基于ARM的智能探测小车的设计与实现硕士论文.doc

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1、I 硕士专业学位论文 论文题目基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现 研究生姓名 指导教师姓名 专业名称 研究方向 论文提交日期 基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现中文摘要 I 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完

2、全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 中文摘要基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现 II 基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现 中文摘要 随着国人在嫦娥工程的初步成功和逐步深入，月球探测器的设计一直吸引着众 多科学工作者的关注。智能探测小车属于机器人的范畴，它融合了先进的嵌入式技 术

3、、传感器技术、电子电气、路径规划、人工智能和自动控制等技术。机器人车应 用领域广泛，包括自动驾驶、反恐、核电站维护、未知区域探测、无人工程产品运 输等等，机器人控制技术的发展必将对人们的生产和生活产生深远影响。 课题旨在设计一款具有良好可扩展性，模块化的教育型智能探测小车控制平台， 使其既能够满足大专院校学生开展机器人比赛的要求，同时又能成为嵌入式课程开 发和项目研究的平台。本文以 ARM9 处理器和 Linux 操作系统为基础构建了智能探 测小车控制平台的软硬件系统。 本文通过分析国内外机器人的研究现状，设计实现了一种低功耗、高性能嵌入 式微处理器和嵌入式操作系统相结合的智能探测小车控制系统

4、。智能探测小车包括 视嵌入式核心模块、主控模块、电机驱动模块、红外寻迹模块、测温模块、摄像头 模块、无线通信模块等。 具体内容如下： 阐述了智能探测小车的应用价值和研究意义，并详细的描述了智能探测小车的 体系结构。概述了基于 ARM 的智能探测小车控制系统结构。 设计了基于 ARM 的智能探测小车控制系统的硬件平台。对核心板、主控板、 稳压电源、电机驱动、红外寻迹、温度测量、串口通讯、LED 和蜂鸣器以及其他扩 展接口等硬件电路分别给出了详尽的设计方案。依据 PCB 设计的原则、抗干扰措施， 自行设计了印刷电路板(PCB)。 设计了基于 ARM 的机器人小车控制系统的软件平台。先将 Linux

5、 操作系统的 启动代码、内核和文件系统移植到 S3C2440A 上。在 Linux 系统中编写相应的设备 和接口驱动程序，编写了控制系统主程序群、图像采集程序群和温度测试程序等应 用程序。 基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现中文摘要 III 设计了上位机监控软件、相关通信协议和数据传送格式。论述了红外寻迹处理 中的 PD 变尺度增量控制算法，图像处理中的灰度二值化算法以及温度测试中的环 境温度补偿等问题的解决策略。测试结果表明，在该控制系统下，智能探测小车具 有良好的位置跟踪和图像采集处理性能。 关键词：ARM、智能探测、Linux、寻迹、图像处理、温度补偿、位置跟踪 作作 者：者：王

6、栋 指导教师：指导教师：陈 蕾 AbstractARM-based intelligent detection of car design and implementation IV ARM-based intelligent detection of car design and implementation Abstract With our initial success in the goddess of the project and gradually, the design of the lunar probes has been drawing large number of

7、scientific workers. Intelligent detection of the car belongs to the category of the robot, the embedded space technology and advanced technology, electrical sensor, the path planning, Artificial intelligence and automatic control and technology. Car in the area of robotics applications, including au

8、topilot and nuclear terrorism, maintenance, the area is detected, the transport and control products, robot development of the people will in the production and life has profound implications. Project aims to design a good scalable, modular intelligent exploration of education car control platform.

