嵌入式智能控制器

嵌入式智能控制器（共11篇）

嵌入式智能控制器 篇1

0 引言

近年来,随着城市化进程的飞速发展,城市建筑物呈现出高层化、密集化、多样化等特点,直接导致了消防工作危险性和难度不断加大。如何能够快速有效的执行消防救援同时保障消防人员安全显得尤为重要,在众多消防装备中流量大、射程远的消防水炮已成为一种扑救大型及危险火灾的重要灭火装备。传统消防水炮分为手动和电动控制两种模式,为了适应不同的环境需要,通常将两种模式结合,设置模式切换功能。

本文介绍的智能多模消防水炮采用电动控制,同时具备面板按键线控和远距离遥控模式,能够适应多种应用场合。可实现消防水炮喷射方向的全方位调整以及水流喷射模式的切换(直流/喷雾),具备多角度智能自摆,能根据实际情况设定水炮自摆角度范围,实现自动作业。较之常见的水力自摆式消防水炮,具备体积重量小,自摆角度多级可调,受水流影响小,精度较高,安全可靠,适应范围广等优点。能够大为简化消防人员的操作,有效提高消防灭火工作效率,同时保障安全。

1 水炮控制系统的整体硬件设计

控制系统是消防水炮的重要组成部分,由驱动模块、方向定位模块、变流模块,液晶显示模块、上/下位机控制电路等构成。

驱动模块主要是为方向定位、变流模块提供动力,考虑到本设备经常应用在消防车辆上,故选择直流电机驱动。方向定位模块由水平定位装置和垂直定位装置配合完成,由两个定位系统的直流电机驱动。当需要对水炮炮口的指向进行定位的时候,分别控制水平和垂直两部分定位系统,调整水炮的水平和垂直方位,完成水炮的空间定位。变流模块由一独立直流电机控制,当需要变换水炮的喷水模式时,电机带动变流装置,实现水流喷射模式的切换:直流或喷雾模式。液晶显示模块实现电源状态、电池电量、工作状态和自摆角度等信号的显示。

综合考虑各种控制形式的优缺点,结合消防现场的实际情况,智能多模消防水炮的控制系统采用基于LPC2131 ARM处理器为核心的两级分布式控制的方法,上下位机之间通过无线系统传递命令,即下位机按照上位机发出的指令驱动相应的模块实现动作。

在本控制系统中,上位机和下位机都是基于ARM控制模块而设计的,ARM控制模块以LPC2131处理器为核心,为其他模块提供控制信号,完成方向定位、变流、自摆角度控制等操作。上位机是以LPC2131处理器为核心的遥控器系统,主要由ARM控制模块、键盘模块以及无线发射模块构成,其作用是通过各功能键向下位机发送指令,实现对遥控消防水炮的直流电机进行远距离控制。下位机安装于水炮附近,内部集成有三个直流电机(两个定位系统电机,一个变流系统电机)的驱动电路、直流电源接口和控制电路。下位机控制电路由ARM控制模块、无线接收模块、电机驱动模块组成,其作用是根据上位机传送的参数和指令进行动作,控制两个定位电机和一个变流电机,进行炮口的空间定位和水流喷射模式的切换。图1为消防水炮控制系统总体结构。

2 控制系统的多模实现

消防水炮控制系统具有三种控制模式:手动、按键线控和无线遥控。后两种控制形式为并行运行模式,无线遥控信号与按键信号一致,均可实现控制消防水炮的上下、左右和前后(直流/喷雾)的运行状态。控制系统根据按键或者遥控信号分别驱动水平、垂直和前后这三组电机,做出相应的控制动作,使消防水炮按要求运行。

无线遥控部分考虑到实际火灾现场环境较为恶劣,在设计中应充分考虑其抗干扰能力和传输距离等参数,综合各项因素后决定采用射频通信。在相同的电压条件下,无线电的频率越高,其传输的距离也越远,抗干扰能力也越强;同样,发射功率越大,其抗干扰能力和传输距离也会相应增强。在调制方式方面,干扰一般是影响信号的幅度,而对其频率基本无影响,因此移频键控(FSK)较振幅键控(ASK)具有较好的抗干扰性能力和电声指标。

且实际消防作业中的控制距离一般均在200m范围内,因此本设计中无线遥控方案采用FSK调制方式下的TDA5101/TDA5211的发送/接收模块。其结构如图2所示。

3 控制系统的软件设计

整个控制系统的软件设计主要包括两大部分:上位机控制系统程序模块和下位机控制系统程序模块。上位机程序模块主要用于进行键盘按键的连续扫描,确认键值后通过无线发射模块TDA5101向下位机发送控制指令,下位机程序模块通过无线接收模块TDA5211接收上位机发送来的指令,调用相应的直流电机控制子程序,对水炮系统的各驱动电机进行综合控制。

整个软件部分采用动态分时扫描的执行原则,按键或遥控信号的扫描每50ms执行1次,判断是否有新的信号出现。当出现新的控制信号时执行相应的运动,出现限位信号时执行相应的停止控制。当按键或遥控信号为自摆时,水炮在水平方向以限位开关为中点按照一定的角度摆动,自摆分为3个档位,在自摆过程中能够同时响应垂直和前后的控制信号。控制系统软件流程如图3所示。

4 整合调试

在系统测试过程中,针对自摆过程中的角度限位问题,设计初期采用建立转速-时间表,通过查表来控制角度,其精度较差且在实际工作时电机转速会在一定区间变化,造成误差较大,影响实际操作效果。后期采用分布式光电传感器来控制角度限位,较好解决了该问题。同时,根据实际消防救援的特点和需要,将线控按键扫描和遥控按键扫描优先级进行适当调整,使按键线控模式优先,保障了操作的合理性和便利性。

通过对控制系统的软硬件进行整合调试,智能多模消防水炮控制系统在按键线控模式和无线遥控模式下各模块均能够即时响应各类按键控制信号,遥控模式下最大控制距离达到200m以上,水炮的各功能部件工作正常,满足设计要求。

5 结束语

与传统手动/电动控制消防水炮相比,本文所设计的智能多模消防水炮不仅具有手动、按键线控和无线遥控3种控制模式,同时具备多角度自摆功能,较好的满足了不同情况下消防救援的需要。多种模式确保了该消防水炮具有高效、安全可靠、自动化水平高和减少操作人员操作强度等性能,能够在有效消灭火灾的同时保护消防救援人员的人身安全。

摘要：本文详细介绍了一种基于嵌入式控制器的智能消防水炮控制系统设计。该消防水炮控制系统采用LPC2131 ARM处理器作为核心控制器,通过远距离遥控消防作业,可实现消防水炮喷射方向的全方位调整以及水流喷射模式的切换,同时具备多角度智能自摆等功能。系统结构设计简单、性能可靠,大为降低了火灾现场对消防人员的安全威胁,具有很高的实用价值。

关键词：消防水炮,多模,LPC2131,ARM

参考文献

[1]唐国栋,高云国.基于L297/L298芯片步进电机的单片机控制[J].微计算机信息,2006,22.

