（机械电子工程专业论文）基于嵌入式的移动机器人综合开发平台的设计.pdf

摘要 移动机器人是一项人工智能与机器人领域的应用基础研究课题，它融合了 多学科的最新研究成果，能体现一个国家的科学技术水平，而移动机器人的核 心技术为嵌入式计算机系统。 本文在嵌入式系统平台的构建中做了探索性的工作，以移动机器人的发展 和功能需求为目标，设计了一款以s a m s u n g 公司生产的a r m 9 为控制芯片的嵌 入式系统。首先提出了移动机器人的功能要求，然后规划了嵌入式系统的总体 方案，将整个嵌入式系统划分为5 个模块：c p u 核心模块、系统存储模块、p c 机通讯模块、系统输入输出模块和其它模块。硬件部分，先概述了$ 3 c 2 4 1 0 的 特点，然后，详细说明了嵌入式计算机主板电源部分的设计，内存s d r a m 设 计，数据存储方面的n o rf l a s h 、n a n df l a s h 接口电路的设计，通信方面的u s b h o s t 、u s bd e v i c e 、j t a g 接口和r s 2 3 2 串口通信模块的设计，实时时钟模 块的设计，以及触摸屏和液晶显示接口模块的设计；在软件方面，实现了嵌入 式系统的b o o t l o a d e r 引导，嵌入式l i n u x 内核的移植，内核驱动程序的编写， 以及嵌入式图形界面g u i 系统q t o p i a 的移植，完成了整个嵌入式计算机系统 从硬件到软件系统平台的设计。经过证明该移动机器人平台具有模块化、硬件 体积小，功耗低、可移植、可扩展、实时性强等优点。 最后，总结了整篇论文，指出了不足之处以及后续研究需要解决的问题。 关键词：移动机器人；a r m 9 ；嵌入式l i n u x ；q t o p i a a b s t r a c t m o b i l er o b o t , s y m b o l i z i n go l l e c o u n t r y s s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i sa f o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no f r o b o t sw i t ha r t i f i c i a li n t e l l i g e n c er e s e a r c h ，w h i c hi s 锄i n t e g r a t i o no f t h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so f v a r i o u sb r a n c h e s t h ev i t a lt e c h n i q u e s o f m o b i l er o b o ta r et h ee m b e d d e dc o m p u t e ra n di t so p e r a t i n gs y s t e m t h i sp a p e rm a k e sag r o p i n gr e s e a r c ho nt h ep l a t f o r mb u i l d i n go fe m b e d d e d s y s t e m a c c o r d i n g t ot h ea c q u i r e m e n to f m o b i l er o b o ta p p l i a n c e s ，w eh a v ed e s i g n e da n e wt y p eo fm o b i l e - r o b o tp l a t f o r m 1 1 h ec o r eo ft h ep l a t f o r mi sa r m 9o fs a m s u n g e l e c t r o n i c s f i r s t ，t h ef u n c t i o no f m o b i l er o b o ti ss u m m a r i z e db r i e f l y t h e nt h eo v e r a l l s c h e m eo ft h ee m b e d d e ds y s t e mi sp l a n n e d n 他w h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t o5 m o d u l e s ：c p uc o r em o d u l e ，s y s t e mm e m o r ys y s t e m ，s y s t e mi n p u t o u t p u ts y s t e m ， c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h eo t h e r s n ec h a r a c t e r i s t i c so fs 3 c 2 4 10a r eg i v e n b r i e f l yi nt h eh a r d w a r ep a r tf i r s t t h e nas p e c i f i ci n t r o d u c t i o na b o u tt h ep o w e rs o u i t ：e o ft h ee m b e d d e dc o m p u t e