基于Cortex－M4和FreeRTOS的礦用三維激光掃描測量系統設計

楊斐文，張 達，楊小聰，崔 昊

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京 100160）

基于Cortex－M4和FreeRTOS的礦用三維激光掃描測量系統設計

楊斐文1，2，張 達1，2，楊小聰1，崔 昊1，2

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京 100160）

為了滿足礦用三維激光掃描系統的需求，設計了基于Cortex－M4內核和嵌入式實時操作系統FreeRTOS的運動控制和數據采集系統。采用Cortex－M4為內核的STM32F407ZGT微控制器和APM電機控制器等進行相關的硬件電路設計，通過移植FreeRTOS內核實現對運動控制、激光傳感器數據采集、攝像頭視頻傳輸等任務的調度和對其他硬件資源的管理，簡化了硬件設計的復雜度，優化了軟件編程，提高了系統的實時性和可靠性，降低了成本。

礦用三維激光掃描測量系統；FreeRTOS；Cortex－M4

礦用三維激光掃描系統具有測量精度高、距離遠、觀測效率高、非接觸等優點，已經成為礦山井下空區變形安全監測、采場爆破前與爆破后形態探測的重要手段［1］。由于本系統涉及伺服電機的運動控制、激光測距傳感器的數據采集、傾角傳感器的數據采集、攝像頭的視頻圖像傳輸、設備與終端之間的通信等多重任務，必須保證各任務的實時性，同時簡化硬件電路的設計方案，降低軟件開發的難度，保證系統的可靠性和穩定性。綜合以上多種因素，最終選用內核是Cortex－M4的處理器，同時移植源碼公開的免費的嵌入式實時操作系統FreeRTOS［2］。

1 系統工作原理及整體方案

礦用三維激光掃描系統通過電機控制器控制一臺橫向動力電機和一臺縱向動力電機，帶動激光測距模塊在空間中旋轉，激光測距模塊返回被測點的距離值，并通過2臺電機的編碼器獲取的角度值，確定出被測點在空間中的位置。電機旋轉的時候，激光測距模塊測量不同方位的點的距離值，形成三維空間的點云數據，進而形成被測物體的三維模型。2只傾角傳感器可以確定礦用三維激光掃描系統的初始位置；攝像頭用來輔助測量人員安裝設備，避免激光頭磕碰到被測物體；以太網實現本系統與手持終端之間的數據通信。該系統的整體方案見圖1。

圖1 礦用三維激光掃描系統整體方案

本系統選擇高性能、低成本的采用Cortex－M4內核的STM32F407芯片，主頻168 MHz，帶有2個CAN接口和1個攝像頭接口，能夠支持以太網，帶4路高速串口，內嵌1MB的Flash，硬件資源非常豐富［3］。同時，采用小型化的APM集成運動控制器，通過CAN通信的方式，實現對2臺電機的控制，降低運動控制的復雜度。

2 系統硬件設計

2.1 Cortex－M4與APM的通信接口設計

本系統采用的STM32F407ZGT芯片，內嵌2個支持CAN2.0B協議的CAN控制器，只需在每個CAN口外接1個CAN收發器，即可實現與電機控制器APM的CAN通信。同時，由于本系統的各個CAN設備之間的通信距離非常短，不需要做CAN隔離，直接將NXP公司的CAN收發器TJA1050接在STM32F407ZGT的CAN控制器上即可。

2.2 激光測距模塊接口設計

本系統選用的激光測距模塊的輸出信號是標準232信號，但STM32F407ZGT的高速串口是TTL信號，需用1片SP3232E將2種不同電平信號進行轉換。

2.3 攝像頭接口設計

本系統選用的攝像頭是OV7670模塊，它有八根數據線，其接口見圖2。它可以直接與STM32F407ZGT的攝像頭接口DCMI連接［4］。

圖2 OV7670攝像頭接口

2.4 傾角傳感器接口設計

本系統采用的傾角傳感器模塊輸出的是標準485信號，只需要使用一片SN65HVD06D高速收發器，即可實現傾角傳感器和STM32F407ZGT的高速串口之間的電平轉換。同時，2只傾角傳感器并接入485總線，共同使用1個SN65HVD06D高速收發器。