[2]庄蔚.大空间建筑消防给水系统设计综述[J].给水排水,2007,33(S2).

[3]王晔.水枪与水炮[J].消防技术与产品信息,2007,9.

[4]路德维格.射频电路设计:理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2005.

[5]刘申友,袁宏永,等.定点灭火智能消防水炮[J].中国安全科学学报,2001,(4):37-41.

[6]周立功编著.ARM微控制器基础与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

嵌入式智能控制器 篇2

应用温室技术进行农作物种植是实现我国农业现代化过程中的重要环节,温度和湿度是温室控制中的重要环境参数.为实现对多点温湿度数据的.自动监测,设计了以32位ARM处理器S3C44B0X为核心的多路数据采集和处理系统.该系统采用单一采集中心和多个智能采集节点的分布式结构,节点与中心采用RS-485总线进行通信,采集中心实时地收集、处理和显示各智能节点传回的温湿度数据,可有效提高数据采集工作的效率和稳定性.

作 者：黄伟锋 叶祥 作者单位：黄伟锋(仲恺农业工程学院,机电工程学院,广州,510225;华南农业大学,工程学院,广州,510642)

叶祥(仲恺农业工程学院,机电工程学院,广州,510225)

嵌入式智能控制器 篇3

【关键词】WIFI；嵌入式Web 服务器；智能家电；温度传感器；http；蓝牙

1.基于嵌入式WEB技术的智能家电监控系统概述

随着物质条件改善，人们不断追求高品质的生活方式，对家居自动化的要求也日益提高，传统有线智能家居已逐渐不能适应新形势下的需求。安装简单、自动组网、调试迅速等是未来智能家居发展的必备特点，WLAN作为新一代无线智能家居符合现代生活快节奏、高效率的基本需求。基于智能家电无线传输和控制的需求，嵌入式远程采集和控制设备，以逐步应用到新一代智能家电设备中。结合不断发展的随着物联网和云技术，智能家电将给人们的生活带来方便快捷的服务体验，具有关阔的发展空间和市场前景[1]。

以网络为基础的智能家电监控系统是新一代智能家电系统发展的主流，而随着计算机网络技术和物联网技术的进步，基于嵌入式WEB的网络智能家电系统逐渐得到了人们的广泛关注[2]，其主要原理是：智能家电系统采用嵌入式实时操作系统，内置嵌入式WEB服务器，将采集到的家电信息，传送到内置的WEB服务器。用户可以直接通过浏览器查看WEB服务器上的家电状态信息，授权用户还可以根据需求对家电设置控制信息。本文所述的智能家电监控系统的原理图如图1所示。

图 1 嵌入智能家电监控系统

嵌入式WEB服务器是整个监控系统的核心，有硬件和软件两个部分，详细结构将在下文分别介绍。

2.嵌入式智能家电监控系统的硬件结构

嵌入式智能家电监控系统的硬件结构如图2所示。其主要由CPU芯片、Flash芯片、SDRAM内存、EEROM（M24C02）、无线WIFI和带蓝牙控制的灯具组成。其中CPU采用意法半导体公司的STM32F103ZET6，STM32系芯片采用列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。蓝牙CSR的CSR8811无线芯片，WIFI采用CSR6030无线芯片。

其中蓝牙设备之间采用蓝牙协议进行无线通信；CSR6030与无线AP相连接入以太网， CSR6030与CPU采用CSPI协议于SDIO接口通信；EERPOM和温度传感器使用IIC总线通信，空调模块与主嵌入式CPU模块采用UART通信。其中存储管理模块的主要功能分两部分，第一是将用户设置的进行权限控制参数写入EEROM，方便用户管理。第二记录用户设置的设备参数，方便设备控制。

图 2 嵌入式智能家电监控系统的硬件结构

3.嵌入式智能家电监控系统的软件

嵌入式智能家电监控系统的软件设计与实现是本系统实现的重点，分为嵌入式操作系统与应用软件两大部分。

3.1嵌入式操作系统

嵌入式操作系统是支持嵌入式系统应用的操作系统软件，是在系统实时性、硬件相关性、软件固态化等方面有着突出特点的专用操作系统。本系统采用嵌入式Free RTOS操作系统。Free RTOS是一个迷你操作系统内核的小型嵌入式系统。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要[3]。Free RTOS操作系统是完全免费的、具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的操作系统，方便地移植和裁剪适用于智能家电领域。

3.2智能家电系统软件设计实现

图3 嵌入式 WEB 服务器的软件整体架构

嵌入式智能家电监控系统的嵌入式 WEB 服务器的软件整体架构如图3所示。其主要由BSP 驱动层、HAL硬件接口抽象层、 WIFI 协议栈、蓝牙协议栈、和应用程序组成。其中应用部分嵌入式WEB是本文的应用的重点。蓝牙主要用于传输和控制蓝牙等的状态，并与主CPU模块上的蓝牙通信。应用程序部分，实现主CPU模块上的WIFI模块接收到的用户控制命令或信息转发给蓝牙模块或本地应用模块，同时调用WIFI、TCP/IP的接口将蓝牙采集到的数据和本地采集的数据打包传输给客户端。本文具体实例微蓝牙采集和控制灯的状态；本地应用模块为空调参数采集控制模块和温度传感器。

3.2.1嵌入式web服务器的设计

嵌入式Web 服务器运行的目标系统大多是各类专用设备，内存资源和存储器资源非常有限，它通常作为一种监控、管理手段去控制和配置各种电子设备，实现设备的智能化和信息化。

嵌入式Web服务器的研究和应用意义是重大的。它为我们管理、控制和监测各种各样设备提供了一个很好的途径。可以应用与资源的资源有限的嵌入式系统，为其提供用户界面，并通过Internet连接到广域网，使远程访问成为现实。

嵌入式 Web 服务器有httpd、Boa 和thttpd 等，其中httpd 最小，代码量小，功能简单，但不支持CGI[4]；智能家电控制系统采用开源的CGI源码，并做相应的裁剪。与系统的TCP/IP的接口结合，实现HTTP SERVER功能，实现嵌入式WEB功能，其结构图5所示。

裁剪的CGI处理程序主要实现的接口的功能，打包属于应用数据的动态WEB页面数据，并调用TCP/IP的接口发送；对接收到的http协议数据进行解析，并调用对应的模块接口，完成数据的存储，控制等功能。

图4 嵌入式 WEB 服务器的wifi软件结构图

图5 嵌入式 WEB 服务器应用框图

3.2.2嵌入式web服务器的实现

本系统在监控端使用浏览器对家电进行远程监控，浏览器的运行不受平台限制，与嵌入式WEB服务器所运行的分离，浏览远程监控时不需要特意开发第三方软件，可跨平台使用。使用本系统在监控端web的界面实例如图6所示。

图 6 监控端浏览视频界面

4.结束语

本文介绍了一个基于嵌入式WEB技术的智能家电系统的设计与实现，本系统的主要特点在于：服务器的设计基于嵌入式WEB技术；支持动态IP，可以直接连入以太网，能为智能家电的发展提供强有力的技术支持。相信随着无联网和云技术的不断发展，基于嵌入式WEB在智能家电系统必将有良好的发展前景。

【参考文献】

[1]市场细分化促智能家居行业成熟[D].物联网在线，2010.

