毕业设计论文——基于移动网络控制机器人的设计与实现.pdf

编号 南京航空航天大学南京航空航天大学 毕 业 论 文毕 业 论 文 题目 基于移动网络控制机器人的 设计与实现 学生姓名宋飞龙 学号150710115 学院航天学院 专业航天信息应用 班级1507301 指导教师宗鹏教授 二 一一年六月 南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学 本科毕业设计 论文 诚信承诺书本科毕业设计 论文 诚信承诺书本科毕业设计 论文 诚信承诺书本科毕业设计 论文 诚信承诺书 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 题目 基于移动网络控制机 器人的设计与实现 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果 尽 本人所知 除了毕业设计 论文 中特别加以标注引用的内容外 本毕业设 计 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 作者签名 年月日 学号 毕业设计论文i 基于移动网络控制机器人的设计与实现 摘要 机器人在现代化生产过程中有着重要的作用 可以减低劳动了强度 提高效率 并可以 把人们从危险恶劣的生产环境中解放出来 机器人技术是一门综合性的科学 涉及到计算机 通信 传感技术 机械结构 人工智能等多门学科 因此 机器人技术在一定程度上反应了 一个国家的整体技术水平 遥控和网络控制机器人有着更加广泛的应用 通过网络 人们可以忽略人和机器人的空 间距离 实现远程操控 这在生产实践中有着重大的意义 现有的移动网络具有覆盖范围广 永远在线的特点 可让我们随时随地对机器人进行远程控制 本论文使用有 6 自由度的机械手臂 在 ARM9 嵌入式开发板上 用 GSM 模块发送控制指令 再通过接收端的GSM 模块把信号传输给小车的 ATMEGA168 主控芯片 然后驱动手臂上的MG945 舵机 达到控制手臂的目的 关键词 ARM9 嵌入式平台 GSM GPRS Modem ATMEGA168 单片机 6 自由度机械臂 远程控 制 毕业设计论文ii The design and implementation of controlling robot based on the mobile network Abstract Robot in modern production plays an important role in reducing intensity of labor increasing efficiency of manufacturing and liberating people from the dangerous production environment Roboticsisanintegrated science involving the computer communications sensor technology mechanical structure artificial intelligence and other disciplines Therefore the robot technology reflects a country s overall technological level to some extent The remote and network control robot has wider applications Through the network people canignore the distance and the space between them and robots to implement remote control which isgreat significant in the production Existing mobile network has wide coverage always on line features allowing us to remotely control the robot at any time This project aims to control a 6 DOF robotic arm Thecontrol commands are generated on the ARM9 development board with a GSM module embedded and sentto the ATMEGA168 control chip of the vehiclethrough the network by using another GSM module to receive the signal The received commends are used to drive servo MG945 to control the arm Key Words ARM9 embedded platform GSM GPRS Modem ATMEGA168 MCU 6 DOF manipulator Remote Control 毕业设计论文iii 目录 摘要 i Abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 机器人研究的历史 现状及发展趋势 1 1 1 1 机器人的发展历程 1 1 1 2 机器人技术的现状和发展 