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1、Tsinghua Freescale Embedded System Center www.tsinghua- by Zeng, Ming Tsinghua Freescale Embedded System Center www.tsinghua- by Zeng, Ming Gong, Guanghua Kinetis K10 在智能车中的应用 清华Freescale应用开发研究中心 于昊 2011年12月 Kinetis K10 在智能车中的应用 n 基本篇 n 智能车的基本架构 n 智能车的设计目标与需求 n K10与XS128智能车相关特性比较 n K10应用的注意事项 n 进
2、阶篇 n K10的DMA控制器在CMOS读出中的应用 n K10的DSP功能的应用 智能车的基本架构 智能车的基本架构 智能车的基本架构 智能车的基本架构 n 传感器 摄像头(CCD,CMOS)，光电管，电感线圈，码盘， 加速度传感器，陀螺仪 n 执行器 舵机，电机，激光管，底盘，车轮 n 人机交互设备 按键，旋钮，显示屏，SD卡，无线模块，串口， 调试器 智能车的设计 目标 n 完成比赛用时最短 n 传感器 n 看赛道更远 n 看赛道更精确 n 看赛道更详尽 n 看赛道更稳定 n 姿态测得更准确 n 测量速度更快 智能车的设计 目标 n 执行器 n 驱动电机能力更强 n 舵机响应更快与扭矩更
3、大 n 车轮抓地更好 n 整车更轻 n 重心位置更合理 n 车身机械特性更好 智能车的设计 目标 n 人机交互设备 n 尽可能详尽的得到信息 n 尽可能实时的得到信息 n 尽可能快得传出信息 n 尽可能方便的传入信息 n 算法 n 分析传感器信息，做出正确决定 对控制器的需求 n RAM足够大 n CPU处理能力够强 n 最好有非易失存储器 n 读写外设模块尽可能快 n 读写外设模块尽可能不占用CPU时间 n 有一定的模拟量处理功能减小片外信号处理的要求 K10与S12XS128比较 K10(K10N512VLL100)XS128(MC9S12XS128MA A) 封装LQFP100(14mm
4、*14mm ) QFP80(14mm*14mm) 可用IO7059 FLASH512kbyte128kbyte RAM128kbyte8kbyte 非易失存储无8kbyte Dflash CPU类型ARM Cortex-M4HCS12X CPU最大速度100M40M 完整并行IOPTC0-15，PTD0-7PTA0-7，PTB0-7， PTT0-7 K10与S12XS128比较 K10(K10N512VLL100)XS128(MC9S12XS128MA A) UART62 SPI31 I2C20 Input Capture输入捕捉Flex Timer模块，有硬件 16bit计数器，至少8通道
5、通过中断计数，8通道 PWMFlex Timer模块，至少8 通道16bit 4通道16bit SD卡控制器有无 外部中断所有IO都可触发中断部分IO可触发中断 DMA控制器56个源，16通道无 K10与S12XS128比较 K10(K10N512VLL100)XS128(MC9S12XS128MA A) ADC通道数4组差分输入，24个单 端 8个单端输入 ADC精度16bit12bit ADC最大速度460ksps/16bit, 818ksps/13bit 415ksps/12bit ADC特殊功能可编程增益的放大器 (PGA) 硬件平均功能(hardware average functi
6、on) 无 DAC12bit/2通道无 模拟比较器3通道无 可编程基准电压输 出单通道1.2V/6bit无 K10与S12XS128比较 K10(K10N512VLL100)XS128(MC9S12XS128MA A) 开发环境CW10.1CW5.1 调试器JTAGBDM 用K10的注意事项 n K10供电是1.7V-3.6V n 很多外设是5V供电 n K10的IO是可以耐受5V电压的，因此5V的外设输出高电平 信号，K10是能正常接收不出问题的。 n K10在3.3V下低电平输入上阈是1.16V，XS128在5V下低电 平输入上阈是1.75V，标准TTL输出低电平上限是0.4V， 5V供电
7、的CMOS输出低电平上限0.5V。 n 5V外设输出低电平到K10时可能会有问题，在有噪声时相 对更容易误触发。 用K10的注意事项 n 如果有问题可以通过电阻分压来简单解决。 用K10的注意事项 n 同理，K10向5V外设输出低电平信号是没有问题的，高电 平可能会出现问题。 n 在3.3V下K10输出高电平下限是2.8V，在5V下的XS128输 出高电平下限是4.2V，标准TTL输入高电平下阈是2V，5V 供电的CMOS输入高电平下阈是3.5V。 n K10和TTL电平的外设通信只会遇到噪声的问题，与 CMOS电平的外设就没法通信了，必须进行电平转换。 用K10的注意事项 n 可以用三极管进