9、it is able to meet the tertiary students to carry out a robot the game demands, and became embedded curriculum development and research on the platform. In this paper, ARM9 processor and the Linux operating system for the car was constructed by intelligent control software and hardware detection sys

10、tem. This paper analyzes the status of domestic and international research robot designed and implemented a low-power, high-performance embedded microprocessors and embedded operating system combines intelligent detection of car control system.Visit Intelligent detection of the car including looking

11、 at the embedded key module, top management module, electrical machinery urge module, infrared to seek mark module, examine warm module, lens module, wireless communication module,etc The concrete content is as follows: Describes the application of intelligent detection of car value and significance

12、, and a detailed description of the architecture of intelligent detection of car. Overview of ARM- based intelligent detection of car control system structure. ARM-based design of probe car control system of intelligent hardware platform. To ARM-based intelligent detection of car design and implemen

13、tationAbstract V the key board, top management board, steady voltage plug, electrical machinery urge, not infrared to seek mark, temperature survey, bunches of mouthfuls of communication, LED and buzzer and other expansion interface,etc. circuit of hardware provide the exhaustive design plan respect

14、ively. The principle designed according to PCB, anti-interference measure, have designed the printed circuit board (PCB) by oneself. ARM-based robot designed car control system software platform. Start Linux operating system code, kernel, file system transplant S3C2440A to first. Write the correspon

15、ding apparatus and interface driver in Linux system, gather procedure group and temperature and test application program such as the procedure after writing main program group of control system, picture. Design, go location plane control software, relevant communication protocol and data transmissio

16、n form. Expound the fact infrared to seek mark PD deal with, turn into yardstick increment control algorithms, settlement tactics in problems such as the environmental temperature compensation in two value algorithms and temperature of grey level in pattern process are tested,etc Test result indicat

17、e, under control system this, Intelligent detection of the car have good position follow with the picture gathering the performance of punishing. Keywords：ARM, Intelligent detection, Linux, Seeking the mark, Pattern process, Temperature Compensation, Position to follow Written by WANG Dong Supervise

18、d by CHEN Lei 目 录 第一章 绪论1 1.1 引言1 1.2 选题依据及研究意义2 1.3 本课题的主要目的与工作3 第二章 嵌入式系统与智能探测小车的总体概述5 2.1 ARM 硬件开发平台 5 2.1.1 ARM 处理器的体系和结构5 2.2 ARM 操作系统 7 2.2.1 常见的 ARM 操作系统.7 2.2.2 选择 Linux 操作系统的原因8 2.3 基于 ARM 的嵌入式系统设计方法.9 2.4 基于 ARM 的智能探测小车.10 2.4.1 智能探测小车系统层次结构10 2.4.2 系统软硬件组成11 2.4.3 智能探测小车的整体介绍12 2.5 本章小结 1

19、3 第三章 智能探测小车控制系统硬件平台架构14 3.1 总体设计 14 3.2 智能探测小车控制系统硬件电路设计14 3.2.1 智能探测小车核心板设计14 3.2.2 主控板电路模块设计17 3.2.3 稳压电源电路模块设计21 3.2.4 寻迹电路模块设计23 3.2.5 电机驱动电路模块设计26 3.2.6 温度探测电路模块设计28 3.2.7 串口通讯电路设计29 3.2.8 LED、蜂鸣器电路设计30 3.3 印制电路板的设计 30 3.3.1 印制电路板的设计原则31 3.3.2 PCB 及电路抗干扰措施.31 3.3.3 PCB 设计版图.32 3.4 硬件调试35 3.5 本

20、章小结 35 第四章 智能探测小车控制系统软件平台架构36 4.1 嵌入式开发环境的构建36 4.2 智能探测小车系统启动代码、内核和文件系统的烧写37 4.3 控制系统应用程序设计41 4.3.1 控制系统主程序设计41 4.3.2 图像采集处理程序设计45 4.3.3 温度测试程序设计48 4.4 服务通信协议与数据格式48 4.4.1 服务通信协议48 4.4.2 命令与数据格式50 4.5 本章小结 52 第五章 智能探测小车控制策略研究与实验53 5.1 网络配置与上位机监控软件53 5.2 智能探测小车红外寻迹策略研究54 5.2.1 误差检测方法54 5.2.2PD 变尺度增量控