1 1 2 遥控机器人的研究现状与存在问题 2 1 3 课题的意义与任务 2 第 2 章 遥控系统的基础 4 2 1 嵌入式系统 4 2 2 无线控制传输方式 6 2 2 1 无线通信方式的要求 6 2 2 2 无线通信方式的选择 6 2 3 GSM 短信服务 7 第 3 章 遥控系统的硬件设计 10 3 1 远程控制系统的组成 10 3 2 远程控制平台 10 3 3 GSM GPRS 通信模块 12 3 3 1 发送端 12 3 3 2 接收端 12 3 4 RS 232 串行接口及 MAX232 电平转换电路 13 3 5 ATmega168 单片机 14 3 5 1 ATmega168 简介 14 3 5 2 最小系统 17 3 6 控制伺服电机 17 第 4 章 遥控系统的软件设计 20 4 1 软件系统开发逻辑图 20 毕业设计论文iv 4 2 ARM9 嵌入式系统程序开发 20 4 2 1 宿主机开发环境的建立 20 4 2 2 NFS 的配置 21 4 2 3 交叉编译环境的建立 23 4 3 网络命令传输程序设计 25 4 3 1 程序设计流程 25 4 3 2 短信发送程序的编译及调试过程 29 4 3 3 短信接收过程 31 4 3 4 单片机指令的提取过程 32 4 4 UART 串口通信程序 33 4 4 1 程序设计流程 33 4 4 2 程序调试 35 4 5 机械臂控制程序设计 38 第 5 章 结束语 40 参 考 文 献 41 致谢 42 毕业设计论文v 图录 图 2 1SMS 体系结构 8 图 3 1基于移动网络控制机械臂的系统原理图 10 图 3 2SemitARM9200 开发板实物图及接口示意图 11 图 3 3SemitARM9200 开发板核心板 11 图 3 4GSM GPRS modem 功能示意图 12 图 3 5SIM 卡电路示意图 13 图 3 6短信服务流程图 13 图 3 7RS232 接口 13 图 3 8RS232 转 TTL 电平 14 图 3 9AVR 单片机基本组成结构 15 图 3 10ATmega168 最小系统原理 17 图 3 11MG945 舵机 18 图 3 12舵机的工作原理示意图 18 图 3 13控制信号脉冲宽度与输出轴转角的关系图 19 图 4 1软件系统开发逻辑图 20 图 4 2交叉编译环境 21 毕业设计论文1 第 1 章 绪论 1 1 机器人研究的历史 现状及发展趋势 1 1 1 机器人的发展历程 自 60 年代初 第一台工业机器人的诞生至今 机器人的发展大概可以分为三个阶段 1 第一阶段 机器人只能按照事先编写的程序不断重复完成规定动作 显然是不够 灵活的 很多情况下不能满足要求 2 第二阶段 可以有一台或多台主机控制 运行不同的程序 完成多种任务 以一 种机器人就可以在工业上大展拳脚了 3 第三阶段 科技的进步和任务的复杂性大幅度的增加 要求机器人拥有很强的自 主能力 第二阶段的机器人就显得不能满足要求了 于是就有了智能机器人 智能机器人具 有模拟的人类的感觉器官及大脑 可以根据周围的环境和自身的实际状态 结合任务要求 采取不同的行动及作业方式 智能机器人要通过传感器获得环境信息 用人工智能技术进行 信息的整合 进而完成任务 7 1 1 2 机器人技术的现状和发展 现在的机器人一般都具有一定的智能功能 按其智能化程度可分为外部受控机器人 本 实验中的机械手 半自主式机器人和全自主式机器人 从其功能上分类可分为工业机器人和 娱乐服务机器人 按照机器人的工作场合的不同 又分为水下机器人 空间机器人和农 林 牧 医机器人等 按其运动方式可分为轮式移动机器人 步行移动机器人 履带式机器人 爬行机器人和空气推进 水下推进等 目前 在机器人技术上美国 西欧和日本走在各国的前面 1987 年美国人工智能中心首 次进行了移动机器人的越野实验 90 年代以后 美国卡内基梅隆大学的 NavLab 系列的室外 移动机器人又向着实用性方面前进了一大步 日本的机器人技术方面非常先进 尤其是在仿 人机器人方面最为先进 本田公司的仿人机器人 ASIMO 身高 1 2m 体重 52kg 行走速度为 0 1 6kg h ASIMO 的行走可以比早期的机器人更加灵活 可以通过预测技术提前改变重心 我国的机器人研究起步较晚 但经过一大批科研单位和高校的努力取得了一批可喜的成绩 有些达到了国际先进行列 如中科院开发的我国第一代智能轮椅平台 具有超声 红外等多 传感器融合的导航系统 可以进行简单的口令控制 清华大学的 THMR V 自动驾驶小车 自由 毕业设计论文2 行走于一定的环境中 哈工大的迎宾机器人具有无缆行走 自动壁障 语音识别等功能 中 科院沈阳自动化研究所研制的基于非结构化环境移动机器人 可以在非常复杂的环境中使用 等等 8 目前 机器人的研究朝着智能化多样化发展 主要集中在以下方面 1 工业机器人操作机结构的优化设计技术 探索新的高强度轻质材料 进一步提高负 载 自重比 同时机构向着模块化 可重构方向发展 2 机器人控制技术 重点研究开放 式 模块化控制系统 人机界面更加友好 语言 图形编程界面正在研制之中 3 多传感 系统 为进一步提高机器人的智能和适应性 多种传感器的使用是其问题解决的关键 4 机器人遥控及监控技术 是机器人自主技术的基础 通过网络实现大范围类机器人的控制 5 多智能体调控技术 6 微型和小型机器人 7 仿人仿生技术 这是理想中的机器人 所具有的技术 目前进展不大 7 1 2 遥控机器人的研究现状与存在问题 在机器人所涉及的各种技术中 