rd e s i g n ，t h es d r a mi n t e r f a c e d e s i g n ，t h em e m o r y i n t e r f a c ea b o u tn o rf l a s h & n a n df l a s hd e s i g n t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea b o u t u s bh o s t 、u s bd e v i c e 、j t a g & r s 2 3 2 d e s i g n , r e a lt i m em o d u l ed e s i g na n dt o u c h s e r o e n & l c di n t e r f a c ed e s i g ni sg i v e n i ns o f t w a r ed e v e l o p i n g , w eh a v ed e v e l o p e d b o o t l o a d e rs t a r t u pm o d e , p o r t e de m b e d d e dl i n u xk e r n e l ，a d d e dn e wh a r d w a r e d r i v e r sf o re m b e d d e dl i n u xk e r n e l i nt h ee m b e d d e dl i n u xg u ip a r t ，q t o p i aw a s s u c c e s s f u l l yp o r t e d i nt h i ss t e p ，t h ep l a t f o r mo fe m b e d d e ds y s t e mw a ss u c c e s s f u l l y d e s i g n e d i ti sp r o v e dt h a t t h em o b i l e - r o b o t p l a t f o r mi sm o d u l a r i z e d , e x t e n s i b l ea n d t r a n s p l a n t a b l ca n dt h a ti ta l s oh a st h ea d v a n t a g e s ，s u c h c o m p a c th 口d w a r e ，l o w - p o w e ra n dg o o d r e a l t i m ep e r f o r m a t e * a tl a s t ，as u m m a r yo ft h ew h o l ep a p e ri sg i v e n ，t h es h o r t a g eo ft h i sp a p e ri s p o i n t c do u ta n dt h ep r o b l e m sn e e d e ds o l v i n gl a t e l ya r ep u tf o n l l k e y w o r d s ：m o b i l er o b o t ；a r m 9 ；e m b e d d e dl i n u x ；q t o p i a i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 敝储c ：竖笪砧年岁月而 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件 或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括 刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者c 签名，：f ：缝缈步年多月巧自 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 “机器人”是存在于多种语言文字中的新造词，它体现了人们长期来的一 个愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够代替人去进行各种 工作“。 机器人的发展具有很长的历史，作为第一批自动化动物之一的能够飞翔的 木鸟是在公元前4 0 0 至3 5 0 年间制成的。机器人( r o b o t ) - - 词来源于1 9 2 0 年捷 克作家卡雷尔凯陪克( k a r e lc a p e k ) 所编写的幻想情节剧罗萨姆的力能机器 人，各国对机器人的译法几乎都从斯洛伐克语“r o b o t ”音译为“罗伯特”。 多连杆机构和数控机床的发展和应用为机器人的发展打下了坚实的基础。 1 9 5 4 年，美国人乔治德沃尔发明了第一台电子程序可编的工业机器人，并于 1 9 6 1 年发表了该项机器人专利。1 9 6 2 年，美国万能自动化公司的第一台机器入 u n i m a t e 在美国通用汽车公司投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。 第一台工业机器人问世后头十年，机器人技术发展缓慢，很多研究单位和 公司所作的努力均未获得成功，这一时期的主要成果有美国斯坦福国际研究所 于1 9 6 8 年研制的移动式智能机器人s h a k e y 和辛辛那提米拉克龙公司于1 9 7 3 年制成的第一台适于投放市场的机器人t 3 。 