21、制算法.55 5.3 智能探测小车图像采集处理策略研究59 5.3.1 灰度图像二值化算法59 5.4 智能探测小车温度采集策略研究60 5.4.1 环境温度测量60 5.4.2 目标温度测量61 5.5 智能探测小车测试实验63 5.6 本章小结 65 第六章 结束语与展望66 6.1 结束语 66 6.2 展望 66 参考文献68 攻读硕士学位期间公开发表的学术论文70 致 谢71 基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 嫦娥奔月是几千年前中国人给月亮编织的一个美丽的故事。古往今来，我国对 探索月球有着矢志不渝的追求。2004 年，中国正式开展

22、月球探测工程，并命名为 “嫦娥工程”，直到“嫦娥一号”的奔月成功，国人的梦正一步一步地走向实现。 今年的国庆，中国让世界再次瞩目这一天， “嫦娥二号”卫星从“月亮城”西昌 腾空而起，准确进入预定轨道。美国媒体在嫦娥二号发射当天即用大量文字和图片 报道中国月球探索历程；新加坡联合早报将中国的嫦娥二号和西方发射的探月 卫星进行了比较，认为嫦娥二号只用 112 小时便能进入月球轨道，比欧洲和日本探 月卫星的速度都要快。更让人振奋的是“嫦娥二号”在飞行 180 余小时后，在 10 月 9 日上午 11 时 32 分正式进入轨道高度为 100 公里、周期为 118 分钟的圆形环月“使命 轨道”。这代表着

23、， “嫦娥二号”任务已基本取得成功。如图 1.1 所示本次嫦娥二号卫星 发射的主要任务。 图1.1 嫦娥二号探月任务 “嫦娥二号”的成功发射标志着开展月球探测工作是我国迈出航天深空探测第一 步的重大举措。实现月球探测将是我国航天深空探测零的突破。月球已成为未来航 天大国争夺战略资源的焦点。月球具有可供人类开发和利用的各种独特资源，月球 第一章 绪论基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现 2 上特有的矿产和能源，是对地球资源的重要补充和储备，将对人类社会的可持续发 展产生深远影响。 1.2 选题依据及研究意义 “嫦娥工程”是分阶段实施的“三步走” ，三阶段都采用无人自动探测，可用“绕、 落、回

24、”来简单概括： 第一期工程叫“绕” 即发射一个月球探测器，围绕月球轨道靠近月面进行探测， 包括对月球影像的拍摄，对近月表面情况（成分、月壤厚度等）的探测，以及对月 地之间环境的探测等。这个探测器 2007 年就已经发射。 第二期工程叫“落” 即发射一个月球探测器，着陆在月球表面上，再从这个月球 着陆探测器上释放出一个探月车，在月球表面上行走探测。如果申报获批，该工程 预计在 2012 年前后进行（本文所研究设计的智能探测小车即为了模拟第二期工程中 降落在月球表面的探测器） 。 第三期工程叫“回” 即发射一个月球着陆器着陆在月球表面，但这个着陆器与上 一期“落”阶段的月球着陆器不一样，它还带有返

25、回的功能。这个月球着陆器落在月 球表面就位探测后，再将从月球上所取的样品放回到返回器上，返回器最终把样品 带回地球。 “回”的技术水平更高、更复杂，预计在 2017 年左右进行。 等到这“三步走” 走下来，我国接着就将开始中华民族千年梦想的载人登月计划， 并有可能与有关国家共建月球基地。甚至还有航天专家预想，我国将在 2014 年 2033 年间实现无人火星探测，2040 年2060 年实现载人火星探测1。 在航天深空探索上，美国人有着全世界最好的技术和经验。2003 年，美国宇航 局发射“勇气”号和“机遇”号火星车执行火星探索任务。2004 年 1 月，两辆火星车在 火星的不同区域着陆。迄今

26、为止，它们已在火星表面跋涉了 5 年多时间，以寻找这 颗星球过去是否有水的线索。根据最初的设计， “勇气”号和“机遇”号用来执行为期 90 天的火星探索任务，但这两个机器人最终上演了超龄服役的壮举。 “勇气”号是迄今美 国发射的最尖端的火星探测装置，其顶部的桅杆式结构上装有全景照相机及具有红 外探测能力的微型热辐射分光计。 “勇气”号成功实现了集通信、拍摄和计算等功能于 一身。火星车能够在火星上自主行驶：当火星车发现值得探测的目标，它会驱动六 基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现第一章 绪论 3 个轮子向目标行驶，在检测到前进方向上的障碍后，火星车会去寻找可能的最佳路 径。 本文所述的智能

