基于ARM和FPGA的智能小车监控系统

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。



2 系统硬件电路设计
2．1 图像采集电路设计
图像采集模块选用OmniVision公司的CMOS图像传感器OV9650，可达130万像素，具有标准SCCB(setial camera control bus)接口，通过该接口可以方便地设置图像像素大小、输出YCbCr顺序、白平衡、色饱和等重要参数。
S3C2440A可以直接和CMOS图像传感器OV9650连接，如图2所示。OV9650的PWDN引脚与S3C2440A的GPG12引脚相连，这样可以控制OV9650的工作状态。当无须采集图像时，将GPG12输出高电平，OV9650芯片处于掉电模式，节省电能消耗。OV9650可输出YCbCr，RGB两种格式的数据，当输出YCbCr格式时，要用到数据线的D2～D9；当输出RGB格式时，则需要用数据线D0～D9。本文采用YCbCr格式，数据线D2～D9与S3C2440A的CAMDATA0～CAMDATA7相连。


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4 096×4 096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。
2．2 网络传输模块电路设计
网络传输模块选用DAVICOM公司推出的一款高速以太网接口芯片DM9000A，内部集成10／100M物理层接口，16 KB SRAM用作接收发送的F-IFO缓存，支持8／16 b内存数据存取接口。
S3C2440A内部没有专用以太网控制器，需要外部总线外挂一个以太网控制器，才能实现S3C2440A连接以太网的需要，该系统选用DM9000A作为以太网的物理层接口。DM9000A与S3C2440A的连接比较简单，如图4所示。S3C2440A数据总线DATA0～DATA15与芯片的SD0～SD15连接；地址线ADDR2与芯片的CMD连接；片选线nGCS3与芯片nCS的相连；9号外中断与芯片的INT相连。DM9000A以太网控制器的工作基址为0x300，而S3C2440A的地址线ADDR2与芯片的命令／数据使能端CMD相连，所以对其进行操作时的地址是0x300(地址端口)或0x304(数据端口)。
2．3 运动控制电路设计
速度采集模块由红外传感器和脉冲整形电路组成，经整形后的脉冲送往ARM中断进行脉冲捕获。运动控制模块选用型号为RS-380SH的直流电机控制车模的前进或后退，选用型号为FUTABA-S3010的舵机控制车模的转向，电机驱动芯片选用L298N实现对电机调速、正反转的控制。


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。


中断服务线程函数负责具体的中断操作，在该线程函数内利用CreateEent()函数创建CAMIF单元的中断事件。然后调用InterruptInitia-lize()函数将该中断事件与CAMIF单元的逻辑中断相关联。最后调用Wait For SingleObject()等待中断事件的到来，当中断到来时，将读取事件置位，在应用程序中即可利用ReadFile()函数读取YCbCr数据，为图像压缩提供数据源。
3．2 速度采集程序设计
速度传感器由红外反射式传感器和施密特触发器组成，经过施密特触发器整形后信号的频率与速度相关，通过测量该信号频率计算车模行驶速度。在Windows CE中，API函数SetTimer()可以设置定时器编号和定时时间，当定时时间到达时，执行消息响应函数OnTimer。速度采集流程如图7所示。调用SetTimer函数设置定时器初值，当外部中断EINT_19产生时，即一个脉冲信号到来，计数变量CNT加1，当SetTimer()函数设置的时间到来时，执行OnTimer()函数，该函数负责计算车模速度并将计数变量CNT清0。


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：

3．3 网络传输程序设计
该系统网络传输程序是基于TCP协议来实现的。S3C2440A组成的嵌入式设备作为服务器负责图像采集、速度采集、车模控制。服务器调用accept()函数等待客户端的连接请求，服务器端接收该连接请求后，双方就此建立了连接。客户端通过send()发送请求命令，服务器调用recv()函数接收该请求命令，通过命令解析来执行具体的操作，若收到图像采集命令，服务器端打开摄像头驱动，设置图像像素大小后，将采集到YCbCr数据进行JPEG的压缩并保存为．jpg格式的图片。然后将该图片发送到客户端，客户端将该图片在图像显示区域显示；若收到速度采集命令，服务器端打开定时器，打开外部中断EINT19，用于计数，当定时时间到后，将计数脉冲转换为以cm／s为单位的速度发送到客户端，客户端将采集到速度在速度显示区显示；若收到控制车模运行状态，如前进、后退、左转、右转，服务器端打开GPIO驱动，通过GPIO端口输出控制信号，控制FPGA输出占空比可调的PWM信号，即可控制车模的运行状态。
客户端负责发送控制车模、图像采集、速度采集的命令，然后将服务器端发送过来的图像、速度信息进行显示。客户端的监控界面如图8所示。


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。