控制技术最为重要 在机器人的发展中 机器人逐步朝 智能化发展 其特点是机器人自主获得外部信息 进行协调 这就要求机器人确定自身与周 围环境位置关系 还涉及到导航 自动控制路径规划 定位 多传感器融合等技术 但是机 器人的智能化的遥控程度和灵活程度并不高 有待进一步发展 遥控需要数据交换系统保证实时性和可靠性 在远程监控时 由于网络的延时 和数据 在传输中可能的丢失问题 会导致控制系统不稳定 因此设计控制系统时要考虑这方面的问 题 但在目前的网络环境中还不可避免 另外 机器人的可扩展性是影响机器人潜力发挥的重要因素 也是保证低成本和高性能 的前提 可扩展性强的机器人可以重复应用于不同的环境 并根据需要添加不同的功能 1 3 课题的意义与任务 遥控机器人是研究的一个热点 无线遥控技术应用于机器人可以提高其远程控制能力 本课题设计目标是通过移动网络控制小车的机械臂 使其完成基本的动作 课题中设计并实 现了一种基于移动网络的移动机器人远程控制系统 即在本地计算机发出指令通过移动网络 对远端移动机器人进行控制 本课题的主要意义在于 1 就目前的机器人发展水平而言 实现完全的机器人自主控制还不现实 即使当今世界 最先进的机器人所能独立完成任务的能力与人的能力相比还是非常有限的 因此 需要人与 移动机器人交互 以便完成更加复杂的工作 而利用网络则能以较小的代价来实现人机交互 毕业设计论文3 2 利用无线网络解决了有线网络中存在的一系列问题 而且移动网络具有使用便捷 成 本低 开发周期短等优点 3 综合考虑了本课题的当前任务与今后实验室二次开发的要求 在软硬件平台的设计 上 硬件结构采用了上 下位机二级分布式结构 软件采用了嵌入式Linux操作系统 实现了 稳定性 可扩展性 易调试等几大特点 为下一步的深入研究做了很好的铺垫 8 毕业设计论文4 第 2 章 遥控系统的基础 2 1 嵌入式系统 何谓嵌入式系统 嵌入式系统被定义为 以应用为中心 以计算机技术为基础 软件硬 件可裁剪 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗严格要求的专用计算机系统 嵌入式系统应用的领域无处不在 现在市场上的手机 PDA MP3 播放器等消费电子产品都是 嵌入式系统 嵌入式系统还有应用于很多领域如电信网络控制 路由器 交换机 网关 工 业医疗控制 监控设备 等 嵌入式系统通常包括构成软件的基本运行环境的硬件和操作系统两部分 嵌入式系统的 运行环境和应用场合决定了嵌入式系统具有区别于其它操作系统的一些特点 1 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器可以分为三类 嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 嵌入式DSP Digital Signal Processor 嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的CPU 在应用中 一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上 在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可 这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求 目前的嵌入式处理器主要包括 PowerPC Motorola 68000 ARM系列等等 嵌入式微控制器又称为单片机 它将CPU 存储器 少量的 RAM ROM或两者都有 和其它外设封装在同一片集成电路里 常见的有8051 嵌入式DSP专门 用来对离散时间信号进行极快的处理计算 提高编译效率和执行速度 在数字滤波 FFT 谱 分析 图像处理的分析等领域 DSP正在大量进入嵌入式市场 2 2 微内核结构 大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两个层次 内核只提供基本的功能 如建 立和管理进程 提供文件系统 管理设备等 这些功能以系统调用方式提供给用户 一些桌 面操作系统 如Windows Linux等 将许多功能引入内核 操作系统的内核变得越来越大 内核变大使得占用的资源增多 剪裁起来很麻烦 大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构 内核只提供基本的功能 比如 任务的调度 任务之间的通信与同步 内存管理 时钟管理 等 其它的应用组件 比如网络功能 文件系统 GUI系统等均工作在用户态 以系统进程或 函数调用的方式工作 因而系统都是可裁减的 用户可以根据自己的需要选用相应的组件 3 3 任务调度 嵌入式系统为多任务多进程的操作系统 多任务运行的实现实际是靠CPU在多个任务之间 毕业设计论文5 切换 调度 每个任务都有其优先级 不同的任务优先级可能相同也可能不同 任务的调度 有三种方式 可抢占式调度 不可抢占式调度和时间片轮转调度 不可抢占式调度是指 一 个任务一旦获得CPU就独占CPU运行 除非由于某种原因 它决定放弃CPU的使用权 可抢占式 调度是基于任务优先级的 当前正在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处于就绪态的 其它任务 当两个或两个以上任务有同样的优先级 不同任务轮转地使用CPU 直到系统分配 的CPU时间片用完 这就是时间片轮转调度 目前 