27、探测小车，是类似火星车，以轮子作为移动机构、能够实现自 主行驶的一种机器人，它具有机器人的基本特征易于再编程。目前各国关于机 器人的定义都各不相同，在美国标准中，只有易于再编程的装置才认为是机器人。 智能探测小车不同遥控小车，后者需要操作员来控制其转向、启停和进退，比较先 进的遥控车还能控制其速度。常见的模型小车，都属于这类遥控车。而智能探测小 车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工 干预。操作员可以通过修改小车的计算机程序来改变它的行驶方式。 这种智能探测小车的另一基本特征是，依靠自动导航软件实现在一定道路条件 下的自动行驶，这是车辆的另一个基本特征。自寻迹

28、的智能探测小车，是一个集环 境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、 传感、信息、通信、导航、人工及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。智 能探测小车最适合在那些人类无法工作的环境中工作，因此这类机器人小车的研究 和开发对未来的工业和社会具有十分重要的意义。另外，智能探测小车的自动控制、 传感、通信等的研究将有助于车辆的研究，车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会 的进步带来巨大的影响2-5。 1.3 本课题的主要目的与工作 作者在研究生期间一直从事嵌入式专业的研究和教学工作，嵌入式行业的蓬勃 发展以及先进控制的理论成果使得对机器人的研究更具有挑战性。作者在从事

29、嵌入 式机器人的研究期间，曾带领学生参加过 IEEE 标准电脑鼠走迷宫、全国高职高专 技能大赛嵌入式产品开发等比赛。 在对智能探测小车的研究中面临的最大难题在于小车本身是一个独立的系统， 即机器人小车的“智能”在于它有自己的大脑，有自己的躯干，它不仅会思考而且要 有效的管理自己躯干的各个部件。而要进行思考和管理就必须要有可靠的控制算法， 但是常规的单一控制算法都不具备充当机器人小车更“智能”的条件。 另外智能探测小车是一个独立的控制系统，对硬件的要求随着系统功能的增加 第一章 绪论基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现 4 而增高，嵌入式控制系统电路的设计势必要满足简介、可靠、低功耗等要求。

30、目前 基于单片机的控制系统外围电路、可靠性、可扩展性普遍较差，如何设计一套电路 简单、性能可靠、功能齐全的嵌入式机器人小车硬件控制系统是另一个难题。由于 智能探测小车对控制以及精度的要求，控制系统的软件部分亦将变的庞大而复杂。 嵌入真正开放、资源丰富、扩展性强、能实时多任务管理的 Linux 操作系统成为首 选办法。 本文以 ARM920T 核控制芯片为控制器，用红外传感器识别路径，使用直流电 机进行转向控制和速度控制，使用 CMOS 摄像头来拍摄识别对象，使用无线网卡来 传输数据，使用协 Linux 操作系统来管理应用程序，使用上位机软件来控制小车启 停并接收反馈信号。研究红外寻迹的 PD

31、变尺度增量控制算法和图像处理的灰度二 值化算法。最终实现一个能够自动识别路径，自动控制稳定性，自动拍摄识别沿途 障碍标志物并自动传送图像参数的快速、安全、稳定的智能探测小车。为达到上述 目的，本课题主要对以下方面进行了工作: 1结合当前机器人发展状况、体系结构以及面临的主要技术问题，阐述了基于 ARM 嵌入式智能探测小车控制系统的结构，设计出了基于 ARM920T 的最小系统。 在大量的实验基础上设计了智能探测小车温度探测模块，电源模块，通信模块，控 制和执行模块等硬件电路。 2移植 Linux、内核、系统文件，编写智能探测小车底层物理驱动并在 Linux 操作系统的平台基础上编写调试智能探测

