CN105373124A - 一种基于arm和fpga的智能小车监控系统 - Google Patents

一种基于arm和fpga的智能小车监控系统 Download PDF

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蔡旭东
姜惠启
孙淼
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    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于ARM和FPGA的智能小车监控系统，包括主控制模块、辅助控制模块、电源管理模块、图像采集模块、速度采集模块、网络传输模块、电机驱动模块、舵机驱动模块和电池监控模块，所述图像采集模块、速度采集模块和网络传输模块分别与主控制模块相连，电机驱动模块、舵机驱动模块和电池监控模块分别与辅助控制模块相连，所述电源管理模块为其他各部分供电。该系统实现了本地图像采集并通过网络传输到远程监控端，远程监控端根据传输的图像来控制智能小车的运动该系统功能扩展容易，设计成本低，上市时间快，功耗低。

Description

一种基于ARM和FPGA的智能小车监控系统
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于ARM和FPGA的智能小车监控系统。
背景技术
智能小车是机器人研究领域的一项重要内容。它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体。在各种移动机构中，智能小车的轮式移动机构最为常见。轮式移动机构之所以得到广泛的应用，主要是因为容易控制其移动速度和移动方向。智能小车可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段、人类无法介入等特殊情况下的任务。一般的智能小车操作控制复杂、功能单一、不能远程重构。
发明内容
本发明为了解决PC监控系统中监控范围有限、不可移动的弊端，提出一种基于ARM和FPGA的智能小车监控系统，该系统功能扩展容易，设计成本低，功耗低。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于ARM和FPGA的智能小车监控系统，包括主控制模块、辅助控制模块、电源管理模块、图像采集模块、速度采集模块、网络传输模块、电机驱动模块、舵机驱动模块和电池监控模块，所述图像采集模块、速度采集模块和网络传输模块分别与主控制模块相连，电机驱动模块、舵机驱动模块和电池监控模块分别与辅助控制模块相连，所述电源管理模块为其他各部分供电。
优选地，所述主控制模块采用ARM芯片，所述ARM芯片的型号为S3C2440A。
优选地，所述辅助控制模块采用FPGA芯片，所述FPGA芯片的型号为EP2C5T144C8。
优选地，所述图像采集模块选用OmniVision公司的CMOS图像传感器OV9650。
优选地，所述网络传输模块选用高速以太网接口芯片DM9000A。
优选地，所述速度采集模块由红外传感器和脉冲整形电路组成。
本发明在自制电路板板上进行了软、硬件的系统集成及测试。测试结果为：图像采集时钟24MHz；图像采集速度为30f/s；行同步频率为14.5kHz，图像采集像素为640x480；JPEG压缩比达到10：1；运动控制命令响应时间为5微秒，网络传输速率达10Mb/s。该系统实现了本地图像采集并通过网络传输到远程监控端，远程监控端根据传输的图像来控制智能小车的运动该系统功能扩展容易，设计成本低，上市时间快，功耗低。
附图说明
图1为系统结构框图；
图2为S3C2440A与OV9650连接图；
图3为CAMIF单元内部结构；
图4为S3C2440A与DM900A连接图；
图5为电机控制电路；
图6为S3C2440和OV9650通信协议；
图7速度采集软件流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的描述。
一种基于ARM和FPGA的智能小车监控系统，包括主控制模块、辅助控制模块、电源管理模块、图像采集模块、速度采集模块、网络传输模块、电机驱动模块、舵机驱动模块和电池监控模块，所述图像采集模块、速度采集模块和网络传输模块分别与主控制模块相连，电机驱动模块、舵机驱动模块和电池监控模块分别与辅助控制模块相连，所述电源管理模块为其他各部分供电。
所述主控制模块采用ARM芯片，所述ARM芯片的型号为S3C2440A。
所述辅助控制模块采用FPGA芯片，所述FPGA芯片的型号为EP2C5T144C8。
所述图像采集模块选用OmniVision公司的CMOS图像传感器OV9650。
所述网络传输模块选用高速以太网接口芯片DM9000A。
所述速度采集模块由红外传感器和脉冲整形电路组成。
该系统采用三星公司的ARM芯片S3C2440A作为主控制芯片及Altera公司的FPGA芯片EP2CST144C8作为辅助控制芯片，ARM芯片上装有WindowsCE5.0操作系统。S3C2440A内置丰富的外设资源包括中断控制器、GPIO、I2C、相机接曰等接口电路，其内核为16/32位的ARM920T处理器，它集MMU，AMBABUS和HarVard高速缓冲体系结构与一体，主频可达400MHz。
利用ARM芯片控制图像采集、速度采集、网络传输等功耗小、干扰弱的模块；利用FPGA芯片单独控制功耗大、干扰强的直流电机、舵机、固态继电器以提高系统的抗干扰能力。ARM芯片和FPGA芯片以并行总线的方式进行数据和控制信号的传输，需要注意的是ARM芯片的I/O口需要设置为禁止上拉，否则无法和FPGA芯片进行通信。该系统具体组成如图1所示。
系统硬件电路设计：
图像采集电路设计：图像采集模块选用OmniVision公司的CMOS图像传感器OV9650，可达130万像素，具有标准SCCB(serialcameracontrolbus)接口，通过该接口可以方便地设置图像像素大小、输出YCbCr顺序、白平衡、色饱和等重要参数。
S3C2440A可以直接和CMOS图像传感器OV9650连接，如图2所示。OV9650的PWDN引脚与S3C2440A的GPG12引脚相连，这样可以控制OV9650的工作状态。当无须采集图像时，将GPG12输出高电平，OV9650芯片处于掉电模式，节省电能消耗。OV9650可输出YCbCr，RGB两种格式的数据，当输出YCbCr格式时，要用到数据线的D2}D9；当输出RGB格式时，则需要用数据线D2～D9。本系统采用YCbCr格式，数据线D2～D9与S3C2440A的CAMDATA0～CAMDATA7相连。