8、行简单的电平转换。 用K10的注意事项 n 在高速信号或者双向传输情况下要使用专用的电平转换芯 片，如MAX3373，转RS232的话可用MAX3232. DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 n 实验对象是基于ov7620芯片设计的数字摄像头hq7620，为 1/3英寸CMOS摄像头，像素为640480像素，输出8位图像 信号，帧速率为60fps，并提供场同步、行同步以及像素时 钟等多路同步信号。 DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 n 信号波形 DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 n 其中帧同步信号为60Hz，宽度。每一周期有240个行同步 信号。 n 行同步信号正频宽47.4u
9、s，负频宽16.15us，每一周期有 640个时钟信号。 n 时钟信号周期为74ns。 n 数据总线宽度8bit。 DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 n 如何采集？ n 在不用外加硬件处理情况下，只能直接通过IO口读取。 n 在行同步信号触发中断后，不断的读取IO信息到内存。 n 受限于内存和读取IO速度，XS128单片机只能隔几行采集 一行的数据，隔几帧采集一帧的数据。 n XS128在32M的CPU时钟下，用汇编以最优的方法来写读 IO的程序，在一行能采到120个点左右。 n 若采集所有帧所有行，RAM空间不够大，CPU占用率会接 近90%。
10、n K10来做图像采集有什么好办法?使用DMA控制器。 DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 n DMA(Direct Memory Access)，直接内存访问，是一种不 经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。在 DMA模式下，CPU只须向DMA控制器下达指令，让DMA 控制器来处理数据的传送。 n K10的DMA功能主要由两个功能模块实现， DMAMUX(Direct memory access multiplexer)和eDMA(The enhanced direct memory access controller) DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 DMA控制器在CM
11、OS图像读出中的应用 DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 n 为了方便理解，做了DMA工作的简化框图 DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 n 用DMA模式读摄像头数据的结构框图 DMA控制器在CMOS图像读出中的应用 n 实测结果 n 在64MHz的CPU时钟下，摄像头以60Hz输出的每帧图像都 能采得，一帧图像采集240*160个点，即采下了所有行， 每行采集160个点，总共占用38.4kbyte内存空间。 n 完成图像采集工作，CPU占用率仅有11% K10的DS
12、P功能的应用 n K10使用ARM Cortex-M4的核，具有1.25DMIPS/MHz的运 算能力，突出特点是加入了一些支持数字信号处理（DSP ）的指令。 n Cortex-M4核具有一个单时钟周期乘法累加（MAC）单 元、优化的单指令多数据（SIMD）指令、饱和运算指令 和一个可选的单精度浮点运算单元（FPU）。 n 单时钟周期乘法累加（MAC）单元可以大大提高FFT变换 及数字滤波的执行效率。 n 在用DMA进行图像采集节省大量CPU时间之后，K10的 M4的核使进行复杂的图像处理算法变得有可能。 K10的DSP功能的应用 n 如何使用Cortex-M4的核应该是编译器的事情。 n 在IAR6.21(IAR Embedded Workbench IDE)软件下找到了专 门为ARM Cortex-M4设计的数字信号处理的库，使用这个 库里的函数，编译器在编译时会根据M4的核进行优化。 n 库的位置在IARARMarmCMSISDSP_LibSourceIAR n 提供了16位、32位整数、浮点数的一些复杂运算，包括 FIR 滤波器、FFT、反FFT等函数。 n 欢迎提问 谢谢谢谢