32、小车的应用程序。 3控制算法的研究与实现：结合红外传感器硬件排布的结构特点，本文设计了 自适应的扫描方法。对于红外寻迹本文实现 PD 变尺度增量控制算法并分析了的其 优劣。结合 CMOS 摄像模块的性能，采用了二值化算法对拍摄图像进行二值化，并 对数据结果分析后得到颜色和图像形状。 4通过对智能探测小车做的大量实验的前提下，本文给出了实验结果的数据比 较和分析，并对机器人小车的研究做了展望。 基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现第二章 嵌入式系统与智能探测小车的总体概述 5 第二章 嵌入式系统与智能探测小车的总体概述 2.1 ARM 硬件开发平台 什么是嵌入式系统（Embedded Sys

33、tem）广义地讲，凡是不用于通用目的的可编 程计算机设备，就可以算是嵌入式计算机系统。举例来说，个人计算机（PC）不是 一种嵌入式系统，因为它是用于通用目的的系统。而一些电话系统就是采用个人计 算机技术建立的嵌入式计算机系统，最典型的嵌入式系统如手机、可视电话等；另 外还有一些嵌入式系统采用特殊的微处理器，如传真机、打印机等。狭义上而言， 嵌入式系统是指以应用为核心，计算机技术为基础，软硬件可裁减，对功能、可靠 性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。一般的嵌入式系统的设计过程 是：从产品定义开始，接着进行硬件设计，然后将软件或操作系统移植到硬件上， 并且进行应用程序的开发，最后经过测试

34、与调试后即开始销售或使用。 根据 IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、 监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为 devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants） 。可以看出此定义从应用上考 虑，嵌入式系统是软件和硬件的综合体。 ARM 技术是嵌入式系统的一种，是全球微处理器行业中一家知名的企业，该公 司于 1990 年在剑桥大学成立，它是由苹果电脑、Acorn Computer Group 和 VLSI Technology 联合

35、成立的一家设计 32 位嵌入式 RISC 芯片内核的公司。如今， “ARM 嵌入式内核”已经被全球各大芯片厂商采用，基于 ARM 的开发技术也席卷了全球嵌 入式产品的市场，并成为嵌入式系统的主流技术之一6。 2.1.1 ARM 处理器的体系和结构处理器的体系和结构 ARM 构架诞生至今已经有过多次变革，每一次都在性能上得到了很大的提高， 目前 ARM 的架构有： (1) V1 构架（ARM1）：具有基本的数据处理指令（无乘法） ；字节、半字节、 字的 Load/Store 指令；转移指令；软件中断指令；64MB 的寻址空间。 (2) V2 构架（ARM2、ARM3）：增加乘法指令；增加支持协处

36、理器的操作；增 第二章 嵌入式系统与智能探测小车的总体概述基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现 6 加快速中断模式；增加 SWP/SWPB 的存储器和寄存器交换指令。 (3) V3 构架（ARM6）：增加 MRS/MSR 指令，可以访问新增加的 CPSR/SPSR 寄存器。增加了异常处理返回；寻址空间扩展到 4GB。 (4) V4 构架（ARM7、ARM9）：低功耗的 32 位 RISC 处理器，包括 32 位地址 线和数据线，具有 ICE 逻辑，调试开发方便；具有 16 位的 Thumb 指令集；主频高 达 130MIPS；完善了软件中断 SWI 指令。 (5) V5 构架（ARM10）

37、：具有带链接和交换的转移 BLX 指令；计数前导零 CLZ 指令；BRK 中断指令；增加了一些信号处理指令。 (6) V6 构架（ARM11）：增加了 SIMD 功能，为多媒体处理的应用系统提供优 化功能。 其中，ARM7、ARM9、ARM10，Intel 的 StrongARM 系列、Xscale 系列等属于 通用处理器系列，已经在很多领域大量应用。 ARM 是基于 RISC（Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机）7而 设计的，它与 CISC（Complex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机）在一些 地方有着很大