[2]王崇泉.嵌入式WEB服务器[D].浙江大学，2005.

[3]基于ATmega单片机RTOS的双波长激光治疗仪控制系统研究[D].天津大学，2012.

嵌入式控制器简介 篇4

关键词：内部结构框图,功能

嵌入式控制器简称EC，用于控制主要I/O的周边设备，例如：键盘、鼠标、触摸屏等；它可以让笔记本完成各种复杂的ACPI电源管理（包括风扇控制管理）等等；EC除了本身硬件之外，还需要微代码的支持。很多EC都采用了share memory的架构，也就是EC的代码和系统BIOS代码共同储存于同一个Flash Rom内。目前用的ECIT8510/8511/8512/8752综合了以前KB M38857以及SIO IT8712F＿I的功能；也将以前电路中需要自己作的一些其他的功能整合到一颗IC里面；节省了成本。EC的具体功能有：1.Power Sequence control;2.Inverter backlight control;3.battery control;4.FAN control;5.Keyboard control;6.PS/2device control;7.LID＿SW#control;8.IR;9.Audio DJ/Instant on;10.light sensor……

FAN control目前将侦测风扇转速的功能作到EC里面，由EC控制风扇的转速，之前用比较器之类的器件自己组成风扇控制电路，现在在EC里面，直接可以根据温度曲线发出DA/PWM信号来控制风扇的速度，目前用的最多的四线风扇，用PWM信号来控制，无噪音。EC的内部架构框图如图1所示。

EC的功能如图2所示。

EC的演变，IT8510,8511增加H/W CIR功能和增加15 GPIO pins，与8510兼容。8512的Flash ROM support SPI ROM I/F,Reduce pins but not reduce GPIOs。

EC将很多功能集成在一起由firmware来支持，但是EC一旦死掉将会对系统造成影响，特别是对thermal的控制这一块，所以线路中一定要预留南北桥对系统的控制信号，如Thermaltrip#，EC firmware的更新增加了系统对firmware的依赖。

参考文献

嵌入式智能控制器 篇5

时间：2009-04-01 10:48:23 来源：微计算机信息 作者：李朋飞 鲁凯生 罗刚 冯常奇 引言

随着工业自动化水平的提高，远程控制成了应用越来越多的控制手段，常用的远程控制方式有基于以太网、GPRS、GSM短消息、电话网等。电话网络是覆盖面最广的网络，且电话通信的费用低廉，这就为利用电话网进行远程控制提供了可能。本控制器采用性价比较高的单片机AT89C51作为中控CPU控制MT8870对电话按键的双音多频信号进行解码，来实现通过对电话按键的操作来控制远端的被控对象，通过可录放语音芯片ISD1110来播放提示语音。设计实现了操作简单、安装方便，低成本的嵌入式远程控制器。该控制器能够检测电话振铃信号，自动模拟摘机，操作者根据语音提示就可以很方便的查询被控对象的运行状态，操作电话按键就可以改变被控对象的运行状态。2 系统功能和结构

本系统主要解决的问题是如何利用电话线传递控制信息。电话线上所传输的是双音多频信号（DTMF信号），这里直接利用电话线传递的DTMF信号来传递控制信息实现对远端控制对象的控制操作。系统主要完成的功能是对DTMF信号的解码，通过单片机对解码结果进行译码，根据译码结果发出相应的控制信号，驱动控制电路进行指定的控制操作。系统还必须能够识别电话振铃信号，在指定的时间内检测到规定的振铃次数（5次）则接通电话，播放提示语音。通过对电话按键的操作来远程控制被控对象。本系统主要设置了振铃检测、模拟摘机、模拟挂机、DTMF解码、语音、继电器驱动等电路。系统结构框图如图1：

系统工作过程：

振铃检测电路用于检测振铃信号，当检测到有振铃信号时，对振铃进行记数如果振铃次数小于5次该控制器不动作，若振铃次数大于5次表示要进行控制，单片机输出信号给模拟摘/挂机电路模拟摘机，此时控制器就和控制中心的电话接通。该控制器为防止误操作设置了密码保护功能，当控制中心通过拨打电话与控制器接通后，单片机输出信号给语音电路播放密码提示语音，控制者可以通过电话按键输入密码，控制系统接收由电话线传送来的DTMF信号，由MT8870对电话按键的DTMF信号进行解码，如果密码正确操作者就可以根据语音提示完成状态查询或是控制动作。3．硬件电路组成

系统硬件主要由振铃检测电路、模拟摘挂机电路、DTMF信号解码电路、语音电路和输出驱动电路等几部分组成。3．1振铃检测、模拟摘机电路

振铃检测、模拟摘机电路如图2，振铃检测电路是由光耦TLP521-1和74LS123构成。当有电话呼入时，电话线上传输的25HZ、90V的交流振铃信号由C1、C2隔离直流后由整流桥整流，整流后的直流电压值较高，经光电隔离器U1后输出TTL脉冲信号，该脉冲经74LS123整形成大方波信号，该方波信号送至单片机的P3.5引脚进行计数，当计数值达到预设值时，单片机P1.0引脚输出高电平，三极管Q1导通则继电器K1动作，将负载电阻R5（330Ω）接入电路实现模拟摘机。这里所说的模拟摘机是指将R5接入电路后，电话线上就会出现大于10mA的电流，交换中心检测到这一电流后就不再输出振铃信号而是转为接通电话。人们手动摘机接通电话时的工作过程与此一致，因此称为模拟摘机。如果振铃信号没有达到预设值就消失，则单片机的计数值清零，控制器不动作。

3．2 DTMF信号解码电路 频率（HZ）1209 1336 1477 1633 697 1 2 3 A 770 4 5 6 B 652 7 8 9 C 941 * 0 # D DTMF(Dural Tone Multiple Frequency)

表1 电话按键DTMF频率对应表

主要用于电话交换系统，它是由两个不同频率的音频信号叠加而成的复合信号，这些音频信号不存在任何谐波关系，分为高音组和低音组，电话机每个按键对应一组DTMF信号，对应关系如表1所示。

本系统采用MT8870作为DTMF信号的解码芯片，MT8870的结构如图3：

MT8870是加拿大Mitel公司生产的一种集成度高，应用普遍的通信类集成电路芯片，MT8870可以方便的和单片机接口，其主要功能是完成双音多频（DTMF）信号的接收和识别，它可用于有线