进入2 0 世纪7 0 年代，人工智能学界开始对机器人产生了浓厚的兴趣，他 们发现机器人的出现与发展为人工智能的发展提供了新的实验平台和应用场 所。随着控制理论、电子计算机和航天技术的发展，机器人技术进入了一个新 的发展阶段。到8 0 年代，机器人制造业已经成为发展最快和最好的经济部门之 到2 0 世纪8 0 年代术期，由于传统机器人用户应用工业机器人己趋于饱和， 从而造成工业机器人产品的积压，不少机器人厂家倒闭或被兼并，使国际机器 人研究出现不景气。到9 0 年代初，机器人产业出现复苏和继续发展迹象，但是， 好景不长，1 9 9 3 1 9 9 4 年又出现低谷。1 9 9 5 年以来，世晃机器人数量逐年增加， 增长率也比较高。 在我国，机器人研究从上个世纪7 0 时代末期开始，虽然起步比较晚，但是， 经过三十多年的发展，我国的机器人研究与开发已经取得了丰硕的成果。 随着智能技术，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经 网络技术、遗传算法、仿生技术、多传感器集成和融合技术以及纳米技术等的 发展，新一代机器人将会更加的多元化和智能化。同时，这也意味着机器人将 会迎来一个更加灿烂的明天。 1 2 移动机器人研究现状和发展趋势 河海人学硕t ：学位论义基十嵌入a 的移动机 人综合开发| ，台设计 移动机器人作为机器人的一个重要的分支，对它的研究始于2 0 世纪6 0 年代末 期。斯坦福研究院( s r i ) 的n i l sn i l s s e n 和c h a r l e sr o s e n 等人在1 9 6 6 年至1 9 7 2 年研制出了名为s h a k e y 的自主移动机器人，目的是研究应用人工智能技术，在复 杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制【2 】。与此同时，最早的操作式步行 机器人也研制成功，其中最著名是名为g e n e r a le l e c t r i cq u a d r u p e d l 2 j 的步行机 器人。上世纪7 0 年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究 又出现了新的高潮，特别是在8 0 年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。 一大批世界级的跨国公司，如美国通用电气、日本索尼、本田等开始研制移动机 器人平台，这些平台主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人学习和试验的 平台，从而促进了移动机器人向更多的方向发展。9 0 年代以来，以研制高水平的 环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境 下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。 进入2 1 世纪，随着电子技术的飞速发展、机器人用传感器的不断研制、计算 机运算速度的显著提高，移动机器人技术将逐渐地得到完善和发展。移动机器人 技术的研究与发展的趋势有【3 】【4 l 【5 l 【6 】： l 、导航与定位 无论是一个移动机器人还是多个移动机器人系统，导航与定位始终都是很困 难的。在完全未知或部分未知的环境下，基于自然路标导航与定位技术以及视觉 导航中路标的识别和图像处理的快速算法的研究，并通过专用d s p ( 数字信号处 理器) 的开发与研制，可以很好的解决导航与定位问题。 2 、多传感器信息的集成和融合 现在，应用于移动机器人的传感器种类和数量繁多，例如，用于距离测试的 常用传感器有红外传感器和超声波传感器，如何处理这些传感器信息将是一个必 须要解决的问题。多传感器融合i7 】的算法很多，例如，加权平均法、贝叶斯估计、 卡尔曼滤波、统计决策理论、神经网络和模糊推理法等，但是，大多数的算法只 能用于线性正态分布的平稳随机工程。对于非线性、非平稳、非j 下态分布的信息 还需要进一步深入研究。 3 、多机器人系统 多机器人系统之间如何进行协作、信息交互以及调度也是一个急需解决的问 题，目前多机器人系统的研究仍然处于理论研究阶段。 4 、网络机器人 网络已经成为人们日常生活不可缺少的一部分，如何使用网络控制机器人已 经成为一个很好的发展方向。但是，这也必将对人机交互技术、监控技术、远程 控制技术、图像与控制命令的网络传输技术、多进程数据通讯技术等提出了很高 的要求。 2 第一章绪论 5 、多机器人系统 目前对于多机器人系统的研究还处于理论研究阶段，关于多机器人系统结构 与协作机制、信息交互等方面的研究将是多机器人系统的一个很有前景的研究方 向。 6 、仿生学和类人机器人机构与能源方面的研究 近年来，全球许多机器人研究杌构开展了仿生学与机构的研究工作，例如， 研究蚂蚁的群体协作、觅食、路线跟踪和信息传递等策略，蛇的爬行动作，蜜蜂 的定位和采粉策略等。美国国家航空航天局n a s a 已经研制成功了s a n k e b o t 蛇形 机器人，该机器人由于模仿蛇的动作因而行动灵敏、鲁棒性好，可以用于受灾现 场搜救伤员。 在类人机器人方面，日本本田公司的h o n d ap 3 步行机器人代表着最高水平。 但是p 3 机器人也存在着电池供电时间短、行走缓慢、体积庞大等方面的问题，这 些都严重制约了类入机器人的发展。 