38、的区别。传统的 CISC 计算机随着计算机技术的发展不断地引入新的 复杂指令集，为了支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，但在这 些指令中，只有约 20%的指令会被反复调用，占程序代码的 80%；余下的 80%指令 不经常使用，在程序代码中占 20%，这就造成了浪费，显得设计不合理，而 RISC 则可以避免这些问题。 RISC 指令系统相对简单，能够满足大部分的功能需求，只要求硬件执行有限的 最常用的那部分指令，大部分复杂的操作使用成熟的编译技术由简单指令合成，这 使得计算机的执行效率得到提高。目前中高端的服务器普遍使用 RISC 指令集，把 重点放在了如何使计算机的结构更加简单合

39、理地提高运算速度。CISC 和 RISC 架构 各有其侧重点，现在出现了超长指令集计算机，融合了两只指令集的优势，成为未 来 CPU 发展的趋势之一。 基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现第二章 嵌入式系统与智能探测小车的总体概述 7 2.2 ARM 操作系统 2.2.1 常见的常见的 ARM 操作系统操作系统 在嵌入式应用中嵌入式操作系统已经大量存在，尤其在功能复杂、系统庞大、 要求较高的方案中显得越来越重要，可以说没有操作系统的计算机是没有用的，这 点在普通的台式电脑上大家都有深刻体会。操作系统管理整个硬件系统的运行，负 责各种资源的调配，充分发挥了32位CPU的多任务能力，是整个嵌入

40、式系统的灵魂。 目前有多种嵌入式操作系统，它们使得开发实时应用程序的设计和扩展变得容 易，不需要大的改动就可以增加新的功能，把应用程序分割为若干独立运行的模块， 使得程序的设计变得简化许多；对于实时性要求高的应用做到了快速响应和可靠处 理；使得整个系统的资源得到很好的管理和应用。常见的嵌入式操作系统有： (1) Vxworks Vxworks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操 作系统(RTOS)，具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境， 在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。Vxworks所具有的显著特点是:可 靠性、实时性和可

41、裁减性，而且它支持多种处理器，如x86、i960、SunSparc、 Motorola MC68xxx、MIPS、POWER PC等等。大多数的 Vxworks API是专有的，火 星机器人使用的就是Vxworks操作系统。 (2) WindowsCE WindowsCE 3.0是一种针对小容量、移动式、智能化、32位、连接设备的模块化 实时嵌入式操作系统。针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种 功能丰富的操作系统平台，WindowsCE嵌入式不够实时，属于软实时操作系统。由 于其Windows背景，界面比较统一认可。操作系统的基本内核需要至少200K的ROM 空间。 (3) P

42、alm OS Palm OS是著名的网络设备制造商3COM旗下的 Palm Computing掌上电脑公司 的产品。Palm OS在PDA市场上占有很大的市场份额，目前主要与WIN CE进行激烈 竞争。 第二章 嵌入式系统与智能探测小车的总体概述基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现 8 (4) QNX QNX是加拿大QNX公司的产品。它是在x86体系上面开发出来的，别的好多 RTOS都是从68K的CPU上面开发成熟，然后再移植到x86体系上面来的。QNX是一 个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循POSIX相关标准，由于QNX具有强大的 图形界面功能，因此很适合作为机顶盒、手持设备(手掌电

43、脑、手机)、GPS设备的实 时操作系统使用。 (5) C/OS Micro Controller operating system，微控制器操作系统，它是由美国人Jean Labrosse 1992年完成的。应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响设备、 发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等。1998年升级到 C/OS-II，2000年， 得到美国航空管理局（FAA）的认证，可以用于飞行器上。 (6) 嵌入式Linux Linux的核心是由 Linus Torvalds在1991年开发出来，并放到网络上供大家下载 学习使用。开放源代码，内核小、功能强大、系统健壮、效率高、易于裁减。

44、可以 支持数十种CPU芯片。嵌入式Linux就是指对Linux经过小型化裁减后，能够固化在 容量只有几百K字节或几兆字节的储存器芯片中，用于特定嵌入式场合的专用Linux 操作系统 8910 。 2.2.2 选择选择 Linux 操作系统的原因操作系统的原因 以上常见的嵌入式操作系统，虽然提供了很多高级的功能，如图形用户界面和 网络支持，但这些专用操作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多低端产品的 小公司望而却步；而且源码封闭性也大大限制了开发者的积极性。另外，结合我国 国情，当前国家对自主操作系统的大力支持，也为源代码开放的 Linux 的推广提供 了广阔的发展前景。选择 Linux 有以

