基于ARM嵌入式的智能小车的控制系统设计研究

2018-06-07潘晓贝

时代农机 2018年3期

潘晓贝

（三门峡职业技术学院电气工程学院，河南三门峡 472000）

智能小车属于当前社会的新产物，智能化是其最大的特点，尤其是不需要通过人为管理就可以完成相关的任务。此外，智能小车可以借助计算机等完成最佳线路的选择，因此可以有效提高效率，并且可以保证准确性。智能小车可以借助电子、信息、传感等多种知识于一体，因此对这一技术的研究能够促进社会的发展。

1 嵌入式系统和智能小车概述

（1）嵌入式系统。嵌入式系统的使用，对于智能小车的发展来说具有重要意义。嵌入式系统主要指的是非桌面计算系统，比如一些计算机能够实现嵌入，在嵌入之后可以发挥其专用的功能。嵌入式系统的中心是应用，而且其中的软件和硬件都比较灵活，便于进行裁剪，而且具有足够的可靠性，满足功耗、体积等综合性的要求。这种系统还是一个完全嵌入受控制器件内部，所以是为了特定的目的而设计的专用系统。比如一些带有数字的设备，汽车、微波炉等都会使用这种嵌入式系统，这种嵌入式系统的使用可以有效保证效率，大部分的这种系统都是利用单个程序完成整个控制逻辑。嵌入式系统的主要特点是专一性、周期长、知识集成等，因此受到了很多人的欢迎，被应用于各种产品中。

（2）ARM硬件开发平台。由于嵌入式系统中的处理器属于嵌入式系统的核心，因此可以有效的辅助系统运行。随着技术的不断发展，处理器也在广泛的使用，而且也有了明显的变化，目前较多使用的是32位以及64位嵌入式CPU。嵌入式系统包含很多的相关处理器，比如DSP、FPGA等多个品种，而且这里的每个处理器品种都有巨大的价值，尤其是随着技术的不断发展，其功能在逐渐的增强，速度有了明显的提升，其性能价格比也有所增高。文章列举了两种ARM的特点：①ARM7系列。ARM7系列微处理器的作用很明显，这种处理器属于一种低功耗的32位定位点RISC处理器，这一处理器中对功耗的要求较高的消费类应用具有明显的实用性。ARN7使用的范围交广，而且经常应用于多媒体和嵌入式设备中；于ARM9系列。除了上述处理器之外，ARM9系列微处理器的主要优势在于可以为用户提供更高的性能和较低的功耗，随着科学技术的发展，通过不断的创新设计，ARM9系列微处理器使用了更多的晶体管，提高了处理能力。除此以外，还有很多的处理器系列，每一种处理器都有独特的性能，而且在不同的领域发挥着巨大的作用。

（3）ARM操作系统。ARM属于嵌入式产品的核心，因此人们经常会将其和嵌入式操作系统进行练习。嵌入式操作系统使用的范围较广，而且是软硬件资源的控制中心，在组织资源的过程中发挥了巨大的总作用。使用嵌入式操作系统，可以为用户提供更加有利的环境。在协调和触发活动的过程中，可以装卸某些模块完成相应的任务，因此使用的频率相对较高。

（4）基于ARM的智能小车的实现。基于ARM的智能小车控制系统的设计需要根据相关要求进行，如图1所示，是智能小车系统结构层次图，其中包含了4个层次：①策略应用层，主要是为了研究操作系统以及驱动程序的相关设计；于小车控制器层，主要是为了控制整个控制系统设计的实现；③传感器执行层，这一层可以设定为小车的器官，保证小车的稳定形势，通过传感器采集信息，并且利用执行器完成任务；④小车机械层，主要是作为被控制对象的部件，因此具有基础性的作用。

图1 智能小车系统结构层次图

2 智能小车控制系统硬件平台设计

2.1 智能小车控制系统硬件的总体设计

在智能小车的硬件总体设计过程中，需要考虑到硬件设计是其中的关键部分，因此要引起足够的重视。在其硬件设计的过程中，需要注意底板、核心板以及驱动电路部分。其中的电脑控制部分十分重要，负责程序的编写等工作，此外，可以借助USB转串口完成与智能小车的连接。核心的CPU使用的是S3C2440处理器，这一处理器是智能小车的大脑，可以有效保证信号的合理输入和输出。智能小车的整体硬件设计如图2所示。