1 3 6 入式系统 1 3 1 嵌入式系统的定义 国际电气和电子工程师协会( i e e e ) 对嵌入式系统的定义为：嵌入式系统是 “用于监控、监视或者辅助操作机器和设备的装置”【8 】( 原文为d e v i c eu s e dt o c o n t r o l 、m o n i t o ro ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t 、眦c h i n e r yo r p l a n t s ) ，这主要是从应用对象上加以定义，涵盖了软硬件以及辅助机械设备。 目前，国内比较认可的嵌入式系统的定义为：以应用为中心，以计算机技术为基 础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、功耗等严格要求的专 用计算机系统。 从定义可以看出，嵌入式系统实质上就是实现某些特定要求的计算机应用系 统，可以想象到，所有用于监测或者控制的计算机应用系统均可以纳入嵌入式系 统的范畴，可见嵌入式系统的应用是非常广泛的。 1 3 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统是专用计算机应用系统，它具有一般计算机组成的共性，也是由 硬件和软件组成的。 1 、嵌入式系统的硬件 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，配置必要的外围接口器件。嵌 入式处理器指嵌入式微控制器、嵌入式d s p 处理器、嵌入式微处理器和嵌入式片 上系统。目前，a r m 处理器的使用量已经稳居3 2 位、6 4 位嵌入式处理器的首位。 其它外围接口器件也应尽量选择适于系统功能接口的s d c s o p c 芯片。 2 、嵌入式系统的软件 i 4 海人学硕i j 学位论文 举十嵌入式的移动机器人综台开发甲f 设计 嵌入式系统的软件部分可以分为嵌入式操作系统和嵌入式应用软件开发两 部分。 嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心，它的出现大大提高了嵌入式系统开发 的效率，减少了系统开发的工作量，丽且提高了嵌入式应用软件的可移植性。嵌 入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台，它是一段嵌入在目标代码中 的软件，用户的所有应用程序都是建立在这个操作系统的基础上的。 嵌入式应用软件是实现系统各种功能的关键，好的应用软件会使同样的硬件 平台更好、更高效地完成相应的功能。嵌入式应用软件是针对特定需求、基于相 应的硬件平台而开发的用户程序。 嵌入式应用软件与通用软件的不同在于：嵌入式应用软件高度依赖于目标应 用的软硬件环境，软件的部分任务功能函数由与处理器密切相关的汇编语言完 成，可移植性很差【9 1 。嵌入式应用程序在追求正确性、实时性时，使用编译效率 高的汇编语言是必要的，但这也导致了嵌入式系统应用软件的可移植性很差，在 编程时需要综合考虑这些因素。 1 3 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统同p c 系统相比有以下特剧9 】： 嵌入式系统功耗低、体积小、专用性强； 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，系统要精简； 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境； 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或者处理器本身，而不是存储于磁盘等介质中。 对软件代码要求质量比较高，应该尽最大可能避免“死机”现象的发生。 1 3 4 嵌入式系统的发展和应用领域 近年来微电子技术迅猛发展，处理器增长速度也随之加快，嵌入式系统领域 发生了翻天覆地的变化，尤其是网络的普及，使得嵌入式系统具备了网络功能， 这种特性增强了嵌入式系统的实用性。现在，嵌入式系统正处于高速发展阶段， 未来的几年，这种发展和竞争将会更加地激烈。嵌入式系统的主要应用领域可以 划分为： 机器人领域： 消费类电子产品； 数据无线通信； 控制系统和工业自动化： 成像和安全产品。 1 4 选题的目的和意义 4 第一章绪论 随着计算机技术、人工智能理论和制造技术的发展，作为它们的融合体的 机器人越来越受到关注。近几年来，移动机器人是机器人领域备受关注的课题。 然而，在各种移动机器人中，嵌入式系统是智能机器人系统的核心。这是由嵌 入式系统本身的特点决定的。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基 础，软件硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积以及功耗严 格要求的专用计算机系统，是软件与硬件的完美结合。 将嵌入式系统应用于移动机器人，对机器人的结构和功能产生很大的影响。 由于嵌入式系统的功耗低，在结构上，使机器人本体趋于小型化。由于嵌入式 系统是针对特定的要求设计的，可以使移动机器人更加的专业化和智能化。 为了能够方便用户的二次开发，我们设计了这个移动机器人的开发平台，用 户不需要考虑硬件系统的结构，只需要关心上层应用程序的开发，这样可以节省 用户大量的时问和开发成本，具有很好的实用性。 1 5 本文的主要工作 本文致力于基于嵌入式的移动机器人综合开发平台的设计，以a r m 为核心控 制芯片，提出系统的设计方案，并对系统的软硬件设计做了详细说明。