S3C2440A芯片具有相机接口CAMIF，其内部单元如图3所示，CAMIF支持ITU-RBT。601/656YCbCr8b，标准的图像数据输入，最大可采样4096x4096像素的图像。该接口可以使用两种通道将图像数据存储在SDRAM中：一种是预览通道模式，将从相机接口采集到的图像数据转为RGB数据，并在DMA控制下传输到SDRAM，这种模式通常用来提供图像预览功能；另一种是编码通道模式，将图像数据按照YCbCr4:2:0或者YCbCr4:2:2的格式传输到SDRAM，这种模式主要为JPEG，MPEG-4，H.263等编码器提供图像数据的输入。
网络传输模块电路设计：网络传输模块选用DAVICOM公司推出的一款高速以太网接口芯片DM9000A，内部集成10/100M物理层接口，16KBSRAM用作接收发送的FIFO缓存，支持8/16b内存数据存取接口。
S3C2440A内部没有专用以太网控制器，需要外部总线外挂一个以太网控制器，才能实现S3C2440A连接以太网的需要，该系统选用DM9000A作为以太网的物理层接口。DM9000A与S3C2440A的连接比较简单，如图4所示。S3C2440A数据总线DATA0～DATA15与芯片的SD0～}SD15连接；地址线ADDR2与芯片的CMD连接；片选线nGCS3与芯片nCS的相连；9号外中断与芯片的INT相连。DM9000A以太网控制器的工作基址为0x300，而S3C2440A的地址线ADDR2与芯片的命令/数据使能端CMD相连，所以对其进行操作时的地址是0x300(地址端口)或0x304(数据端口)。
运动控制电路设计：速度采集模块由红外传感器和脉冲整形电路组成，经整形后的脉冲送往ARM芯片中断进行脉冲捕获。运动控制模块选用型号为RS-3805H的直流电机控制车模的前进或后退，选用型号为FUTABA-S3010的舵机控制车模的转向，电机驱动芯片选用L298N实现对电机调速、正反转的控制。
该系统运动控制包括电机控制和舵机控制两部分。电机控制如图5所示，PWM1，PWM2用于控制电机的转速，IN11，IN12，IN21，IN22用于控制电机正反转。舵机控制电路简单，外接有3根线，红色为电源线，黑色为地线，另外一个为PWM信号输入线。两者的主要控制信号是PWM信号，S3C2440A发送命令控制FPGA芯片输出占空比可调的PWM信号。舵机PWM信号的周期固定为20ms，脉宽分布在1～2ms之间，因此选定PWM信号频率为50Hz，占空比固定5％～10％之间。直流电机PWM信号频率选定10kHz，占空比可在0％～100％波动，当IN11＝1，IN12＝0，电机正转且转速随PWM1信号的占空比不同而变化，当IN11＝0，IN12＝1，电机反转且转速也随着PWM1信号占空比变化。
系统软件设计：
图像采集驱动开发：该系统图像采集模块硬件电路由CMOS图像传感器芯片和S3C2440A的CAMIF单元组成。为此在编写图像采集驱动程序时，就需要对图像传感器芯片的寄存器和S3C2440A的CAMIF单元的寄存器同时配置，否则就得不到正常图像。S3C2440A以I2C总线的方式对CMOS图像传感器芯片的寄存器进行配置。
在WinCE下，图像采集驱动是基于流接口设计的。首先在CIS_Init函数下对相机接口的寄存器进行配置，主要配置功能包括：设置相机接口输出时钟；设置图像输入输出格式；设置裁剪图像偏移量；设置帧缓冲区中图像像素大小；设置编码通道和预览通道帧缓冲区起始地址。然后S3C2440A以I2C总线方式对OV9650的寄存器进行配置，需要注意的是相机接口的配置功能要和OV9650的配置功能完全一致，否则采集不到图像，两者之间通信协议如图6所示。最后利用API函数CreateThread()创建中断服务线程。
中断服务线程函数负责具体的中断操作，在该线程函数内利用CreateEent()函数创建CAMIF单元的中断事件。然后调InterruptInitialize()函数将该中断事件与CAMIF单元的逻辑中断相关联。最后调用WaitForSingleObject()等待中断事件的到来，当中断到来时，将读取事件置位，在应用程序中即可利用ReadFile()函数读取YCbCr数据，为图像压缩提供数据源。
速度采集程序设计：速度传感器由红外反射式传感器和施密特触发器组成，经过施密特触发器整形后信号的频率与速度相关，通过测量该信号频率计算车模行驶速度。在WindowsCE中，API函数SetTimer()可以设置定时器编号和定时时间，当定时时间到达时，执行消息响应函数OnTimer。速度变采集流程如图7所示。调用SetTimer函数设置定时器初值，当外部中断EINT_19产生时，即一个脉冲信号到来，计数变量CNT加1，当SetTimer()函数设置的时间到来时，执行OnTimer()函数，该函数负责计算车模速度并将计数变量CNT清0。
计数变量CNT虽然与速度成正比关系，但它并不是真正的行驶速度，需要经过一定的数学转换，才能传送到远程监控端并显示。假设车模后轮直径为D，光栅编码盘黑白相间的个数为M，在定时时间T秒内记得脉冲个数为N，则车模行驶速度：
V = 3.14 D N T M
网络传输程序设计：该系统网络传输程序是基于TCP协议来实现的。S3C2440A组成的嵌入式设备作为服务器负责图像采集、速度采集、车模控制。服务器调用accept()函数等待客户端的连接请求，服务器端接收该连接请求后，双方就此建立了连接。客户端通过send()发送请求命令，服务器调用recv()函数接收该请求命令，通过命令解析来执行具体的操作，若收到图像采集命令，服务器端打开摄像头驱动，设置图像像素大小后，将采集到YCbCr数据进行JPEG的压缩并保存为。JPg格式的图片。然后将该图片发送到客户端，客户端将该图片在图像显示区域显示；若收到速度采集命令，服务器端打开定时器，打开外部中断EINT19，用于计数，当定时时间到后，将计数脉冲转换为以cm/s为单位的速度发送到客户端，客户端将采集到速度在速度显示区显示；若收到控制车模运行状态，如前进、后退、左转、右转，服务器端打开GPIO驱动，通过GPIO端口输出控制信号，控制FPGA输出占空比可调的PWM信号，即可控制车模的运行状态。
该设计在自制电路板板上进行了软、硬件的系统集成及测试。测试结果为：图像采集时钟24MHz；图像采集速度为30f/s；行同步频率为14.5kHz，图像采集像素为640x480；JPEG压缩比达到10：1；运动控制命令响应时间为5微秒，网络传输速率达10Mb/s。