大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任 务采用基于优先级的抢占式调度法 对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法 4 4 硬实时和软实时 有些嵌入式系统对时间的要求较高 称之为实时系统 有两种类型的实时系统 硬实时 系统和软实时系统 软实时系统并不要求限定某一任务必须在一定的时间内完成 只要求各 任务运行得越快越好 硬实时系统对系统响应时间有严格要求 一旦系统响应时间不能满足 就可能会引起系统崩溃或致命的错误 一般在工业控制中应用较多 5 5 内存管理 针对有内存管理单元 MMU 的处理器设计的一些桌面操作系统 如Windows Linux 使 用了虚拟存储器的概念 虚拟内存地址被送到MMU 在这里 虚拟地址被映射为物理地址 实 际存储器被分割为相同大小的页面 采用分页的方式载入进程 一个程序在运行之前 没有 必要全部装入内存 而是仅将那些当前要运行的部分页面装入内存运行 大多数嵌入式系统针对没有MMU的处理器设计 不能使用处理器的虚拟内存管理技术 采 用的是实存储器管理策略 因而对于内存的访问是直接的 它对地址的访问不需要经过MMU 而是直接送到地址线上输出 所有程序中访问的地址都是实际的物理地址 而且 大多数嵌 入式操作系统对内存空间没有保护 各个进程实际上共享一个运行空间 一个进程在执行前 系统必须为它分配足够的连续地址空间 然后全部载入主存储器的连续空间 由此可见 对于没有MMU嵌入式系统的开发人员不得不参与系统的内存管理 从编译内核 开始 开发人员必须告诉系统这块开发板到底拥有多少内存 在开发应用程序时 必须考虑 内存的分配情况并关注应用程序需要运行空间的大小 另外 由于采用实存储器管理策略 用户程序同内核以及其它用户程序在一个地址空间 程序开发时要保证不侵犯其它程序的地 址空间 以使得程序不至于破坏系统的正常工作 或导致其它程序的运行异常 因而 嵌入 式系统的开发人员对软件中的一些内存操作要格外小心 6 6 内核加载方式 毕业设计论文6 嵌入式操作系统内核可以在Flash上直接运行 也可以加载到内存中运行 Flash的运行 方式 是把内核的可执行映像烧写到Flash上 系统启动时从Flash的某个地址开始执行 这 种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法 内核加载方式是把内核的压缩文件存放在 Flash上 系统启动时读取压缩文件在内存里解压 然后开始执行 这种方式相对复杂一些 但是运行速度可能更快 因为RAM的存取速率要比Flash高 由于嵌入式系统的内存管理机制 嵌入式操作系统对用户程序通常采用静态链接的形 式 在嵌入式系统中 应用程序和操作系统内核代码编译 链接生成一个二进制影像文件来 运行 3 2 2 无线控制传输方式 2 2 1 无线通信方式的要求 通信系统是机器人控制的核心 通信系统主要分为有线和无线两种 现代机器人的控制 多用无线方式 本实验由于模拟的是探月车的控制 采用无线方式 具体要求有 可靠 低 功耗 设备体积小 具有较长的通信距离 可靠性 是因为数据传输的准确性决定了后续的 控制精度 低功耗 节约能源 减少电池的负担 设备体积小 减少负载 增加机器人的灵 活性 较长的通信距离 增加了机器人的活动范围 2 2 2 无线通信方式的选择 1 移动网络 现行在 GPRS 移动网络是一种基于包的无线通信服务 它使得通信速率从 56Kb s 一直上 升到 114Kb s 支持多计算机和移动用户的持续连接 有如下优点 1 资源利用率高 GPRS 引入了分组交换的传输模式 改变了原来采用电路交换模式 GSM 传输数据方式 按 电路交换模式来说在整个连接期内 用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道 而对于 分组交换模式 用户占有在发送和接收数据的时候才占用资源 这意味着多用户可高效率地 共享同一无线信道 从而提高了资源的利用率 2 传输速率高 GPRS 提供高达 115Kb s 的传输速率 最高之为 171 2Kb s 不包括 FEC 这意味这通过 便携式电脑 GPRS 用户能和 ISDN 用户一样快速的上网浏览 同时也使一些对传速率敏感的 移动多媒体应用成为可能 3 接入时间短 毕业设计论文7 分组交换接入时间缩短为不到 1 秒 能提供快速即时的连接 可大幅提高一些事务 4 支持 IP 协议和 X 25 协议 GPRS 支持 Internet 上应用最广泛的 IP 协议和 X 25 协议 而且 GSM 网络覆盖面广 可 以在任何无线接入 2 蓝牙 蓝牙是一种短距离的无线连接技术标准的代称 其实质内容就是建立通用的无线电空接 口及其控制软件的公开标准 蓝牙主要面向网络中各类数据及语音设备 如PC 笔记本电脑 打印机 传真机 数码相机 移动电话 家电设备等 建立一个微微网 把他们连接起来 多个微微网之间也可以互联 从而实现设备之间的通信 蓝牙支持点对点和点对多点的通信 工作在全球通用的2 4GHz ISM 即工业 科学 医学 频段 其数据速率为1Mb s 采用时分 双工传输方案实现双工传输 蓝牙的体积小 结构紧凑 安装方便 输出功率低 通话设计精密 支持移动终端并且 确保消耗最小的电能 但是 蓝牙技术依有效通信距离较短 约为10米 干扰性能差 产品 较贵 因此并不适于在本实验中使用 3 IEEE 802 11b 无线通信方式 IEEE 802 11b 是无线局域网的一个标准 