基于ARM和FPGA的智能小車監控系統

摘 要:為了解決PC監控系統中監控范圍有限、不可移動的弊端，提出一種基于ARM和FPGA的智能小車監控系統。該系統利用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。測試結果表明，該系統實現了本地圖像采集并通過網絡傳輸到遠程監控端，遠程監控端根據傳輸的圖像來控制智能小車的運動。該系統功能擴展容易，設計成本低，上市時間快，功耗低。關鍵詞:ARM; S3C2440A; FPGA; 圖像采集; 智能小車

中圖分類號:TN911-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0059-04

Monitoring System of Intelligent Car Based on ARM and FPGA

CHEN Su-hua1， FANG Xu2， SI Hong-chang3

(1. College of Electrical Information Engineering， Xuchang University， Xuchang 461000， China; 2.Xuji Metering Limited Company， Xuchang 461000， China;

3.School of Electronic and Information Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China)

Abstract: An intelligent car monitoring system based on ARM and FPGA is presented to solve the drawbacks which the monitoring extent is limited and irremovable in PC monitoring system. The ARM chip S3C2440A is used to control the module of image acquisition， network transmission， and speed collection with a small interference， the FPGA chip is used to control the module of motor driving， servo control and power collection with a large interference. The local image acquisition is realized， and is transported to remote monitoring terminal which control the movement of intelligent car through image. The system has characteristics of easy function extension easily， low design cost and low power consumption.

Keywords: ARM; S3C2440A; FPGA; image acquisition; intelligent car

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[1]。

本文介紹的智能小車可移動視頻監控系統，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 系統總體設計

該系統采用三星公司的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 CE 5.0操作系統。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[2]。

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、固態繼電器以提高系統的抗干擾能力。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[3]。該系統具體組成如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

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(serial 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[4]。

圖1 系統組成框圖

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。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。

圖2 S3C2440A與OV9650連接圖

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.601/656 YCbCr  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JPEG，MPEG-4，H.263等編碼器提供圖像數據的輸入。

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用作接收發送的FIFO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S3C2440A連接以太網的需要，該系統選用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)。

圖3 CAMIF單元內部結構

圖4 S3C2440A與DM900A連接圖

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實現對電機調速、正反轉的控制。

該系統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發送命令控制FPGA輸出占空比可調的PWM信號[5]。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。

圖5 電機控制電路

3 系統軟件設計

3.1 圖像采集驅動開發

該系統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[5-6]。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;設置幀緩沖區中圖像像素大小;設置編碼通道和預覽通道幀緩沖區起始地址。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，兩者之間通信協議如圖6所示[7]。最后利用API函數CreateThread()創建中斷服務線程。

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()函數創建CAMIF單元的中斷事件。然后調用InterruptInitialize()函數將該中斷事件與CAMIF單元的邏輯中斷相關聯。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。

圖6 S3C2440和OV9650通信協議

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器組成，經過施密特觸發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SetTimer( )函數設置的時間到來時，執行OnTimer( )函數，該函數負責計算車模速度并將計數變量CNT清0。

圖7 速度采集軟件流程圖

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:

V=3.14DNTM

3.3 網絡傳輸程序設計

該系統網絡傳輸程序是基于TCP協議來實現的。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[8]。客戶端通過send( )發送請求命令，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。然后將該圖片發送到客戶端，客戶端將該圖片在圖像顯示區域顯示;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為單位的速度發送到客戶端，客戶端將采集到速度在速度顯示區顯示;若收到控制車模運行狀態，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。

客戶端負責發送控制車模、圖像采集、速度采集的命令，然后將服務器端發送過來的圖像、速度信息進行顯示?？蛻舳说谋O控界面如圖8所示。

圖8 客戶端監控界面

遠程地址欄輸入服務端IP地址，點擊“創建連接”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送。

4 結 語

該設計在自制電路板板上進行了軟、硬件的系統集成及測試。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5 μs，網絡傳輸速率達10 Mb/s。

參考文獻

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[2]王朝盛.基于16位單片機MC9S12DG128B智能車系統的設計[D].天津:天津工業大學，2007.

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[4]FIERRO R， LEWIS F L. Control of nonholonomic mobile robot using neural networks[J].IEEE Transactions on Neural Networks ， 1998， 9(4) 589-600.

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[7]OmniVision Technologies Inc.OV9650 color CMOS SXGA(1.3 MegaPixel)camera chip datasheet[EB/OL]. 2004-12-07.http://www.dragonwake.com/download/armq-download/ov9650.pdf.

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[9]王龐偉，夏路易.基于S3C2440A和Win CE的嵌入式導航系統設計[J].現代電子技術，2009，32(12):31-32.