圖像、速度信息進行顯示?？蛻舳说谋O(jiān)控界面如圖8所示。

    遠程地址欄輸入服務端IP地址，點擊“創(chuàng)建連接”按鈕即可和服務器端進行連接，連接成功后，就可以進行一系列的命令發(fā)送。

4 結語
    該設計在自制電路板板上進行了軟、硬件的系統(tǒng)集成及測試。測試結果為：圖像采集時鐘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壓縮比達到10：1；運動控制命令響應時間為5μs，網絡傳輸速率達10 Mb／s。