其载波的频率为2 4GHz 传送速度为11Mbit s 符合IEEE 802 11b标准的无线局域网安全性能强 扩展能力强 抗干扰性强 工程周期短 组网速度快 无线网络的接入方式简单 易维护 无线网卡体积小 耗能少 工艺成熟 有 很稳定的质量保证 但其传输距离只有400米 不符合实验的背景要求 8 要达到随时随地的控制目的 本实验选用GPRS网络 2 3 GSM 短信服务 移动网络供面向字符的短信服务 SMS Short Message Service SMS 占用信道的时间 短 费用小 可使得用户方便地进行点对点通信 SMS 是一种存储和转发服务 即短消息不 是直接从发送方发送到接收方 而始终通过 SMS 中心进行转发的 如果接收方处于未连接 状态 可能电话已关闭 则消息将在接收人再次连接时发送 GPRS 标准中定义的点 点短消息服务使得短消息能在移动台和短消息服务中心之 间传递 这些服务中心是通过称为 SMS GMSC 的特定 MSC 同 GSM 网络联系的 毕业设计论文8 图 2 1 SMS 体系结构 SME Short Messaging Entity 短消息实体 它可以接收或改善短消息 位于固话系统 移动基站或其他服务中心内 SMSC Short Message Service Center 短消息服务中心 负责在基站和 SME 间中继 储存或转发短消息 移动台 ME 到 SMSC 的协议能传输来自移动台或朝向移动台的短消息 协议名为 SMTP Short Message Transmission Protocol SMCGWMS 或 SMCGMSC SMS Gateway MSC SMS 网关 接收由 SMSC 发送的短消息 向 HLR 查询路由信息 并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心 HLR Home Location Register 归属位置寄存器 用于永久储存管理用户和服务记录的 数据库 由 SMSC 产生 SMS 网关与 HLR 之间的协议使前者可以要求 HLR 搜索可找到的用户地 址 它与 MSC 与 HLR 之间的协议一起 能在移动台因超出覆盖区而丢失报文 随后又可找到 时加以提示 MSC Mobile Switching Center 移动交换中心 负责系统切换管理并控制来自或发向 其他电话或数据系统的拔叫 VLR Visitor Location Register 访问位置寄存器 含有用户临时信息的数据库 交 换中心服务访问用户时需要这些信息 AT 指令是在手机上运行的指令 一般的 GSM GPRS Modem 都支持 GSM07 05 所定义的 AT 命令集的指令 可以用 AT 指令控制 GSM GPRS MODEM 连接电脑发送短信 并且要针对短信 终端设备兼容的编码规范 对收发的短信息进行编码和解码操作 通过使用队列技术来保证 正常的并发访问 5 对短消息的控制共有3种实现途径 Block Mode 基于 A T 命令的 Text Mode 和基于 A T 命令的 PDU Mode 使用 Block Mode 需要手机生产厂家提供驱动支持 TextMode 比较简 单 但这种模式只能发送 ASCII 码 不能发送中文 PDU 模式是发送或接收手机 SMS 信息 的一种方法 短信息正文经过十六进制编码后被传送 1 毕业设计论文9 与短信相关的 AT 指令 AT CMGCSend an SMS command 发出一条短消息命令 AT CMGDDelete SMS message 删除 SIM 卡内存的短消息 AT CMGFSelect SMS message formate 选择短消息信息收发格式 0 PDU 1 文本 AT CMGLList SMS message from preferred store 列出 SIM 卡中的短消息 AT CMGRRead SMS message 读短消息 AT CMGSSend SMS message 发送短消息 AT CMGWWrite SMS message to memory 向 SIM 内存中写入待发的短消息 AT CMSSSend SMS message from storage 从 SIN M 内存中发送短消息 AT CNMINew SMS message indications 显示新收到的短消息 AT CPMSPreferred SMS message storage 选择短消息内存 AT CSCASMS service center address 短消息中心地址 AT CSCBSelect cell broadcast messages 选择蜂窝广播消息 AT CSMPSet SMS text mode parameters 设置短消息文本模式参数 AT CSMSSelect Message Service 选择短消息服务 毕业设计论文10 第 3 章 遥控系统的硬件设计 3 1 远程控制系统的组成 如下图所示 通讯网络为 GPRS 移动网络 整个控制系统分为上位机和下位机两个部分 上 位机为远程控制平台 有 PC 和基于 Linux 的嵌入式开发平台组成 PC 和开发平台通过串行 接口相连 运行终端程序 在 Arm9 的 Linux 系统下编程 通过驱动平台上的 GSM 模块发送信 息 图 3 1 基于移动网络控制机械臂的系统原理图 下位机为驱动控制平台 信号接收由 GSM 模块完成 主控芯片为 ATmega168 单片机 通 过异步通信串口和接收端的 GSM 模块 