我的主要 工作有： ( 1 ) 根据预期的要求，以$ 3 c 2 4 1 0 为核心控制芯片，进行相应的硬件电路设计； ( 2 ) 构建嵌入式l i n u x 的交叉开发环境： ( 3 ) 使用q r l e m b e d d e d 完成用户图形界面的设计。 自海人学顾f ：学位论文 壮十嵌入式的移动机 人综合开发 | f 设计 第二章总体方案设计 2 1 移动机器人的平台 一个完整的移动机器人系统主要包括机械系统、传感器系统、控制系统等 部分。 2 1 1 机器人的机械系统 机械系统是移动机器人的基础，本课题研究的机器人平台分为三层结构： 底盘动力系统层、计算机系统层、传感及运动控制层，如图2 1 所示。 如图2 1 移动机器人的平台 机器人的移动方式有很多种，但大致分为两种：车轮式和足步式两种，车 轮式移动方式大部分技术比较成熟，控制比较容易，而足步行走控制比较困难， 但随着传感器技术与微控制器技术的发展，已经有了很大的发展。 在本系统中采用轮式行走机构，控制性能好，速度快，最大速度为3 m s 。 2 1 2 机器人的传感器系统 任何机器人都离不开传感器，机器人要具备智能行为必须不断感知外界环 境，从而做出相应的决策行为。 本系统选用的传感器主要有： 红外测距传感器：s h a r p 远红外p s d 测距传感器，模拟量输入，有效 6 第一章绪论 距离：8 c m 一8 0 c m ，可以自动获取物体距离值，典型精度1 ： 超声测距传感器：美国宝利来公司即插式收发一体超声测距传感器， 工业级，反射式，有效距离1 5 e r a 7 0 0 c m ，发射角度1 5 度，输出实际 距离，典型精度l c m ； 云台摄像机：有效像素7 6 8 ( h ) x 4 9 4 ( v ) ，水平分辨率4 7 0 t vl i n e s ( w i d e e n d ) ，水平视角6 6 6 5 度，电源d c1 0 8 1 3 v ： 全景视觉摄像头：实现3 6 0 度图像采集与处理，图像精度3 0 万像素， 图像采集速率3 0 f p s ，仰角5 5 度，俯角1 0 度，电压2 4 v ，最大电流2 1 a ： 触摸屏：选用8 英寸6 4 0 x 4 8 0 t f t 液晶屏( 型号为l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 ) 。 2 1 3 机器人的控制系统 数字信号处理器( d s p ) 对各种数字信号或数据处理的能力十分强大，基于 a r m 核的3 2 位r i s c 微控制器在监视控制、人机接口方面的功能非常完善【。 在本系统中，a r m 主要负责多种接e l 控制，包括网络接口、低速串行接口、 触摸屏接口、液晶屏接口以及存储器接口等，本课题组中其他同学用d s p 来进行 机器人的运动控制和图像、传感器等数据的处理和传输，为了实现a r m 和d s p 之间 数据传输，使用u a r t 接口。 2 2 系统的总体方案设计 2 2 1 硬件系统的设计原则 硬件系统的设计不仅要考虑硬件的成本，也应想到软件的消耗，并且，还 要符合操作系统的架构，否则也会提高开发成本，因此，在具体的硬件电路设 计中应考虑以下几点： 标准化：选用标准的设计方式、条理清楚、可读性好、便于修改和多 次使用； 通用化：避免个性化的设计，运用主流的技术思想； 模块化：采用模块化的设计思想，使各个功能模块相互独立、互不影 响，便于系统的调试，避免连锁问题的发生； 可扩展性：进行灵活的设计，多留一些接口，便于系统的功能扩展和 裁剪，以满足不同的需求； 可靠性和安全性f i l j ：高可靠性和安全性是嵌入式系统的一大特点。由 于嵌入式系统工作于工业企业的现场，一旦出现故障，有可能造成整 个生产过程混乱，甚至出现更严重的后果，因此，可靠性是嵌入式系统 最重要、最突出的基本要求； 适应环境要求：嵌入式系统的环境适应能力也是很重要的，大部分的 嵌入式产品工作环境比较恶劣，因此，嵌入式系统必须要能够满足用 f l f 海人学顾i ：学位论义 基十嵌入止的移动机器人综台开发p 弁设计 户环境的要求，只有这样才能保证系统长期稳定、可靠地工作； 设计周期短、价格便宜：现在微电子技术发展极为迅速，必须缩短嵌 入式系统的研发周期，否则，就会散失市场，并且还要提供系统的性 价比，尽可能降低系统的开发成本。 2 2 2 系统的整体架构 根据系统设计的要求，系统的整体架构如图2 2 所示。 图2 2 系统的整体结构图 为了使设计简单，采用模块化的设计思想，把系统划分为c p u 核心模块、 存储模块、通讯模块和输入输出模块，如图2 3 所示，各个模块的功能如下： ( 1 ) c p u 核心模块：该模块由c p u 及外围电路组成，构成该系统的主控 部分。在本系统中，选用三星公司的3 2 位的高性能嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 为 控制核心，它是高度集成的嵌入式处理器，属于a r m 9 t 系列，主频高达 2 0 3 m h z ，并且具有低价格、低功耗、高性能等特点，非常适合本系统。 ( 2 ) 存储模块：系统的存储部分主要包括n a n df l a s h 、n o rf l a s h 和 s d r a m 3 个部分。