电话网，无线移动通信网和计算机通信网的终端设备。DTMF信号通过IN－端输入MT8870,GS引脚接反馈电阻对输入的DTMF信号进行放大，OSC1和OSC2引脚之间接一个3.5795MHZ的晶振，产生DTMF信号双音对中各单音比较信号。信号在MT8870内经过滤波、放大、高低频分离，再经过数字处理转化为与DTMF信号相对应的二 进制编码。DTMF信号解码为4位二进制码，由Q1~Q4直接输出，如按下电话“1”号键,则电话线上就有高频1209 HZ和低频697 HZ的DTMF信号 表 2 MT8870解码表传播，此信号进入MT8870进行解码，解码的结果由Q1、Q2，Q3、Q4，输出，MT8870输出结果与电话按键的对应关系如表2所示。芯片STD引脚提供DTMF信号检测输出，当MT8870接收到DTMF信号并解码完成后该引脚为高电平，平时该引脚为低电平，该信号通过反相后可向单片机申请中断，TOE引脚为输出使能端，当TOE为高电平时解码结果可以从Q1~Q4输出。TOE为低电平时Q1~Q4引脚为高阻态。MT8870与单片机的接口电路如图4。

3．3 语音电路

在语音控制与语音录放电路中采用ISD1110芯片制作数字录音器件，该语音芯片是美国ISD公司的ISD系列单片语音录放集成电路的一种。它采用直接模拟量存储技术，将每个采样值直接存储在片内的快速闪存中，能较好的保留模拟量中的有效成分，音质较好，该器件采用CMOS工艺制造，片内含时钟、话筒运放、自动增益控制、噪声滤波、平滑滤波和扬声器放大器。最小的语音录放系统仅由一个话筒、喇叭和几个电阻电容、按键组成。目前在语音录放设计中应用十分广泛。

ISD1110引脚排列如图5所示。各引脚功能如下： A0~A7 地址输入/模式控制； VSSA、VSSD 模拟地和数字地； SP+、SP-扬声器输出的正负端； VCCA、VCCD 模拟和数字电源正端； MIC 话筒输入端；

MIC REF话筒输入参考端； AGC 自动增益控制；

ANA IN、ANA OUT 模拟输入输出； /REC 录音低电平有效； /PLAYL 电平触发放音； /PLAYE边沿触发放音； XCLK 外部时钟； /RECLED 录音指示。4软件设计

系统程序采用C51编写，用高级语言开发单片机系统，具有开发周期短，软件可移植性强等优点。系统程序设计主要分两部分，一部分是系统对振铃信号进行计数，当计数值达到预设值时输出控制信号模拟接通电话；另一部分就是对电话按键的解码，实现相应的操作。系统程序流程图如图6

5结语

嵌入式电话遥控作为一种较新的课题与常规的遥控方式相比，显示出很大的优越性，它不需要专门的布线，不占用无线电频率资源，同时可以利用现有的成熟的电话网络实现跨省市的远程控制。

嵌入式智能控制器 篇6

关键词：智能家居；Linux系统；arm9；以太网

中图分类号：TP273.5

随着计算机与嵌入式技术的生活化，各种智能化、信息化的消费电子产品不断涌现。这些家用电器在方便人们的生活，提高人们的生活质量的同时，也提出了一个问题，如何对家庭中越来越多的信息家电进行有效的控制。智能家居是由欧美等发达国家提出的一种概念，旨在将家庭中离散的信息设备连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视控制和家庭事务的管理。随着网络技术和通信技术的不断发展和人们对生活要求的不断提高，实现家庭智能远程控制成为一种趋势，追求精神内涵、安全舒适、便捷智能化和自动化为理想目标。为此，本文提出了一种基于arm9处理器S3C2440的智能家居远程控制系统的设计方法。

1 系统设计

本系统通过多个不同的模块，包括处理器模块、显示模块、存储模块、家电控制模块、安防控制模块、摄像头模块、GPRS模块、蓝牙模块以及以太网接口等[1]。通过这些模块，系统实现了以下与智能家居相关的功能：

（1）家居监控。系统可使用户实时查看家中的温湿度、PM2.5等环境指数。当这些环境指数超出设定的阈值时，系统通过GPRS模块，向用户手机发出短信报警。

（2）远程控制。系统通过家电控制模块，可以让用户对家中的一些家具电器进行控制。

（3）安防功能。可在网络页面上开启视频监控功能，进行实时视频监控，并实现视频存储及移动监测报警，达到安防作用。

（4）门禁功能。可以启用RFID门禁功能作为辅助工具，实现家居的门禁效果。

系统硬件框图如图1所示。

由于篇幅有限，接下来介绍主要功能模块。

1.1 主处理器模块

该模块是整个系统的核心，完成所以接口的调度和事件的处理。主模块选用三星公司开发的一款基于arm920t内核和0.18umCMOS工艺的16/32位RISC微处理器，主频可达500多MHz。具有成本低，功耗低，性能高，接口众多，且其稳定性于可靠性经多年市场的实践，方案成熟，技术支持好。众多的接口令其能轻松完美地驱动系统的各项外设，较高的主频及优秀的CPU及豐富的RAM能令其完美的运行linux系统，完成整体系统的要求。

1.2 通信模

本系统采用以太网接口，GPRS模块，Zigbee模块，蓝牙模块等方式与外界通信。

以太网接口选用DM9000A芯片，与主处理器以16位总线接口相连，可根据需要以单工或全双工模式运行。通过其内部操作时序，可实现系统与以太网的相接。[2-3]

GPRS模块、zigbee模块和蓝牙模块则采用市场上较为成熟的sim900a，cc2530，cc2540等解决方案。这些方案久经市场考验，极为成熟。

1.3 家居外设

本系统采用多项智能家居的外设，如家居控制，环境监控，视频监控等模块。外设与处理器通过can总线，spi总线，USB接口等方式通信[4]。

家居控制模块包括电灯，窗帘，空调等的控制。电灯由继电器控制，服务器记录状态；为了最小程度改变空调结构，系统通过架设红外发射管模拟遥控器。窗帘通过步进电机所转过的角度来控制开闭程度。

环境监控模块则由一系列的传感器构成，如PM2.5传感器，温湿度传感器等。数据一方面上传服务器，可供用户登录查看。另一方面通过阈值监控报警功能，实现安防作用。

视频监控模块采用专用的带USB接口的集成摄像头模块。主机接上大容量的sd卡，能够在用户需要时储存特定时间段的视频，便于日后查看。

2 系统软件设计

整个系统由引导装载程序（U-Boot），设备驱动，嵌入式linux内核以及应用程序组成。这也符合一般嵌入式系统的软件构成[5-6]。

其中，操作系统使用Linux2.6系统内核，应用程序主要包括二个部分：一是是智能家居系统的主应用程序；二是以太网与图形应用界面。

第一部分的主要功能的实现，主要是应用程序的编写，程序流程图如图2所示。

第二部分是图形界面的相关设计。本系统采用qt3软件进行具体界面的设计与移植。

本设计中，先设置好主窗口，在主窗口上添加与控制主题相关的按钮图片。在用户按下按钮时，显示相应界面。在各个外设的界面上，同样用按钮表示相应的操作。这些功能通过qt3的添加控件可以实现。

3 整机效果

在实验室智能家居实验房间内装备相应的系统，通过手机登陆网络，连接服务器ip地址后，通过用户名与密码登陆系统，能够完成相应的操作，并在环境参数超过阈值的时候发送手机短信报警。

4 结束语

通过实验室中的模拟家居环境测试，各项家居外设控制正常，各项监控安防装置能够正常工作，用户能够通过以太网对系统进行智能操控，达到了初期的设计目标。测试结果表明，该系统设计合理，可靠性强，成本低，可操作性好，适合大面积推广。

参考文献：

[1]戴刚，高洋，陈煌华.基于ARM的智能家居远程控制系统的硬件设计[J].世界电子元器件，2007（08）.