Claims (6)

1.一种基于ARM和FPGA的智能小车监控系统，其特征在于：包括主控制模块、辅助控制模块、电源管理模块、图像采集模块、速度采集模块、网络传输模块、电机驱动模块、舵机驱动模块和电池监控模块，所述图像采集模块、速度采集模块和网络传输模块分别与主控制模块相连，电机驱动模块、舵机驱动模块和电池监控模块分别与辅助控制模块相连，所述电源管理模块为其他各部分供电。
2.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的智能小车监控系统，其特征在于：所述主控制模块采用ARM芯片，所述ARM芯片的型号为S3C2440A。
3.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的智能小车监控系统，其特征在于：所述辅助控制模块采用FPGA芯片，所述FPGA芯片的型号为EP2C5T144C8。
4.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的智能小车监控系统，其特征在于：所述图像采集模块选用OmniVision公司的CMOS图像传感器OV9650。
5.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的智能小车监控系统，其特征在于：所述网络传输模块选用高速以太网接口芯片DM9000A。
6.根据权利要求1所述的基于ARM和FPGA的智能小车监控系统，其特征在于：所述速度采集模块由红外传感器和脉冲整形电路组成。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108307160A (zh) * 2018-03-30 2018-07-20 南京邮电大学 可移动式视频监控系统
CN114509965A (zh) * 2021-12-29 2022-05-17 北京航天自动控制研究所 一种复杂工况下的通用异构机器人控制平台

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