2.5 以太網接口設計

主控制器STM32F407ZGT內嵌以太網控制器，只需在外部接一片低功耗、高性能的DP83848C芯片作為10M/100M以太網PHY芯片，采用RMII接口與處理器STM32F407連接即可實現以太網的通信［4］。

3 系統軟件設計

FreeRTOS作為開源的輕量級實時性操作系統，不僅實現了基本的實時調度、信號量、隊列和存儲管理，而且在商業應用上不需要授權費，它的主要功能包括以下幾點：①優先級調度、相同優先級任務的輪轉調度，同時可設成可剝奪內核或不可剝奪內核；②任務可選擇是否共享堆棧，并且沒有任務數限制；③ 消息隊列，二值信號量，計數信號量，遞歸互斥體；④時間管理；⑤內存管理［5］。

FreeRTOS 的 實 現 主 要 由 list.c、queue.c、croutine.c和tasks.c4 個文件組成［6］。list.c是一個鏈表的實現，主要供給內核調度器使用；queue.c是一個隊列的實現，支持中斷環境和信號量控制；croutine.c和task.c是兩種任務的組織實現。對于croutine，各任務共享同一個堆棧，使RAM 的需求進一步縮小，但也正因如此，他的使用受到相對嚴格的限制。而task則是傳統的實現，各任務使用各自的堆棧，支持完全的搶占式調度。

3.1 FreeRTOS在STM32F407ZGT上的移植

由于FreeRTOS支持ST公司的Cortex－M4芯片平臺，所以STM32F407ZGT移植FreeRTOS時，可以基于ST官方函數庫，再做少許修改即可。本系統采用官網下載的FreeRTOS7.6版本，主要修改以下3個文件：①portmacro.h，根據使用的編譯器Real View MDK 對數據類型進行定義［7］；②FreeRTOSConfig.h，設置與架構相關的定義，如處理器頻率、心跳次數、遞歸互斥功能、計數器型信號量功能、改變任務優先級、協程公用堆棧等；③list.c，增加包含 Cortex－M4內核文件的頭文件core＿cmInstr.h。

3.2 任務調度器啟動之前的初始化操作

圖3是本系統主程序流程圖，主要用來在FreeRTOS的任務調度器啟用之完成初始化工作，主要包括以下幾點：①芯片各硬件端口的的初始化，包括GPIO、2個CAN控制器、DCMI攝像頭接口、485端口、以太網控制器、高速 UART等；②在FreeRTOS中創建程序所用到的隊列；③在FreeRTOS中創建程序所用到的各個任務；④在FreeRTOS中啟動任務調度器。

3.3 任務函數設計

根據FreeRTOS的任務的設計原則，在設計任務函數時需要將重要性高、實時性要求高的任務設為高優先級，執行時間長的任務設置為優先級低［8］。同時，任務之間的通信必須通過隊列來實現，且同一時刻只能有1個任務訪問硬件資源。

本系統的軟件采用C語言編寫，模塊化設計方法使每一個任務都獨立開來，方便后期的程序開發、調試、維護。本系統設計的主要任務包括：①CAN1電機控制任務，實現對大電機的運動控制、編碼器數據采集；②CAN2電機控制任務，實現對小電機的運動控制、編碼器數據采集；③UART4控制任務，實現對激光測距傳感器的數據采集；④DCMI控制任務，實現對攝像頭的控制；⑤485控制任務，實現對2路傾角傳感器的數據采集；⑥以太網通信任務，實現對攝像頭采集的視頻數據的傳輸。