[2]严厉平.嵌入式智能家庭网关的研究与设计[J].微计算机信息，2005（02）：14-16.

[3]刘霞辉，段承先.基于TCP/IP协议的网络家电控制器[J].机械工程与自动化，2009（02）：170-172.

[4]徐锋，刘欣，方加宝.智能家居远程控制系统设计[J].低压电器，2009（04）：21-24.

[5]孙弋.基于S3C2440的嵌入式Linux开发实例[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.

[6]（英）马修.Linux程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.

作者简介：林昊然（1994.07-），男，本科在读，研究方向：电子电路。

作者单位：中国计量学院，杭州 310018

嵌入式本安智能电源的设计 篇7

关键词：煤矿,本安智能电源,嵌入式系统,ARM920T

0引言

随着我国煤矿机械化、自动化程度的提高, 本质安全 (简称本安) 型电气设备在井下监控、通信、信号、仪表和自动化系统中应用日益广泛, 这就需要为其提供本安供电电源。然而, 目前煤矿现场使用的本安电源驱动电流不大、输出状态无法自动调节, 限制了煤矿自动化设备的使用。为了解决这些问题, 笔者设计了一种嵌入式本安智能电源, 该电源能在符合本安性能要求的前提下输出大电流, 且时刻对输出状态进行监控并反馈给整流电路, 从而自动调节其输出状态, 满足了工作面自动化系统中不同电气设备的快速、实时供电需求。

1嵌入式本安智能电源的设计方案

该电源针对各电气设备不同的供电要求, 并联运行多个整流模块。其中体现智能的监控模块采用嵌入式系统[1] ( Embedded System) 的专用计算机系统, 实时地采集和分析所有的输出回路电流;它能使不同的负荷对应该电源内部不同的整流电路, 避免出现超负荷或者功率浪费的现象。该电源使用以S3C2440为核心的ARM9系列的ARM920T处理器, 利用ARM920T处理器的全功能电源管理控制器 (PMC) , 优化整个电源的功耗, 并支持普通、空闲、慢时钟及Standby工作模式, 提供不同的功耗等级及事件响应延迟时间。在空闲模式下, ARM920T处理器时钟禁用并等待下一次中断 (或主复位) ;慢时钟模式是复位后选择的模式, 在该模式下, 主振荡器及PLL关闭以降低功耗;Standby模式是慢时钟模式与空闲模式的结合, 它使ARM920T处理器能更快速响应唤醒事件, 并保持较低的功耗。

2嵌入式本安智能电源的设计

2.1 电源工作原理

该电源使用交流电输入, 在多路变压整流滤波之后, 经高速逻辑开关输出。ARM920T处理器根据检测回来的信号分析输出端电流使用的情况, 开关输出相应的控制信号, 实时快速地对电气设备进行供电。另外, 该电源利用ARM920T处理器外围的以太网控制器编写Socket程序对设备进行监测和控制。

2.2 电源硬件结构

该嵌入式智能电源主要由嵌入式系统、变压、整流、滤波模块组成, 如图1所示。

(1) 嵌入式系统

图2 为嵌入式系统结构图。嵌入式系统控制软件的设计主要为实现A/D转换、分析数据、处理数据等。其中A/D转换可用硬件电路或软件实现, 用软件实现可以简化硬件电路, 但可能影响处理速度, 要视情况而定。A/D转换后的数据, 经过分析、处理, 最后通过控制信号传递给整流单元。

嵌入式系统的ARM920T处理器中的控制器内嵌了实时操作系统RTOS (Nut/ OS) 和TCP/IP 协议, 可用其编写一个Socket 服务守候进程。当用户通过Internet远程访问电源控制器时, Socket服务守候进程通过100 M 网口接收网络连接信息并对它作出回应。在整个嵌入式系统中, 要不定时地监测和控制现场设备, 采用面向连接的Socket 编程模式完成客户机与电源控制器之间的通信。电源控制器和RS485 总线被控设备之间采用RS485 总线主/从式结构。当电源控制器启动后, 从FLASH存储器中读取事先下载好的命令表文件, 当用户不发送控制命令时, 嵌入式系统按一定的定时时间, 自动向下层控制模块发送循检指令, 由控制模块程序对命令进行解码, 提取出地址信息, 当命令中所含的地址信息与自己的地址相同时, 则解析命令并进行相应的处理, 同时反馈执行结果;否则, 抛弃接收到的命令。命令字符串是按事先约定好的固定格式发送和接收的。图3为电源网络控制器结构图。

(2) 整流模块

为了获得合适的直流电压, 需要全波整流模块将交流电转换为直流电压。图4所示的整流模块电路图中, 由于电气设备的数量和容量增多, 需要在整流模块之前加入缓上电控制电路, 防止负载的增加对其它设备的影响, 然后用DC/DC模块LM2674N将其它12 V电压转换成5 V电压。

3过压保护电路设计

为防止电路不正常时出现过压, 电路应具备过压保护功能, 因此在稳压限流电路后应接上过压保护电路, 如图5所示。

正常情况下, 本安电源输出12 V 电压, 此时稳压管Z1、晶体管Q3均截止, 12 V输出电压直接供给负载; 当输出大于12 V、小于12.7 V时, Z1导通, Q3因为得不到足够的发射级偏置电压而不导通, 因此, 电源输出电压也直接供给负载; 当输出超过12.7 V时, 稳压管Z1导通、Q3发射级导通, 形成12.7 V的过压保护。二级过压保护可以采用与图5相同的电路并联。

4结语

本文介绍的嵌入式本安智能电源在充分利用高级微处理器外设资源的基础上, 结合其内嵌的RTOS (Nut/OS) 和TCP/ IP 协议, 编制了一个Socket服务守候进程, 实时地采集和分析所有的输出回路电流, 并能够自动调节其输出状态, 满足了工作面自动化系统中不同电气设备的快速、实时供电需求。该电源具有高效稳定的特点。目前, 该电源正处于测试调试阶段, 通信软件功能还有待完善。

参考文献

[1]王彦瑜, 郭玉辉, 乔卫民, 等.基于ARM7内核和嵌入式系统的VME总线控制器的研制[J].核电子学与探测技术, 2005, 25 (5) .