其中，n a n df l a s h 采用s a m s u n g 公司的k 9 f 1 2 0 8 ，容量为 6 4 m b ，用来满足大容量存储要求，并且价格比n o rf l a s h 低的多；n o rf l a s h 采用s s t 公司的s s t 3 9 v f l 6 0 1 ，容量为2 m b ，主要用来存储系统操作代码、 操作系统和应用程序代码；s d r a m 的读写操作比f l a s h 快，被用来运行数据 和暂存数据，因此选择h y n i x 公司的h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 ，容量为6 4 m b 。 ( 3 ) 通讯模块：该模块主要由串行口电路、j t a g 电路和u s b 接口电路组 第二章总伴方案设计 成。串行口电路用于下载调试程序，并完成和下位机d s p 之间的通讯功能：j t a g 用于实现在线调试功能；u s b 接口用于传送数据和键盘接口，遵循u s b l ，l 的 协议，能实现l m b s 的传输速率，能基本满足系统的要求。 ( 4 ) 系统输入输出模块：通过触摸屏、液晶屏和键盘等设备，可以非常方 便实现用户与机器人之间的通讯和多话，方便用户的操作。 ( 5 ) 其它模块：该模块主要包括晶振电路、电源系统、总线驱动电路等。 图2 3 系统模块化结构 2 3 本章小结 本章只是从总体上对系统的设计作了简单的介绍，关于各个部分更详细的 说明将在以后各章加以讨论。 9 海人肇顾l ：学位论文肇十嵌入的移动骨【器人综合开发r 竹设计 第三章硬件系统设计 3 1 $ 3 c 2 4 1 0 芯片简介 $ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器( a r m 9 2 0 t 内核) ， 适用于手持设备、p o s 机、数字多媒体设备等等，具有低价格、低功耗、高性 能等特点。$ 3 c 2 4 1 0 a 提供了以下丰富的内部资源：1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟存储器管理单元，l c d 控制器( 支持s t n & t f t ) ，支 持n a n df l a s h 系统引导，系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 通道 u a r t ，4 通道d m a ，4 通道p w m 定时器，端口，r t c ，8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口，i i c 总线接口，i i s 总线接口，u s b 主机接口，u s b 设备接口， s d 卡& m m c 卡接口，2 个s p i 总线接口以及内部p l l 时钟倍频器。 s 3 c 2 4 1 0 a 采用了a r m 9 2 0 t 内核，o 1 8 u m 工艺的c m o s 标准宏单元和存 储器单元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏 感的应用。同时它还采用a m b a ( a d v a n c e dm i c r o e o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 新型总线结构。 s 3 c 2 4 1 0 a 提供了一系列完整的系统外围设备，消除了为系统配置额外器件 的需要，大大减少了整个系统的成本。$ 3 c 2 4 1 0 a 主要的特征如下【”j ： ( 1 ) 2 0 3 m h z 的a r m 9 2 0 t 内核，支持j t a g 仿真调试； ( 2 ) 具有m m u ，支持w i n c e 、l i n u x 等操作系统； ( 3 ) 外部存储器控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ，共分8 个b a n k ，每 个b a n k 可访问1 2 8 m b 空间； ( 4 ) 片内4 k bs d 洲，可用作n a n df l a s h 系统引导的缓冲区； ( 5 ) l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) ，1 通道l c d 专 用d m a ； ( 6 ) 4 通道d m a ，有外部请求引脚； ( 7 ) 3 个u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 字节t x f l f o ，1 6 字节r x f i f o ) ； ( 8 ) 2 个s p i 总线接口，1 个多主1 1 c 总线接口，1 个i i s 总线接口； ( 9 ) 兼容s d 主接口协议1 0 版和m m c 卡协议2 1 l 兼容版； ( 1 0 ) n a n d f l a s l l s m 卡接口，支持n a n d h a s h 系统引导； ( 1 1 ) 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口( v 1 1 ) ； ( 1 2 ) 4 个p w m 定时器、】个内部定时器和看门狗定时器； ( 1 3 ) 1 1 7 个通用f o 口和2 4 个外部中断； ( 1 4 ) 具有日历和时钟功能的r t c ，片内p l l 时钟发生器； ( 1 5 ) 1 8 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部f o 供电； ( 1 6 ) 功耗控制模式：普通、慢速、空闲和掉电模式。 