基于ARM与uC/OS-II的摩托车无线桩考系统设计

谢华东，钟炜华

XIE Hua-dong, ZHONG Wei-hua

（江西应用技术职业学院 机械电子工程系，赣州 341000）

1 摩托车桩考系统的要求及功能分析

依据公安部颁布的《中华人民共和国机动车驾驶员考试管理办法》和《机动车驾驶证申领及管理规定》（71号令）有关科目二考试(场地驾驶)的规定，设计一套适用于摩托车和三轮摩托车两种驾驶证考试的桩考系统，按照规定的行驶路线和操作要求进行设计，自动准确地判断考试结果。由于考场不固定，拉线不方便，要求整个考场无须布线。系统能通过切换开关选择摩托车或三轮摩托车考试系统；设计场地桩杆检测系统，进行行驶路线的检测及碰桩的检测；设计场地边线检测系统，进行碰边线的检测；设计车载系统进行脚踏地、熄火和中途停车检测，并综合场地桩杆和边线检测系统的信号进行行驶路线判断等判断考试是否合格。为方便考生了解考试结果，在车载上设计语音播放功能，实时播放考试结果及具体的不合格原因。为方便计算机监控及记录考试结果，系统要求由计算机发出开始考试的命令，并能够实时将考试过程及考试结果传输到计算机上，以便在计算机监控界面上模拟出考试过程行车路线及将考试结果记入考试系统。考试场地要求不布线，而场地桩杆检测系统、边线检测系统和车载系统之间，以及车载系统和计算机之间必须进行通信，因此，必须采用无线传输技术。

2 系统硬件设计方案

根据系统功能分析，所设计的系统结构主要由场地桩杆检测子系统、场地边线检测子系统、车载子系统和计算机组成，其结构图如图1所示。

图1 桩考系统结构图

3 系统软件设计方案

良好的设计方案可以减少软件设计的工作量，提高软件的通用性、扩展性和可读性。

本系统的设计方案和步骤如下:

1) 根据需求按照系统的功能要求，逐级划分模块。

2) 明确各模块之间的数据流传递关系，力求数据传递少，以增强各模块的独立性，便于软件编制和调试。

3) 确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计。

4) 按照开发式软件设计结构，将各模块有机的结合起来，即成一个较完善的系统。

系统的操作流程为：

计算机发出考试开始命令——车载子系统接收到考试开始命令进行场地的自检——车载子系统向各桩杆及边线发送自检命令——各桩杆和边线子系统返回正确的自检信号——语音播放考试开始——进入考试过程——若考试成功，则语音播放考试成功，否则，语音播放所触犯的规则。并等待计算机再次发出开始考试命令。

4 降低功耗设计方案

由于系统在户外而且可能经常要移动，所以选用常用的、市场上容易得到的12V锂电池给系统供电。系统中芯片工作需要12V、5V、3.3V等三种工作电压，所以需要选用降压稳压电路。目前常用的直流稳压分线性稳压和开关稳压两大类。

线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或场效应管，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。选择稳压电路时，当系统中输入电压和输出电压接近时线性稳压器是最好的选择，可达到很高的效率。但是，当输入电压和输出电压相差较高时，它的效率变得很低。比如7805是一种线性稳压器，当输入16V时7805的效率是31.25%，有超过三分之二的电能被损耗掉了（器件发热）。

开关稳压器则使用输出级重复切换“开”和“关”状态，与能量存贮部件（电容器和感应器）一起产生输出电压。这也是‘开关稳压’的由来。它的调整是通过根据输出电压的反馈样本来调整切换定时来实现的。在固定频率的稳压器中，通过调节开关电压的脉冲宽度来调节切换定时，这就是所谓的脉冲宽度调制（PWM） 控制。由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，开关电源效率可达80%～90%，比普通线性稳压电源提高近一倍，目前已成为稳压电源的主流产品。开关稳压电源的优点是功耗小，效率高。

根据本系统的电源特点，系统中的5V稳压电路采用开关稳压器。

5 桩杆子系统硬件设计

由于桩与边线的距离为车宽加30厘米，约为1米左右，为了可靠的检测摩托车是否经过，探测器的检测范围必须大于30厘米；同时为了确保不受场外信号的干扰，探测器的检测范围最好不大于1.5米。而且探测器能够不受光线亮度、沙尘的影响，温度、湿度适应能力强，即具有很强的抗环境干扰能力。通过分析比较，选择美国邦纳工程国际有限公司的Q10RN6DQ小型自含式光电传感器。