取得信号后 换成控制命令 发送给 MG945 伺服电机 就可以驱动小车 远程控制的主要任务是 根据现场传感器采集到的信息和任务的要求实时的发送控制指 令 调整电机的转速 从而达到控制机械手臂的目的 3 2 远程控制平台 远程控制端使用一台 PC 通过串行总线和 SemitARM9200 开发板相连 通过开发板上的 GSM GPRS 模块进行命令的发送 毕业设计论文11 图 3 2 SemitARM9200 开发板实物图及接口示意图 图 3 3 SemitARM9200 开发板核心板 核心板各个部分的构成 内存部分 1片16 8M位数据宽度的FLASH 共16M 字节 Flash intel28F128J3C 如有 不同型号 则是完全兼容的器件 速度150ns 两片16M 16位数据宽度的SDRAM HY 57V561620B T 如有不同型号 则是完全兼容的器件 构成 共64M 字节SDRAM 数据通讯口和外部输入输出口 底板实现了按键 LCD显示 UART USB和百兆以太网等 功能 毕业设计论文12 核心板和底板配合即构成一个最小的完整应用系统 系统具有体积小 耗电低 处理能 力强 等特点 能够装载和运行嵌入式 Linux 操作系统 用户可以在这个系统平台上进行自 主软件开发 3 3 3GSM GPRS通信模块 3 3 1 发送端 在 ARM9 开发板上集成了完整的射频电路和 GSM 的基带处理器 模块提供标准的 RS 232 串行接口 可以通过串行接口使用 AT 命令完成对模块的操作 通过模块的 GPRS 功能实现无 线网络功能 模块自带的接口板集成了模块的供电接口 语音接口 SIM 卡卡座以及 RS 232 电平的电平转换电路 3 3 2 接收端 接收端采用以 wavecom 为核心模块的北京华腾宇通公司的 GSM GPRS modem 图 3 4 GSM GPRS modem 功能示意图 是一种双频调制解调器件 是一种基于无线 GSM 技术的工业级的 MODEM 配件 是一种内 嵌 GSM 无线通信模块 插入移动运营商的手机 SIM 卡 可以与移动运营商的短信中心建立无 线连接 本地可以通过与 PC 的连接可以实现计算机控制应用系统实现自由的短信收发 GSM Modem 能提供短消息 语音通讯和数据通讯三大功能 其中 短消息业务使它获得最广泛的 应用 所以也将 GSM Modem 简称为短信猫 2 GSM GPRS Modem 配件由主机 天线 数据线 串口线 USB 连接线 电源适配器等组成 GSM GPRS Modem 电路主要由 GSM 模块和其外围电路组成 毕业设计论文13 GSM 模块将 GSM 射频芯片 基带处理芯片 存储器 功放器件等集成在一块线路板上 具有独立的操作系统 GSM 射频处理 基带处理并提供标准接口的功能模块 外围电路由电阻 电容 二极管 三极管 电感 MCU 稳压 IC 电平转换芯片 SIM 卡 座 DC 座 串口 USB 等组成 图 3 5 SIM 卡电路示意图 GSM GPRS Modem 通过 RS232 串口和单片机相连 之间要经过 MAX232 电平转换电路 把 RS232 的电平转换成 TTL 电平 单片机通过发送 AT 指令来接收短信 短信开发流程如下 图 3 6 短信服务流程图 3 4 RS 232 串行接口及 MAX232电平转换电路 RS232 接口是个人计算机上通用的通讯接口之一 一般的台式机上都有两组 RS232 接口 分别为 COM1 COM2 9 如图 图 3 7 RS232 接口 各引脚定义如下 1 DCD 载波检测2 RXD 接收数据 3 TXD 发送数据4 DTR 数据终端准备好 5 SG 信号地6 DSR 数据准备好 7 RTS 请求发送8 CTS 允许发送 毕业设计论文14 9 RI 振铃提示 RS232 采用负逻辑电平 15 3 逻辑 1 15 3 逻辑 0 电压值通常在 7V 左右 在 RTS CTS DSR DTR 和 DCD 等控制线上 信号有效 接通 ON 状态 正电压 3V 15V 信号无效 断开 OFF 状态 负电压 3V 15V 计算机处理器控制的设备内部使用的是 TTL 电平 就是 5V 表示逻辑 1 0V 表示逻辑 0 本次使用的单片机内部就是以这种方式工作的 显然 RS232 串口和单片机不可以直 接相连 需要进行电平转换 可以使用 MAX232 芯片进行电平转换 电路图如下 图 3 8 RS232 转 TTL 电平 3 5 ATmega168 单片机 3 5 1 ATmega168 简介 ATmega168 是基于 AVR 增强型 RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器 由于其先进的指 令集以及单时钟周期指令执行时间 ATmega48 88 168 的数据吞吐率高达 1 MIPS MHz 从 而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾 AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工 作寄存器 所有的寄存器都直接与算术逻辑单元 ALU 相连接 使得一条指令可以在一个时 钟周期内同时访问两个独立的寄存器 这种结构大大提高了代码效率 并且具有比普通的CISC 微控制器最高至 10 倍的数据吞吐率 毕业设计论文15 图 3 9 AVR 单片机基本组成结构 ATmega168 有如下特点 4K 8K 16K 字节的系统内可编程 Flash 具有在编程过程中还可 