基于ARM和FPGA的智能小车监控系统

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                    　　0 引言
　　智能小车是机器人研究领域的一项重要内容。它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体。在各种移动机构中，智能小车的轮式移动机构最为常见。轮式移动机构之所以得到广泛的应用，主要是因为容易控制其移动速度和移动方向。智能小车可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段、人类无法介入等特殊情况下的任务。一般的智能小车操作控制复杂、功能单一、不能远程重构。
　　本文介绍的智能小车可移动视频监控系统，以“飞思卡尔杯”智能小车竞赛提供的车模装置为基础，利用ARM芯片S3C2440A控制图像采集、网络传输、速度采集干扰小的模块，利用FPGA芯片控制电机驱动、舵机控制、电量采集干扰大的模块，当上位机通过Internet访问智能小车服务器时，在监控界面上点击按钮来控制小车的运行、图像拍摄、速度采集。
　　1 系统总体设计
　　该系统采用三星公司的ARM芯片S3C2440A作为主控制芯片及Altera公司的FPGA芯片EP2C5T144C8作为辅助控制芯片，ARM上装有Windows CE5．0操作系统。S3C2440A内置丰富的外设资源包括中断控制器、GPIO、I2C、相机接口等接口电路，其内核为16／32位的ARM920T处理器，它集MMU，AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构与一体，主频可达400 MHz。
　　利用ARM9控制图像采集、速度采集、网络传输等功耗小、干扰弱的模块；利用FPGA单独控制功耗大、干扰强的直流电机、舵机、固态继电器以提高系统的抗干扰能力。ARM9和FPGA以并行总线的方式进行数据和控制信号的传输，需要注意的是ARM的I／O口需要设置为禁止上拉，否则无法和FPGA进行通信。该系统具体组成如图1所示。




　　S3C2440A芯片具有相机接口CAMIF，其内部单元如图3所示，CAMIF支持ITU-R BT．601／656YCbCr 8 b标准的图像数据输入，最大可采样4 09* 096像素的图像。该接口可以使用两种通道将图像数据存储在SDRAM中：一种是预览通道模式，将从相机接口采集到的图像数据转为RGB数据，并在DMA控制下传输到SDRAM，这种模式通常用来提供图像预览功能；另一种是编码通道模式，将图像数据按照YCbCr 4：2：0或者YCbCr 4：2：2的格式传输到SDRAM，这种模式主要为JPEC，MPEG-4，H．263等编码器提供图像数据的输入。




　　该系统运动控制包括电机控制和舵机控制两部分。电机控制如图5所示，PWM1，PWM2用于控制电机的转速，IN11，IN12，IN21，IN22用于控制电机正反转。舵机控制电路简单，外接有3根线，红色为电源线，黑色为地线，另外一个为PWM信号输入线。两者的主要控制信号是PWM信号，S3C2440A发送命令控制FPGA输出占空比可调的PWM信号。舵机PWM信号的周期固定为20 ms，脉宽分布在1～2 ms之间，因此选定PWM信号频率为50 Hz，占空比固定在5％～10％之间。直流电机PWM信号频率选定10 kHz，占空比可在0％～100％波动，当IN11=1，IN12=0，电机正转且转速随PWM1信号的占空比不同而变化，当IN11=0，IN12=1，电机反转且转速也随着PWM1信号占空比变化。
　　3 系统软件设计
　　3．1 图像采集驱动开发
　　该系统图像采集模块硬件电路由CMOS图像传感器芯片和S3C2440A的CAMIF单元组成。为此在编写图像采集驱动程序时，就需要对图像传感器芯片的寄存器和S3C2440A的CAMIF单元的寄存器同时配置，否则就得不到正常图像。S3C2440A以I2C总线的方式对CMOS图像传感器芯片的寄存器进行配置。
　　在WinCE下，图像采集驱动是基于流接口设计的。首先在CIS_Init函数下对相机接口的寄存器进行配置，主要配置功能包括：设置相机接口输出时钟；设置图像输入输出格式；设置裁剪图像偏移量；设置帧缓冲区中图像像素大小；设置编码通道和预览通道帧缓冲区起始地址。然后S3C2440A以I2C总线方式对OV9650的寄存器进行配置，需要注意的是相机接口的配置功能要和OV9650的配置功能完全一致，否则采集不到图像，两者之间通信协议如图6所示。最后利用API函数CreateThread()创建中断服务线程。




　　计数变量CNT虽然与速度成正比关系，但它并不是真正的行驶速度，需要经过一定的数学转换，才能传送到远程监控端并显示。假设车模后轮直径为D，光栅编码盘黑白相间的个数为M，在定时时间T秒内记得脉冲个数为N，则车模行驶速度：




　　远程地址栏输入服务端IP地址，点击“创建连接”按钮即可和服务器端进行连接，连接成功后，就可以进行一系列的命令发送。
　　4 结语
　　该设计在自制电路板板上进行了软、硬件的系统集成及测试。测试结果为：图像采集时钟24 MHz；图像采集速度为30 f／s；行同步频率为14．5 kHz，图像采集像素为640×480；JPEG压缩比达到10：1；运动控制命令响应时间为5μs，网络传输速率达10 Mb／s。