嵌入式系统的未来方向:智能系统 篇8

智能系统:下一个机遇

从能够识别驾驶员的汽车, 到能够实现客流量统计的数字安全监控系统, 以及能够无缝安全地与现有企业和通信基础架构集成的智能网络, 甚至于具备社交功能的健身设备, 具有计算体验的智能设备如今已是无处不在。

英特尔中国区智能系统事业部曾明总监指出, 智能系统必须具备三大要素:互联性、安全性和可管理性。它们可以自主地连接互联网、执行本地或基于云的应用以及对所收集的数据进行分析。这意味着, 传统的嵌入式系统必须采用包括微处理器、图形处理器和硬件加速器等在内的高性能与高度可编程异构架构, 将所有这些都集成至一个系统芯片 (So C) 当中。

传统的嵌入式系统向智能系统的转变, 为整个电子行业带来了前所未有的发展机遇。据市场调查公司IDC预测, 从2011年到2016年, 全球智能系统设备的数量将从230亿台激增至460亿台, 行业总体收入将从1.3万亿美元攀升至2.3万亿美元。2016年, 智能系统设备的出货量将占所有出货电子系统设备的37.1%以上。

在这种转变过程中, 可以发现几个关键的发展趋势。第一, 传统的嵌入式系统将获得类似于PC、服务器、智能手机和平板电脑等通用系统所具备的智能性, 而智能系统在未来的发展速度将远远超过这些通用系统。第二, 这种转变将成为不可阻挡的潮流。自然友好的用户界面、安全技术和传感器技术将变得至关重要, 将确保用户在智能设备上也能够获得在PC和智能手机上一致的消费电子和计算体验。第三, 这种转变的实现有赖于大规模的跨行业协作。第四, 功能日益强大的处理器将满足智能网络不断增长的需求, 能够同时满足物理端口和虚拟机的计算需求。第五, 随着大量移动设备被连接至互联网和云中, 企业和服务提供商网络的安全性问题将日益凸显, 这将是未来向更加智能系统迁移的关键因素。

体验推动智能系统发展

各行业不断变化的用户需求, 是推动智能系统在更加广泛的领域应用的内在驱动力。以数字标牌和英特尔公司为例, 英特尔智能系统事业部数字标牌市场营销全球总监Raj Maini称, 现代智能互动数字标牌能够带给消费者沉浸式的体验、互动性, 同时保证匿名性。这些对计算能力的要求较高。英特尔在此的贡献是:AIM套件及酷睿第三代处理器。数字标牌主要应用在九大垂直行业, 40%是定制的, 鉴于数字标牌的多样性, 英特尔正和中国的厂商合作, 提供交钥匙的软硬件数字标牌方案, 使客户很快上手应用。英特尔还提出了OPS (开放式可插接规范) , 使不同的厂商播放器模块/板卡能够接入到不同规格的平板显示器上, 受到了很多面板生产商和硬件厂家的支持, 例如, 国内最大的主板厂商——深圳智微智能科技公司的副总经理刘迪科称, 已经有50家以上的电视厂家、数字标牌厂家的产品带OPS接口。

从智能标牌的出现及发展可见, 良好的用户体验, 是智能系统时代的动力之源。

参考文献

[1]王莹.2015年, 中国的数字标牌将占全球40%. (2012-7-18) .http://www.eepw.com.cn/article/134757.htm

嵌入式智能电导率仪的设计 篇9

1 测量原理

测量电导率的原理很简单,主要就是测量溶液的电阻值。电导和电阻互为倒数,通过测量溶液的电阻,取其倒数就能得到溶液的电导,再根据电导率的公式即可求得溶液的电导率[1]:

式中G——电导,S;

R——溶液电阻,Ω;

ρ——电阻率,Ω·cm;

r——电导率,S/cm;

L——导体长度,cm;

A——导体横截面积,cm2。

由于溶液的标准电导率是规定在标准温度25℃下的,因此测量出来的电导率还要配合温度补偿公式来转换为标准温度下的电导率[2]:

而在实际测量过程中,电导池是一个比较复杂的物理模型,如图1所示。

其中RL1、RL2为电极的引线电阻,大小可忽略;Z1、Z2为极化作用引起的极化电阻,在交流激励下被双层电容CDL1、CDL2短路;Cp为引线分布电容;Rx是溶液的电阻。

双层电容的大小为μF级,电缆引线电容为pF级[3],在激励信号频率合适的范围内,系统可以简化为如图2所示的模型。

一般情况下溶液的电阻比较大,电导池模型可以进一步简化成溶液电阻和引线分布电容并联的情况,如图3所示。

方法的重点就是用两个不同频率的方波信号作为激励,来获得两个信号值,建立两个方程,从而解出溶液电阻Rx。

2 系统的总体设计

系统的总体设计如图4所示。

系统采用S3C2440作为核心处理器,LCD显示屏作为显示接口,Flash和RAM作为存储模块。系统还带有串口通信模块、报警单元及复位电路等。系统可通过以太网接入网络。系统以MOD-BUS作为通信协议完成与测量节点间的通信。

3 硬件电路设计

S3C2440A处理器是基于ARM920T的内核,处理器集成了大量片上功能:外部存储控制器、LCD控制器(最大支持4K色STN和256K色TFT)提供1通道LCD专用DMA、3个通道的UART、2通道SPI、多达130个通用I/O口和24通道外部中断源。S3C2440A主要负责对测量节点的数据进行存储、管理,对报警信号进行处理并对测量节点进行控制,还完成系统接入网络以实现远程在线监控功能。

测量节点选用MSP430单片机作为主控制器。MSP430单片机是集多种技术于一体的超低功耗十六位处理器,主要完成激励信号的产生、信号的采集、A/D转换及通过总线传输数据等功能。

4 系统软件部分

4.1 采集节点部分

采集节点的程序内容主要分为初始化、标定、测量、显示、串口通信和MODBUS通信协议这几个部分。系统的运行流程如图5所示。

其中系统初始化包括定时器的初始化、串口初始化、A/D初始化、LCD初始化及存储器初始化等。

4.2 MODBUS协议部分

MODBUS是工业自动控制领域较为广泛的通信语言,有纠错能力强、数据传输量大及实时性好等特点。协议可分为ASCII和RTU模式[4]。本系统采用的是RTU模式,RTU的数据帧格式如图6所示。

起始和结束是3.5个字符的时间停顿,设备地址为8位数据,功能码也是8位,CRC校验码是一个16位的二进制数。

在传输数据之前,需要把数据按照标准帧格式进行组帧,接收方接收到数据之后,首先会计算CRC值并与接收到的数据中的CRC值进行比较,完成校验过程。如果完全相同则继续取出设备地址码、功能码和数据,然后对相应的设备进行对应的操作。