i o 第三章碰件系统设计 3 2 存储器接口电路 s 3 c 2 4 1 0 的存储空问有8 个b a n k ，其中b a n k 0 用于存放启动代码，它的起 始地址为0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，s 3 c 2 4 1 0 的存储系统具有以下主要特征1 1 2 1 ： ( 1 ) 可以通过软件选择大小端工作模式； ( 2 ) 提供8 个外部存储空间b a n k 0 - - b a n k 7 ，分别由n g c s o g c s 7 片选信 号控制。每个b a n k 的地址空问为1 2 8 m ，除b a n k 0 ( 只能是1 6 ，3 2 位宽) 之外， 其它b a n k 都具有可编程的访问大小( 可以是8 1 6 ，3 2 ) 功能 ( 3 ) 总共8 个存储器b a n k ，6 个是r o m 、s r a m 等类型存储器b a n k ，剩 下的2 个可以作为r o m 、s r a m 、s d r a m 等存储器b a n k 。 ( 4 ) 7 个固定的存储器b a n k 的起始地址，最后一个b a n k 的起始地址是可 调整的，最后两个b a n k 的大小是可编程的。 在芯片中，寄存器b w s c o n ( b u s w i d t h & w a i t c o n t r o l r e g i s t e r ) 设置各个b a n k 连接的存储器类型、数据总线宽度和对存储器操作时的等待状态 ( b a n k o 除外，b a n k o 的数据总线宽度由外部管脚o m i ：0 1 来配置) 。寄存器组 b a n k c o n o b 甜岖c o n 7 设置各个b a n k 所连接的存储器的寻址周期要求。 由于s 3 c 2 4 1 0 上电时，系统复位到o x 0 0 0 0 0 0 0 0 执行指令，而这个地址在 b a n k o 中，因此系统的启动f l a s h 存储芯片应和c p u 的n g c s o 相连，起始地址 为0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，我们选用n o rf l a s h 作为系统的启动存储芯片，s d r a m h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b 则与c p u 的n g c s 6 相连起始地址为o x 3 0 0 0 0 0 0 0 ，n a n df l a s h k 9 f 1 2 0 8 u o b 则由n a n dh a s h 控制器操作。在本系统中，各个存储芯片的地 址如表3 1 所示。 表3 1 系统存储器地址 存储器类型芯片型号地址 说明 n o rf l a s hs s t 3 9 v f l 6 0 1o x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 0 1 f f f f f 0 m 1 ：0 = 0 1 b 时 s d r a m h y 5 7 v 6 5 1 6 2 00 x 3 0 0 0 0 0 0 0 0 x 3 3 f f f f f f2 片 n a n df l a s hk 9 f 1 2 0 8 u o b 由n a n d 控制器操作 3 2 1n o rf l a s h 存储器接口电路 f l a s h 存储器是i n t e l 公司于1 9 8 8 年推出的一种新型半导体存储器，具有 非挥发存储特性，可作为新一代可编程只读存储器。它具有低功耗、大容量、 擦写速度快、可整片或分扇区进行系统编程( 烧写) 、擦除等特点，并且该类只 读存储器集成度高( 构成基本存储单元只需一个m o s 管) 、读取速度快( 内部采用 s e a m 作为缓冲器，速度已接近e d 0 类型的动态r a m ) 、单一供电、再编程次数多 ( 可达1 0 0 万次) 等显著特点，所以得到广泛应用。作为一种非易失性存储器， f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保 | f 海人掌倒l j 学位论史 筚十嵌入式的移动机器人综合开发，r 竹设计 存的数据等。目前市场上的f l a s h 可以分为n o rf l a s h 和n a n df l a s h 两种主要 类型，这两种h a s h 的主要区别如下： 1 ) n o rf l a s h 的读取速度比n a n df l a s h 稍快一些； 2 ) n a n ) f l a s h 的写入速度比n o r f l a s h 快很多； 3 ) n a n df l a s h 存储器除了具有1 0 比l 的块擦除周期优势，典型的n a n d f l a s h 块尺寸要比n o r 器件小8 倍； 4 ) n o rf l a s h 占据了容量为l 1 6 m bf l a s h 市场的大部分，而n a n df l a s h 只是用在8 1 2 8 m b 的产品中。 n o rf l a s h 的主要供应商是i n t e l ，m i c r o 等厂商，曾经是f l a s h 的主流产 品，但现在正受到n a n df l a s h 挑战。