基于A(yíng)RM-Linux的自主避障機器魚(yú)設計
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1 硬件系統設計
1．1 工作原理
機器魚(yú)主硬件原理如圖1所示。機器魚(yú)的自主避障功能是通過(guò)以ARM芯片、LINUX嵌入式系統、紅外傳感器等結合實(shí)現的。機器魚(yú)在水中分別通過(guò)攝像頭、紅外傳感器、LCD進(jìn)行畫(huà)面采集、自主避障和畫(huà)而顯示。攝像頭采集到圖片后，圖像被緩存于SDRAM中。ARM芯片通過(guò)紅外傳感器的AD管腳向發(fā)射器傳送命令，使探測器的發(fā)射模塊不斷地向外發(fā)送紅外線(xiàn)，當接收器接收到返回的紅外線(xiàn)后會(huì )立刻通過(guò)AD管腳向ARM芯片傳送與紅外線(xiàn)返回的光強相應的電壓，電壓經(jīng)過(guò)ARM芯片的A／D轉換器轉變成十位的二進(jìn)制數字量，通過(guò)一定的公式計算出此時(shí)與障礙物的距離。當計算出來(lái)的距離小于預設量時(shí)，ARM芯片的控制軟件執行一個(gè)串行中斷指令改變脈沖的脈寬即改變改PWM波的占空比變，進(jìn)而改變機器魚(yú)的游向從而避開(kāi)障礙物。
1．2 ARM芯片模塊設計
ARM處理器擁有16／32Bit內核和具有450MIPS運算能力。400MHz的標準工作頻率可滿(mǎn)足高速的應用要求。ARM主芯片有內置數字攝像頭接口，可選配130萬(wàn)像素CMOS號業(yè)攝像頭進(jìn)行圖像采集。ARM處理器的外圍擴展了64M的SDRAM和FLASH，ARM主芯片支持Linux、uCOS-II、WINCE等操作系統。ARM芯片高度集成，主芯片擁有CPU、Nand flash、Nor flash、Ethernet controller等資源。CPU內的所有可用資源可通過(guò)200pin引腳引出。接口核心板可以單獨構成系統，無(wú)需外圍器件。
嵌入式Linux (Embedded Linux)是指對標準Linux經(jīng)過(guò)小型化裁剪處理之后，能夠固化在容量只有幾KB或者幾MB字節的存儲器芯片或單片機中。它具有成本低、源代碼開(kāi)放和移植性好的優(yōu)點(diǎn)。在工程中得到了廣泛的應用，適合于特定嵌入式的應用場(chǎng)合。
1．3 紅外模塊
紅外線(xiàn)是介于可見(jiàn)光和微波之間的一種電磁波。它兼具可見(jiàn)光折射、反射、直線(xiàn)傳播以及微波的貫穿一些不透明物質(zhì)和較強的穿透的能力。紅外傳感器包括紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊?？茖W(xué)實(shí)驗表明溫度高于絕對零度的任何物體均可產(chǎn)生紅外輻射，因此紅外傳感器要有更強的發(fā)射紅外的能力。
距離探測器的類(lèi)型主要有激光探測器、視覺(jué)探測器、超聲波傳感器和紅外傳感器。由于激光探測器和視覺(jué)探測器比較昂貴而且對控制器的要求很高，所以不選為機器魚(yú)的避障器。超聲波傳感器測距范圍一般在30～300 cm，可見(jiàn)短距離測距是超聲波傳感器的盲區。能“看”到幾米之外障礙物對于機器魚(yú)的意義并不大，而紅外傳感器的測距距離一般在幾十厘米之內，因此我們選擇紅外傳感器作為機器魚(yú)的避障器。
GP2YOA21YK0F是夏普的一款距離測量傳感器。它由PSD(position sensitive detector)、IRFD(infrared emitting diode)以及信號處理電路三部分組成。由于采用了三角測量方法，所以被測環(huán)境溫度、物體的材質(zhì)以及測量時(shí)間均不會(huì )影響傳感器的測量結果的精確度。接收到反射回來(lái)的紅外線(xiàn)后，傳感器輸出一個(gè)與返回光強成正比模擬電壓。輸出的模擬電壓經(jīng)過(guò)ARM的A／D轉換器變成數字量，數字量傳到MCU后以一定的算法計算出機器魚(yú)與障礙物之間的距離。將探測的結果與預設值比較，若大于預設值則不執行中斷即繼續前進(jìn)，否則執行中斷進(jìn)行避障。紅外傳感器硬件原理如圖2所示。
1．4 攝像頭模塊
為機器魚(yú)配備的攝像頭是CMOS數字圖象傳感器。采用的是Ommvision公司的OV9650，OV9650具有130萬(wàn)的像素、10Bit的數據接口與標準SCCB接口，其分辨率達1280x1024并采用CSP-28封裝該攝像頭用類(lèi)似于IIc總線(xiàn)的Secb總線(xiàn)連接到ARM主芯片的IIc接口進(jìn)行通信。在A(yíng)RM芯片中，攝像頭的接口控制模塊(CAMIF)由圖像采集模塊、視頻預覽尺度模塊、模式混合模塊、特殊功能寄存器(SFR)模塊、碼流尺度模塊、視頻預覽DMA模塊以及碼流DMA模塊構成。COMS攝像頭OV9650輸出的ITU-656格式視頻碼流，經(jīng)CAMIF處理后，將采集到的視頻碼流成兩路不同的格式進(jìn)行傳輸，兩路格式不同的信號分別進(jìn)入不同的幀存儲單元進(jìn)行存貯，之后根據ARM控制器的指令通過(guò)視頻DMA通道進(jìn)行傳輸。攝像頭原理如圖3所示。
1．5 LCD模塊
LCD液品顯示器是(Liquid Crystal Display)的簡(jiǎn)稱(chēng)，LCD的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線(xiàn)，透過(guò)通電與否來(lái)控制桿狀水晶分子改變方向，將光線(xiàn)折射出來(lái)產(chǎn)生畫(huà)面。LCD有扭轉式向列型(Super Twisted Nematic，簡(jiǎn)稱(chēng)STN)和薄膜式晶體管型(Thin Film Transistor，簡(jiǎn)稱(chēng)TFT)兩種主流類(lèi)型。因為T(mén)FT有反應速度快、可視角度大、色彩豐富、分辨率高、對比度、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，所以我們選擇TFT的LCD。LCD硬件原理、LCD控制器功能如圖4所示。
LCD的工作受其控制器控制完成，圖5為L(cháng)CD控制器功能圖。通過(guò)LCD控制器的寄存器組REGBANK來(lái)對LCD控制器的各項參數進(jìn)行設置。而LCDCDMA則是LCD控制器專(zhuān)用的DMA通道，負責將視頻數據從顯存(顯存是SDRAM中的一塊區域，可利用REGBANK編程設定)中取出，并從VIDPRCS從VD[23：0]發(fā)送給LCD屏。同時(shí)LPC3600和TIMECEN負責產(chǎn)生LCD屏所需的控制時(shí)，然后從VIDEOMUX送給LCD屏。TIMEGEN包含可編程邏輯，可通過(guò)程序進(jìn)行設定。TIMEGEN能產(chǎn)生不同LCD屏驅動(dòng)電路所需要的時(shí)序信號。
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