圖3 主函數程序流程圖

4 應用試驗

本文設計的基于Cortex－M4內核和嵌入式實時操作系統FreeRTOS的礦用三維激光掃描系統的掃描頭已完成樣機的設計。它通過8芯線纜與外置電源箱相連，電源箱內置WiFi模塊，用戶通過手持PDA給設備發送命令，使其開始掃描，掃描完成后通過上位機對采集的點云數據進行處理。通過測試過程中不斷修改完善程序，目前該系統已基本實現全部功能。

5 結論

本文詳細介紹了采用Cortex－M4為內核的STM32F407ZGT控制器，搭配FreeRTOS嵌入式實時操作系統的礦用三維激光掃描系統的設計與實現。利用STM32F407ZGT豐富的硬件資源和ST公司完善的函數庫，簡化了系統的硬件設計，且便于提高系統的性能和外設的擴展。同時，在STM32F407ZGT平臺上移植了嵌入式實時操作系統FreeRTOS，使系統運行更加穩定，實時性更強。

礦用三維激光掃描測量系統可應用于采空區充填輔助設計、采礦量計量、采礦超挖欠挖分析、輔助應急救援、采空區頂板及巷道安全分析、礦柱回采輔助設計等，在礦山行業具有廣泛應用前景［9］。

［1］楊斐文，陸得盛，張達，等.基于礦用三維激光掃描系統的CAN總線傳輸協議研究［J］.有色金屬：礦山部分，2013，65（5）：4－6.

［2］BARRY R.Using the FreeRTOS real time kernel［M/OL］.［2011－01－08］http：//www.FreeRTOS.org/Documenttation.

［3］STM32F4芯片手冊［R/OL］.http：//www.st.com.

［4］神州王STM32F407FZGT用戶手冊［R/OL］.http：//www.armjishu.com

［5］宋華魯，閆銀發，張世福，等.基于STM32和FreeRTOS的嵌入式太陽能干燥實時監測和控制系統設計［J］.現代電子技術，2013，36（23）：105－106.

［6］呂成興，劉軍禮，劉波，等.基于Contex－M3和FreeRTOS的數據采集系統設計［J］.中國水運，2011，11（12）：86－87.

［7］孫偉，陳楊，張明偉，等.基于ARM CM3和RTOS的礦用電磁調速電機控制器軟件設計［J］.煤礦機械，2014，35（9）：236－237.

［8］謝鵬程.基于STM32和FreeRTOS的獨立式運動控制器設計與研究［D］.廣州：華南理工大學，2012.

［9］余樂文，張達，余斌，等.礦用三維激光掃描測量系統的研制［J］.金屬礦山，2012（10）：106－107.

Design of the 3D laser scanning and measuring system for mining based on Cortex－M4 and FreeRTOS

YANG Fei－wen1，2，ZHANG Da1，2，YANG Xiao－cong1，CUI Hao1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China；2.Beijing Metal mine mining Key Laboratory of Intelligent Technology，Beijing 100160，China）

We designed a system of motion controlling and data acquisition based on Cortex－M4 kernel and embedded FreeRTOS，in order to meet the needs of 3D Laser Scanning System for Mining.The related hardware circuits were designed by using STM32F407ZGT micro－controller which consist of Cortex－M4 core and APM motor controllers.It achieved management of hardware resources and schedule of some tasks through transplant FreeRTOS，such as motion control，data acquisition of a laser sensor，video transmission of a camera，etc.This system simplified the complexity of hardware design，optimized software performance，improved reliability of the system and reduced costs.

3D laser scanning and measuring system for mining；FreeRTOS；Cortex－M4

楊斐文（1983－），男，工程師，碩士，檢測技術與自動化裝置專業，主要從事礦山領域智能化儀器的硬件、軟件的研發工作。

TD17

A

1004－4051（2014）S2－0316－03

2014－07－20

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目“地下金屬礦智能采礦爆破技術與裝備”資助（編號：2011AA060405）；國際合作項目“金屬礦深井開采安全智能化監控技術合作研究”資助（編號：2011DFA71990）。