4.3 Linux的移植和数据库的移植

系统采用Linux作为监控平台。Linux是开源的,不存在黑箱技术,这个是Linux的最大优势。同时Linux内核小、效率高且更新速度很快。而且Linux还适用于多种CPU及平台。

移植Linux主要包括搭建交叉编译环境,Bootloader引导程序的移植,内核的裁剪、配置与编译及根文件系统的制作等步骤[5]。

本系统采用arm-linux-gcc 3.4.1版本作为交叉编译器来开发应用程序。引导程序选用的是稳定可靠的U-boot,这款Bootloader的全称为Universal Bootloader,支持多款系统和处理器(包括ARM9)。

内核选用Linux 2.6.13,需要进行裁剪及配置等操作。配置方面主要注意以下几点:

a.“General setup”是普通设置,一般不需要修改,使用其默认值;

b.“Loadable module support”是对可加载模块的设置,需要勾选“Enable loadable module support”和“Automatic kernel module loading”完成内核对可加载模块的支持和对模块的自动加载;

c.“System type”需要勾选“S3C2440 Input Clock 12MHz”,再进入“S3C24XX Implementation”子选项,选中“UTU2440”完成内核对S3C2440处理器的支持。

还需要对Networking、Device drivers及File systems等进行配置。

根文件系统的制作是根据文件系统科学分类标准(FHS)来完成的。此标准完成了Linux文件系统的标准化。一个完整的Linux根目录包含dev、root、usr、var、home、proc、bin、sbin、etc、boot、lib、mnt、tmp及initrd等子目录。

为了对每个采样节点的数据及报警消息等信息进行统一管理,在系统中移植了嵌入式数据库MYSQL。该数据库提供了大量C语言的API函数。定义一个结构体MYSQL_RES,用来存放数据查询结果,具体代码如下:

MYSQL*mysql_real_connect(MYSQL*mysql,constchar*host,const char*user,const char*passwd,const char*name,unsigned int port,const char*unix_socket,unsigned int client_flag)//用来连接一个MYSQL服务器

int mysql_create_db (MYSQL*mysql,const char*name);//创建一个数据库,命名为name

MYSQL_RES mysql_query(MYSQL*mysql,const char*query);//操作函数,query为执行的SQL语句

int mysql_close(MYSQL*mysql)//关闭数据库

5 算法介绍

为了得到溶液的电阻,进而求得溶液电导率,最重要的就是要消除引线分布电容的影响,根据以下公式来求得溶液电阻[6]:

其中。n为高频和低频的比值,。RL、RH分别为低频和高频下测得的视在阻值。可根据不同的n值求出不同情况下的Pnw值。视在阻值的相对误差越小,最后得出的溶液电阻值越准确。

6 试验结果及结论

本课题已经完成了智能电导率仪的样机制作,并进行了大量的试验,验证了系统的准确性和稳定性。表1列出了样机的部分测量结果。

从表1中的数据可以看出,仪表的测量值和标准值的误差小于0.5%,精度高于国家标准,甚至超过了一些国内外的仪表厂。

7 结束语

笔者所研制的嵌入式电导率仪,结合了嵌入式技术、嵌入式数据库技术及现场总线等技术。仪表测量精度高、稳定性好、性能优越。实现了对现场数据的远程监控,符合工业要求,适应物联网的需求,具有很好的使用价值和推广意义。

参考文献

[1]任涛.基于MSP430单片机的智能在线电导率分析仪的研制[J].江苏电机工程,2007,26(2):27-29.

[2]张国城.电导率仪温度补偿两套公式的根源及其优劣[J].中国计量,2010,(8):86-88.

[3]赵学亮,史云,冯苍旭.双极性电压脉冲激励的智能电导率测量仪[J].自动化仪表,2011,32(1):76-79.

[4]郑宏彦,苗世洪,张军民.基于ARM9微处理器的Modbus通信协议的实现[J].电气应用,2007,26 (5):45-48,79.

[5]刘建圻,曾碧,郑秀章,等.基于S3C2440的嵌入式导航平台的设计与实现[J].自动化与信息工程, 2008,29(2):1-3,13.

嵌入式智能小车的设计与实现 篇10

智能机器人已经广泛用于工业、军事、交通运输、航天航空等领域。智能小车是机器人研究领域的一项重要内容和基础,在移动方式上以轮式移动最为常见;在控制技术方面,嵌入式技术依靠其功能强、成本低、可裁减等优点,适应了工业自动化的发展要求,能很好地胜任系统的控制要求和工作任务。

1 总体方案设计

如图1所示为智能小车系统设计框图,以嵌入式为主要控制技术,由S3C2440A主控制器、红外线寻迹模块、传感器探测模块、驱动电路、直流电机、行走机构和电源等部分组成。

系统主处理器为S3C2440A,控制软件基于ARM9嵌入式环境设计,在移植Linux操作系统的基础上,基于C语言进行程序开发。

红外线寻迹模块使用反射式红外线采集路面信息,寻迹信号传送给S3C2440A主控制器,实现对黑线或白线的寻迹。CMOS摄像头用于图像的采集,S3C2440A收到图像信息后,进行图像分析、处理,通过无线网卡完成图像的远程传送、标志物形状和颜色的识别。传感器检测模块主要完成温度、距离、温度、光照、光频率的测量功能。

驱动电路实现对电机的驱动和控制,主要由AVR单片机ATmega16L处理器、电机驱动芯片L298N及相关电路构成;电机上安装的编码器,用于检测小车的速度;行走机构采用四轮结构,包括车架和四个车轮。小车车架上固定有三层电路板,从上到下依次为S3C2440A核心板、主控制器主板和驱动板。

2 系统的硬件设计

2.1 主控制器

主控制器以S3C2440A为处理器,S3C2440A采用了ARM920t的内核,0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元。其低功耗、简约、全静态的设计适合于对成本和功率敏感型的应用。主控制器由核心电路板和主板两部分,核心板上设计有S3C2440A、SDRAM存储电路、Nor Flash、Nand Flash、1.25V电源电路和处理器复位电路等。

2.2 红外线寻迹模块

使用8对红外收发对管RPR-220作为路径探测传感器,8对管子呈“一”字排开作为智能小车的导航模块,安装在小车的前下端。传感器检测出路径信号后,先经电压比较器进行电压比较和整形后,再转换为数字量信号送给控制器。

2.3 CMOS摄像头

智能小车的图像采集器件选用CMOS图像传感器OV9650,直接与S3C2440A芯片内集成的Camera接口连接。OV9650为Omni Vision公司产品,像素130万,具有标准的SCCB接口,通过该接口可以设置输出图像像素的大小,输出Ycb Cr顺序、色度等参数。

2.4 传感器探测模块

传感器探测模块包括测距、测温、测光等电路。智能小车的测距采用了超声波测距法和PSD测距法。利用PSD的最大特性——位置传感特性和三角测量法,构成测距传感器。采用GP2Y0A21YK传感器,其内置LED(红外发光二极管)和PSD检测器(Position Sensitive Detector)的模块,通过改变输出直流电压输出传感器前面放置物体的距离。环境温度的测量是通过红外温度传感器TS118-3内部的热敏电阻来实现,通过外加电压将与环境温度相关的电阻信号转换为的电压信号经S3C2440A内部的A/D转换器转换为数字信号,然后通过测温程序可得到环境温度值。