它的优点是可以直接从f l a s h 中运行程序， 但是工艺复杂，价格比较贵。n o r 的传输效率很高，在i 4 m b 的小容量时具有 很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。因此，在 本系统中，我们选用2 m b 的n o rf l a s h 来存储系统操作代码、操作系统和应用 程序代码，这样可以很好的发挥它的性能。 s s t 3 9 v f l 6 0 是1 m x l 6 位c m o s 工艺制造的n o r 型f l a s h 存储甜1 3 】。无论是 读操作还是擦除和写操作，该芯片都较一般f l a s h 省电，特别适用于嵌入式系 统。 s s t 3 9 v f l 6 0 1 擦除操作主要分成s e c t o r e r a s e 、b l o c k - e r a s e 和c h i p e r a s e 三种模式。s e c t o r 指2 kw o r d 的存储空间；b l o c k 指3 2 kw o r d 的存储空间；c h i p 则指整个存储芯片。执行片擦除操作是通过一个6 字节的命令时序来进行初始 化，在该命令时序的最后一个周期，写入操作命令( i o h ) 和擦除地址( 5 5 5 5 h ) ， 擦除操作在第六个w e 或c e ( 不分先后) 上升沿开始时执行。在执行擦除操作 时，任何其它操作都无效，当w p 为低电平时，任何写操作都不被执行，在命 令时序中，胛一般被设置为高电平或低电平。当芯片处于内部状态时( 擦除 和写入) ，d q 6 的电平将会在每个读周期中不停的交替变换，可以通过d 0 6 来检 测擦除和写入过程是否结束。 在本系统中，我们采用一片s s t 3 9 v f l 6 0 1 来构建1 6 位的f l a s h 存储器系统， 存储容量为2 m b ，其电路原理图如图3 1 所示。系统上电或复位后，将从 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 丌始执行，因此，把$ 3 c 2 4 1 0 的n g c s 0 接到s s t 3 9 v f l 6 0 1 的c e 端。 o e 接到$ 3 c 2 4 1 0 的n o e 端；w e 接到$ 3 c 2 4 1 0 的n w e 端；地址总线a i g a o 与$ 3 c 2 4 1 0 的a 2 0 一a 1 现连，在本系统中，选用1 6 位宽的数据总线，因此 叫 1 ：0 = 0 1 ，即o m 1 为低电平、0 m o 为高电平。1 6 位数掘总线d q l 5 d q o 与 第三章硬件系统设计 $ 3 c 2 4 1 0 的低1 6 位数据总线d a t a l 5 d a t a o 相连。 m i ，_ m 7 m 蔷崆 d m l 写 昂 1 w ijli i ，玎j p l 皿n 图3 1n o r f l a s h 存储器接口电路 3 2 2n a n df l a s h 存储器接口电路 n a n df i 。a s h 的主要供应商是s a m s u n g 和东芝，在u 盘、各种存储卡、m p 3 播放器旱面的都是这种f l a s h 。n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高 存储密度，并且写入和擦除的速度也很快，它比n o rf l a s h 拥有更大存储容量， 而且便宜。用该器件作为各种单片机尤其是嵌入式系统的数据存储器，可以完 美地解决容量限制，实现灵活操作。 n a n d 结构是s a m s u n g 公司隆重推出并大力开发的新一代数据存储器件。本 系统选用k o f l 2 0 8 u o b 来存储数据，容量为6 4 m b ，电源电压为2 7 - 3 6 v ，采用 4 8 引脚的w s o p 封装【j 4 1 。 该器件由4 0 9 6 个块( b l o c k ) 组成，每个块有3 2 页( p a g e ) ，每页有5 1 2 字节的数据和1 6 字节的备用空间组成，备用空间可以用来存储e c c ( 纠错码) 、 坏块信息和文件系统相关的信息。这5 2 8 字节可以分为a 区( 0 - 2 5 5 b ) 、b 区 ( 2 5 6 5 1 1 b ) 和c 区( 5 1 2 - 5 2 7 b ) ，每个区对应一个地址指针命令，“o o h ”命令 让地址指针指向a 区，“0 1 h ”命令让指针指向b 区，“5 0 h ”命令让指针指向c 区。选定区的内部寻址是由第一列地址完成的。 该存储：芭= 片对数据的读写操作都是以页为单位的，擦除则以块为单位的。 对芯片的读、写和擦除命令的写入都是通过置高c l e 引脚同时向i 0 0 一i 0 7 写入命令代码字节来完成。对地址的写入则是通过置高a l e 引脚同时写入地址 字节来完成。 对k 9 f 1 2 0 8 u o b 的操作只需要对几根信号线进行控制就可以完成，与 s 3 c 2 4 1 0 的接口电路如图3 2 所示。k 9 f 1 2 0 8 u o b 的i 0 0 i 0 7 引脚直接与 i i j 海人学颇i ：学位论文 基于嵌入止的移动机 | 人综台开发，p f 设计 $ 3 c 2 4 1 0 的数据总线d a t a 0 d a t a 7 相连，通过数据总线发送地址、命令和数据。 口画区1 i w l 耳琳 广 l 1 0 7 匠 昂k l t 矿 了广q u