以读的能力 RWW 256 512 512 字节 EEPROM 512 1K 1K 字节 SRAM 23 个通用 I O 口 线 32 个通用工作寄存器 三个具有比较模式的灵活的定时器 计数器 T C 片内 外 中断 可编程串行 USART 面向字节的两线串行接口 一个 SPI 串行端口 一个 6 路 10 位 ADC TQFP 与 MLF 封装的器件具有 8 路 10 位 ADC 具有片内振荡器的可编程看门狗定时 器 以及五种可以通过软件选择的省电模式 空闲模式时 CPU 停止工作 而 SRAM T C USART 两线串行接口 SPI 端口以及中断系 统继续工作 掉电模式时晶体振荡器停止振荡 所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工 作 寄存器的内容则一直保持 省电模式时异步定时器继续运行 以允许用户维持时间基准 毕业设计论文16 器件的其他部分则处于睡眠状态 ADC 噪声抑制模式时 CPU 和所有的 I O 模块停止运行 而异步定时器和 ADC 继续工作 以减少 ADC 转换时的开关噪声 Standby 模式时振荡器工 作而其他部分睡眠 使得器件只消耗极少的电流 同时具有快速启动能力 ATmega48 88 168 是以 Atmel 的高密度非易失性内存技术生产的 片内 ISP Flash 可 以通过 SPI 接口 通用编程器 或引导程序进行多次编程 引导程序可以使用任意接口将应用程序来下载到应用 Flash 存储区 在更新应用 Flash 存储区时引导程序区的代码继续运行 从而实现了FLASH 的 RWW 操作 通过将8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内 ATmega48 88 168 为许多嵌入式控制应用提供 了灵活而低成本的方案 ATmega48 88 168 AVR 有整套的开发工具 包括 C 编译器 宏汇编 程序调试器 仿真器和评估板 由于采用了高性能的 MCU 省掉了大量的外围器件 如外扩 RAM ROM 存储器等 使硬件结 构大大简化 提高了系统的可靠性 它与 51 单片机 PIC 单片机相比具有一系列的优点 1 在相同的系统时钟下 AVR 运行速度最快 2 芯片内部的 Flsah EEPROM SRAM 容量较大 3 所有型号的 Flash EEPROM 都可以反复烧写 全部支持在线编程烧写 ISP 4 多种频率的内部 RC 振荡器 上电自动复位 看门狗 启动延时等功能 零外围电路 也可以工作 5 每个 IO 口都可以以推换驱动的方式输出高 低电平 驱动能力强 6 内部资源丰富 一般都集成 AD DA 模数器 PWM SPI USART TWI I2C 通信口 丰富的中断源等 目前支持 AVR 单片机编译器的语言主要有汇编语言 C 语言 BASIC 语言等 其中 C 编译 器主要有 CodeVisionAVR AVRGCC IAR ICCAVR 等 C 语言编译器由于它具有功能强大 运 用灵活 代码小 运行速度快等先天性的优点 使得它在专业程序设计上具有不可代替的地 位 毕业设计论文17 3 5 2 最小系统 图 3 10 ATmega168 最小系统原理 1 电源电路 AVR 单片机最常用的是 5V 和 3V 的电压 图中利用三端稳压芯片的到 5V 和 3 3V 的电压 2 复位电路 ATmega168 内置了上电复位电路 当 AVR 工作时 按下 S1 开关 复位脚变低电平 触发 AVR 芯片 3 ISP 座子 用于程序的下载 通过 USBISP 下载线 把写好的程序烧写到单片机中 3 6 控制伺服电机 实验中使用辉盛公司生产的 12 公斤大扭力全金属齿轮舵机 MG945 MG945 全金属齿轮 12 公斤大扭力舵机 适合制作双足机器人 机械手等 毕业设计论文18 图 3 11 MG945 舵机 技术规格 技术规格 1 工作速度 0 24秒 60度 6V 2 工作电压 3 0V 7 2V 3 死区设定 4微秒 4 使用温度 0 55摄氏度 5 扭矩 12KG cm 6V 6 重量 62g 7 尺寸 40 8mmX20mmX37 3mm 一个舵机内部包括了一个小型直流马达 一组变速齿轮组 一个反馈可调电位器和一块 电子控制板 其中 高速转动的直流马达提供了原始动力 带动变速齿轮组 使之产生高扭 力的输出 齿轮组的变速比愈大 舵机的输出扭力也愈大 也就是说越能承受更大的重量 单转动的速度也愈低 一个微型伺服马达是一个典型闭环反馈系统 如下图 图 3 12 舵机的工作原理示意图 减速齿轮组由马达驱动 其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测 该电位器把 转角坐标转换为一比例电压反馈给控制单元 控制单元将其与输入的控制脉冲信号比较 产 生纠正脉冲 并驱动马达正向或反向地转动 使齿轮组的输出位置与期望值相符 从而达到 舵机精确定位的目的 毕业设计论文19 舵机的控制信号是脉冲位置调制信号 周期一般为 20ms 当方波的脉冲宽度改变时 舵 机转轴的角度发生变化 角度变化与脉冲宽度的变化成正比 一般舵机的输出轴转角与输入 信号的脉冲宽度之间的关系可用下图表示 图 3 13 控制信号脉冲宽度与输出轴转角的关系图 毕业设计论文20 第 4 章 遥控系统的软件设计 4 1 软件系统开发逻辑图 图 4 1 软件系统开发逻辑图 4 2 ARM9 嵌入式系统程序开发 4 2 1 宿主机开发环境的建立 绝大多数的 Linux 