系统要求检测摩托车在行进过程当中是否碰擦桩杆，因此我们需要选择一种振动传感器来检测摩托车是否在行进过程当中是否碰擦桩杆，而且最好要做到振动的灵敏度可以调节，通过分析比较我们选择CTD-A型高灵敏振动位移传感器。

桩杆子系统与车载子系统之间的通信距离不大，因此选用短距离无线通信模块就能实现。目前应用较多的无线传输方式主要有蓝牙和红外两种。

桩杆上的输入输出点数不多，因此选择Atmel公司的AT98C2051单片机来作为每个桩杆上的控制器。

6 边线子系统硬件设计

根据系统要求，桩间距为车长加40厘米总共有5个桩，为了可靠检测至少要选择检测距离20m以上的对射光电检测开关，通过分析和比较我们选择美国邦纳公司的对射式光电检测开关QS45BB6RQ来检测摩托车是否出边线。

目前ARM处理器的种类很多，其中ARM7处理器应用比较广泛，根据系统要求我们选择LPC2214作为系统的ARM处理器。

在系统中计算机和摩托车考试基地一般距离都比较远，因此需要选择一个远距离传输的无线传输模块，在系统中选择WM2196R作为计算机和车载子系统之间的通信模块。

为了增加人机交互性，根据系统要求需要播报在考试过程中的相关信息，因此需要选择一块多条录音和放音的语音芯片。

基于蓝牙模块的主从机之间通信协议设计如下。

蓝牙模块传输协议的主要任务是确保CPU要发送的数据成功发送到接收方，若未成功则告知CPU；确保CPU接收的数据与发送方发送的数据一致。

主模块或从模块发送数据时，等待接收对方的应答信号，若未接收到应答信号，数据发送不成功，重发三次，若还不成功，则报警出错，同时给CPU一个发送不成功的信号。主模块或从模块接收数据时，判断接收数据是否正确，并发送应答信号给发送方。同时将接收到的数据传给CPU。

7 桩杆与边线子系统的软件设计

边线子系统实现的功能是桩杆子系统功能中的一部分，因此，仅对桩杆子系统上单片机软件设计进行介绍。

桩杆子系统单片机软件设计主要由以下几部分组成：

1) 系统初始化模块。

2) 通过蓝牙模块串行接收车载子系统发来的数据。

3) 通过蓝牙模块串行发送考试过程数据至车载子系统。

8 基于uC/OS-II的车载子系统软件设计

嵌入式操作系统并不是简单嵌入的操作系统，它与通常意义上的操作系统有一定的区别。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。

根据任务划分的要求，可以将本系统划分为以下5个任务：

1) TaskMany (系统的综合任务)

2) TaskTest_judge (考试判断任务)

3) TaskStart_test (启动考试任务)

4) TaskCheck_devices (场地检测任务)

5) TaskLuyin (录音任务)

在整个系统的5个任务当中，由于考试判断任务考试进行中的不允许别的任务的抢占，它的任务优先级应该最高，在本系统中考试判断任务的优先级为4。由于系统综合任务要完成各个任务之间的通信，在本系统中它的优先级应为第2高，定义为6优先级。在场地检测和启动考试任务中比较可知场地检测的任务比启动考试的任务优先级更高，在本系统中场地检测任务的优先级为8，启动考试任务的优先级为10。录音任务的优先级应该最低优先级为12。

9 摩托车桩考系统的安装

1）桩杆电路板制作与安装桩杆外形设计如图2所示。

图2 桩杆外形图

2）边线杆的制作与安装

电路板也设计成圆形，与桩杆安装相同。边线的外形图及对射式光电开关安装如图3所示。

图3 边线杆外形及安装图

3）车载子系统各元件的安装

用于检测脚踏地的脚踏开关安装如图4所示。

图4 脚踏开关安装图

4）摩托车桩考系统的调试

由于本课题组主要负责摩托车桩考系统的场地部分设计，计算机管理软件由另外的课题组负责，所以在未提供计算机管理软件的情况下，主要采用以下测试方案：

（1）系统功能的测试。

（2）系统功耗的测试。

10 结束语

本文在分析现有摩托车电子考核系统的基础上，根据公安部71号令的要求设计了一种新的、性能更为优越的摩托车电子桩考系统。系统中利用了当今的高性能传感器件、先进的无线传输技术和电源低功耗技术等。在使用单片机进行数据采集和控制的同时，本文提出基于ARM嵌入式处理器和μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统技术进行摩托车桩考系统的设计方案，并设计了相应的硬件电路，编写了软件程序。

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