45、下几个原因： (1) 可应用于多种硬件平台。Linux 己经被移植到多种硬件平台，这对受开销、 时间限制的研究与开发项目是很有吸引力的。可以在标准平台上开发然后移植到具 体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。 (2) Linux 可以随意的配置，不需要任何的许可证或商家的合作关系。唯一的限 基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现第二章 嵌入式系统与智能探测小车的总体概述 9 制是开发者必须做出对 Linux 社区有益的改动。 (3) 它是免费的，源代码可以得到，这是最吸引人的。毫无疑问，这会节省大 量的开发费用。Linux 世界就是一个自由、开放的王国。 (4) 优秀的网络支持，微内核直接

46、提供网络支持，而不必像其他操作系统要外 挂 TCP/IP 协议包。 (5) Linux 高度模块化使添加部件非常容易。 (6) Linux 在台式机上的成功，也保证了 Linux 在嵌入式系统中的辉煌前景。基 于 Linux 的嵌入式操作系统常见的有 ARMLinux、RTLinux 和 CLinux 等。本设计 中选择 ARMLinux 作为操作系统 1112 。 2.3 基于 ARM 的嵌入式系统设计方法 如图 2.1 所示，嵌入式系统设计一般由 5 个阶段构成：需求分析、体系结构设 计、硬件/软件设计、系统集成和系统测试13。各个阶段之间往往要求不断的反复和 修改，直至完成最终设计目标。

47、 需需求求分分析析 规规格格说说明明书书 体体系系结结构构设设计计 体体系系结结构构设设计计硬硬件件设设计计软软件件设设计计 系系统统集集成成 系系统统测测试试 最最终终产产品品 图 2.1 嵌入式系统设计流程 (1) 系统需求分析/体系结构设计 系统的需求一般分功能需求和非功能性需求两方面。功能性需求是系统的基本 第二章 嵌入式系统与智能探测小车的总体概述基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现 10 功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括系统性能、成本、功耗、体 积、重量等因素。体系结构设计描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括 对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软

48、件、硬件选型等。 (2) 硬件/软件设计 基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。软硬件设计往往是并行的， 并且嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件设计上，采用面向对象技术、软件 组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。 (3) 系统集成/测试 把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计 过程中的错误。对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能 要求。 2.4 基于 ARM 的智能探测小车 2.4.1 智能探测小车系统层次结构智能探测小车系统层次结构 上上位位机机监监控控层层 小小车车控控制制层层（ARM9核核） 策策略略应应用用层层

49、（Linux） 信信号号处处理理 各各类类传传感感器器 执执行行器器 小小车车机机械械层层 月月球球表表面面环环境境 无无线线通通信信 图 2.2 系统结构层次图 图 2.2 为基于 ARM 的智能探测小车控制系统结构层次图，系统主要由 5 层组成： 上位机监控层，策略应用层，控制器层，传感和执行层以及机械层。上位机监控层 基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现第二章 嵌入式系统与智能探测小车的总体概述 11 由 PC 机和其上由 C+开发的应用软件组成，上位机通过其上的无线网卡，由无线 路由器桥接与智能探测小车上的无线网卡建立连接，数据通过无线接口模块来传输， 上位机主要实现探月过程中沿路重要信息的监控与收集，如沿途被测对象的颜色、 形状、距离、温度以及图像等信息；策略应用层主要包括操作系统、应用软件和控 制算法，也是本课题的重点部分。小车控制器层主要由 ARM9 内核控制器及其外围 电路组成，是课题设计实现最为关键的层次。传感执行层可以看作是小车的各种器 官，传感器用来实现信息采集，执行器用来执行上层发来的动作命令。机械层是被 控制对象，是最底层的部件。 2.4.2 系统软硬件组成系统软硬件组成 系系 统统 启启 动动 呼呼 叫叫 上上 位位