软件开发都是以 native 方式进行的即本机 Host 开发调试本机运行 这种方法通常不适用于嵌入式系统的软件开发 因为嵌入式系统没有足够的资源在本机 即 板子上系统 运行开发工具和调试工具 通常的嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译调 试的方式 交叉编译调试环境建立在宿主机 即一台 PC 机 上 对应的开发板叫做目标板 如下图所示 ARM9 开发板 选择串口 并初 始化 GSM 模块初始 化 发送接收端的 SIM卡号码及短 信 初始化接收端 GSM 模块 接收到短信 返 回 CMTI 经过 GPRS 网络 传输 开始 读取短信存储 的序号 用 AT CMGR 读取短信 提取指令内容 单片机根据指 令产生 PWM 信号 驱动电机 手臂完成规 定动作 毕业设计论文21 图 4 2 交叉编译环境 开发时使用宿主机上的交叉编译 汇编及链接工具形成可执行的二进制代码 这种可 执行代码不能在宿主机上执行 而只能在目标板上执行 然后把可执行文件下载到目标机上 运行 一般调试的方法包括串口调试和以太网口调试 对于本实验板 目前可采用串口调试 操作系统经过修改可以实现以太网口调试 宿主机和目标板的处理器一般都不相同 宿主机 为Intel或AMD处理器 而目标板如本实验板的处理器为ATMEL AT91RM9200 GNU编译器提供 这样的功能 在编译时可以选择开发所需的宿主机和目标机从而建立开发环境 所以在进行 嵌入式开发前第一步的工作就是要安装一台装有指定操作系统的PC机作宿主开发机 宿主机 上的操作系统一般要求安装Linux 但Linux由多个发行版本 在此 我们推荐使用Redhat 9 0 作为本实验板的宿主机PC操作系统 http www linuxiso org可以下载 然后要在宿主机 上建立交叉编译调试的开发环境 环境的建立需要许多的软件模块协同工作 这将是一个比 较繁杂的工作 但现在只要安装我们提供的光盘 开发软件包及GNU编译工具已完全自动完成 了 当开发环境安装完毕后 会在根目录下生成两个目录 工作目录 home arm 和交叉编译 环境目录 usr local arm 4 2 2 NFS 的配置 首先在 shell 提示符 root 执行 setup 弹出下图界面 毕业设计论文22 选中System services 回车进入系统服务选项菜单 在其中选中 nfs 然后退出 setup界面返回到命令提示符下 vim etc exports 将这个默认的空文件修改为只有如下一行内容 rw 即根目录可读写 和 rw 之间要要留空格 然后保存退出 wq 然后执行如下命令 运行以下命令启动NFS服务 etc rc d init d nfs restart 或 service nfs restart Shutting down NFS mountd OK Shutting down NFS daemon OK Shutting down NFS quotas OK Shutting down NFS services OK Starting NFS services OK Starting NFS quotas OK Starting NFS daemon OK Starting NFS mountd OK 这样就一切OK了 注意 启动完成后 可用如下办法简单测试一下NFS是否配置好了 PC机自己mount自己 看是否成功就可以判断NFS是否配好了 例如在PC机的根目录下执 行 假定PC机的IP是192 168 0 22 mount 192 168 0 22 mnt 然后到 mnt 目录下看是否可以列出所指定的 IP 的机器 可以是本机 当然可以测试其 它机器是否可以被 mount 根目录 下的所有文件和目录 可以则说明 mount 成功 NFS 配置成功 4 2 3 交叉编译环境的建立 开发板上的ttys0与PC的串口1相连 开发板的网卡与PC的网口相连 开发板接9V电源给开发板上电 毕业设计论文23 在 Windows 环境下启动超级终端 进入超级终端 输入连接名称 这个名称可以随便输入 您可以输入 semit 然后点击 确定 按钮 设置连接使用串口 1 COM1 点击 确定 进入 COM1 的属性设置窗口 毕业设计论文24 设置串口每秒位数为 115200 数据位为 8 奇偶校验无 停止位 1 数据流控 无 确定后进入超级终端窗口 按下本开发板上的复位键 具体位置见33 页SemitARM9200 开发板实物图及接口示意图 后启动开发板 进入如下界面 设置宿主机的IP 地址为 192 168 0 22 输入 mount t nfs 192 168 0 22 mnt 挂 载 建立交叉编译环境 挂载成功后输入 cd mnt 输入 ls 就可以看到 mnt 目录下面有哪些文件了 毕业设计论文25 4 3 网络命令传输程序设计 4 3 1 程序设计流程 Y N 图 4 3 短信发送流程 打开串口 串口初始化 GSM 模块初始 化 发送接收方号码 发送短信 再次发 送短 信 关闭串口 毕业设计论文26 打开串口 switch comport case 1 fd open dev ttyS0 O RDWR O NOCTTY O NDELAY break case 2 fd open dev ttyS1 O RDWR O NOCTTY O NDELAY Break case 3 fd open dev ttyS2 O RDWR O NOCTTY O NDELAY break case 4 fd