图2 智能小车整体硬件设计

2.2 智能小车控制系统硬件电路设计

（1）智能小车核心板模块设计。随着产品的不断开发，人们越来越重视中央处理器的作用，中央处理器的选择直接关系着产品开发的质量，因此要保证中央处理器具备足够的性能和可靠性。由于资源的丰富等原因，导致目前的产品开发时间逐渐缩短，但是也提高了成功率。不过在产品开发的过程中还是会存在很多问题，因此要根据产品的具体需求选择合理的中央处理器，在选择的过程中可以考虑以下因素：①应用领域。当产品的功能确定之后，就需要考虑到其应用领域的问题，在选择了合适的领域之后，才能尽快的缩小产品的选型范围。比如在有些工作条件下，对于芯片的工作温度有较高的要求，所以需要选择合适的芯片；于自带资源。在选择中央处理器的过程中，需要考虑相关的资源，比如某些类型存在接口上的区别，储存器的扩展功能是否可用等；③可扩展资源。虽然可以选择购买相应的微处理器，但是价格较高，可以利用价格较低的微处理器完成资源的扩展，可以有效提高微处理器的功能，同时也可以节约一定的成本。

（2）智能小车电源模块设计。在智能小车的电源模块设计中，需要考虑其供电的能力，尤其是要对不同的模块进行持续供电，要求保证电源的质量，才能不断提高各个模块的运行效率。在主板电路上，包含了多个模块，不过由于功能的不同，每个模块的电源数值都存在差异，因此要注意将直流电源经过转换生成不同的电压。

（3）智能小车复位模块设计。如果系统不能进行正常的工作，则需要复位电路对其进行初始化的操作，保证其可以完成重启的目标。

（4）智能小车晶振模块设计。智能小车中的Clock控制单元可以输出中央处理器需要的时钟信号，而且其中包含了CPU使用的FC蕴K、AHB总线使用的HC蕴K和ABP总线使用的PC蕴K。C蕴ock控制单元不需要依赖锁相环，但是可以有效减少时钟的频率。通过这种模式，可以借助有关的程序，合理控制时钟的连接和断开，因此保证了能源的节约。

3 智能小车控制系统软件设计

3.1 智能小车控制系统软件环境组成

智能小车的控制系统软件主要包含了三个部分，即开机引导装载程序、蕴inux内核和根文件系统。开机引导装载程序具有重要作用，主要是可以利用友善之臂提供SuperBoot程序，而且可以完成对硬件的初始化操作，并且为后续的工作做好准备，蕴inux内核是蕴inux操作系统的中心，其中包含着智能小车需要用到的相关驱动，而且可以完成设备管理、系统调用等任务。

软件开发环境构建过程主要是，在软件设计的过程中，为了不断提高软件开发的效率，要注意建设一个良好的软件开发环境。首先，需要在Windows系统中安装VMwareWorkstation软件，在安装的过程中，要注意安装Fedora10操作系统。另外，还要建立一个交叉变异的环境，主要是为了保证程序可以在虚拟机中进行编译，同时可以确保下载之后的正常执行，其目的在于避免储存空间的浪费。之后要完成基础的配置和编译操作，最后进行软件和驱动的编写即可。

3.2 智能小车控制系统程序驱动和模块软件设计

（1）智能小车状态模块软件设计。在智能小车的控制系统设计中，要考虑到其所处的状态，停止、运动和空闲这三种状态是最基本的状态，智能小车会在这三种状态中进行来回的变换，保证软件控制的可靠性。

（2）智能小车电机驱动模块软件设计。智能小车主要使用直流电机，其主要的作用是保证供电。此外，核心板是利用RS232串口发送命令给单片机，单片机控制可以产生PWM脉冲，PWM脉冲的占控比和频率直接影响着电机运转的速度，因此关系着智能小车的速度。

（3）智能小车图像采集模块软件设计。智能小车会在适当的区域停留并且进行拍照，因此要保证其摄像功能的稳定性，才能有效获取照片。可以借助驱动程序来打开智能小车的摄像头并且读取信息，完成图片采集的任务。智能小车的硬件系统和软件系统设计都十分重要，因此在其系统设计的过程中，要兼顾二者的关系，采用有效的方式，不断提高其运行的效率。