2.5 驱动电路

驱动电路主要包括AVR单片机系统和电机驱动电路。

AVR单片机主要电路如图2所示,选用高性能、低功耗的8位AVR微处理器Atmega16L。

Atmega16L的第9、10引脚用于实现与S3C2440A的串行通信,实时接收S3C2440A的指令,进行一定的分析和算法处理后,从13、14引脚发出PWM信号,输出给后面的L298N为主要器件构成的电机驱动电路。第15、16引脚为Atmega16L外部中断输入口,接收来自编码器的电压脉冲信号,实现小车的速度检测。第34、35、36、37脚为AD转换输入口,电路中输入的是4个直流电机的电流反馈值。S3、R32、C22、D22等元件构成单片机复位电路。

图3为左轮电机驱动电路,主要由总线驱动电路和电机PWM驱动保护电路两部分组成,总线驱动芯片采用74HC245N,电机驱动芯片采用L298N,其最大驱动流为单组2A,电机型号为Namiki 22CL-3501PG,Atmega16L单片机通过调节PWM信号的占空比实现对电机的调速与转向。

L298的第1和15脚单独引出,接电流采样电阻器,形成电流传感信号I1、I2,通过LM358运算放大器放大后产生ADM1、ADM2模拟电压信号,送到Atmega16L中进行电流的测量和分析,便于更好控制电机的电流及速度。为保证L298N驱动芯片正常工作,在其与每个直流电机之间加入四支续流二极管(采用一体化的桥堆,即BR1、BR2),用以将电机中反向电动势产生的电流分流到地或电源正极,以免反向电动势对L298N产生损害。

2.6 电源电路

采用2组锂充电电池供电,小车运行时不需交流电源,每组锂电池的电压约12V。+5V、+12V电源都有2路,主控制器和电机驱动电路所需的电源是相互独立的。

3 系统的软件设计

系统的软件平台设计分三个层次:物理层、操作系统层和驱动任务层。物理层包括存储器分配、启动代码Bootloader编写、硬件驱动等底层软件设计;操作系统层包括Bootloader移植、操作系统Arm-Linux内核的移植和文件系统移植。驱动任务层主要包括图像识别处理策略、寻迹控制程序、温度检测策略和基于AVR单片机的电机控制程序等。

3.1 操作系统的移植及主控程序的开发

操作系统的移植包括系统启动代码、内核和文件系统的烧写。首先要搭建基于linux的嵌入式系统的开发环境。内核包含了声卡、GPIO、网卡、USB等关键的底层驱动。第二步进行Boot Loader引导程序的配置和移植。由于小车的主控制器采用ARM9嵌入式系统,通过Bootl Loader完成对主控制器电路板上的S3C2440A、SDRAM、串行口等进行初始化。小车启动时,先运行Boot Loader,再运行操作系统内核,分配内存空间的映射,正确完成硬件系统的初始化和linux的引导。

主控程序通过调用其他功能模块完成智能小车所有预设的功能。首先连接驱动函数将各功能块开启:调用驱动函数Open_camera()和Malloc_image_memory()开启摄像头并为摄像头分配内存;调用函数init_tty S()对串口进行初始化,调用函数init_motor()对电机进行,建立线程互斥pthread_mutex_init();发送并等待“启动智能小车请求”,调用子函数Startmooncar();等上位机软件发出启动月球车命令后,小车将同时完成寻迹任务、电机控制任务、图像处理任务、温度测量任务以及无线通信处理任务。

3.2 无线通信协议的开发

智能小车通过无线网卡与PC机上位机采用无线网络传输。无线网络采用标准的802.11g标准,无线接入点IP和网关由确定,如确定智能小车的IP地址为192.168.1.10,并配置好网关。通信底层协议采用标准的TCP/IP协议完成PC机上位机和智能小车通信,其中PC机作为TCP的服务器端,小车作为TCP的客户端。

在应用层通信协议上,增加ACK确认机制的通信模式来增加通信的可靠性。首先小车向上位机发送数据报文,PC收到数据报文后根据数据的内容向智能小车发送一个确认数据供小车处理。除传输图片数据外,应用层数据采用固定长度为40个字节的数据进行每次传输数据,数据不够的用0x00补满。图像采用两次通信过程来完成,第一次智能小车发出上传图像请求报文,上位机接受请求后返回接收请求数据报,智能小车收到评分系统的接收请求数据报文后发送图像数据,图像大小为宽160像素、高128像素。

3.3 电机控制程序编写

S3C2440A主控制器不直接驱动电机,S3C2440A通过串行通信方式发送命令经AVR单片机,由AVR单片机ATmega16L控制电机和处理编码器信息。AVR单片机在对直流电机的控制中,在采集电流反馈值和电机转速的基础上,采用了PID的控制算法,如式(1)所示:

其中,Kp,Ki,Kd分别为调节器的比例、积分和微分系数,e(t)是PID算法的输入,u(t)是输出。

对电机速度的控制采用增量式PID控制,AVR单片机程序根据测速系统反馈回来的左、右轮电机当前速度值和设定速度值进行比较,针对不同情况适当地改变Kp,Ki,Kd参数,进而控制输出2组PWM信号的占空比,实现调速和改变转向的作用。

4 结论

通过对智能小车的测试和实际运行,小车能通过寻迹方式行驶,运行稳定,在到达各地形标志物时,能对不同标志物进行温度、距离、光频率的测量,并通过无线网络向PC机发送数据或图像,PC机上位机上显示的温度、距离数据准确,标志物图片清晰。嵌入式智能小车各项功能的实现验证了系统软、硬件设计的可行性。使用S3C2440A嵌入式处理器和Linux操作系统增强了小车的智能化水平,确保了对智能小车运行速度和转向控制的精确性,非常适用于工业厂矿的相关物理量的数据采集和智能探测。

摘要：本文设计一种基于ARM和AVR单片机嵌入式控制技术的智能小车。介绍了智能小车的系统方案、硬件设计和软件设计。主控器以ARM9系列S3C2440A为处理器,电机驱动器以AVR单片机ATmega16L为处理器,实现小车的速度和转向控制;ARM9采用Linux操作系统,AVR单片机采用基于PID算法的C语言编程。整机调试和运行表明,智能小车实现了自动寻迹、智能避障、温度探测、图像采集、无线通信等功能,非常适用于工业厂矿相关数据采集和自动探测。

关键词：智能小车,自动探测,嵌入式,S3C2440A,PID

参考文献

[1]Samsung.S3C2440A 32-Bit RISC MICROPROCESSORUSER’S MANUAL.June 30,2004.

[2]Danna V.Nature’s guide to robot desing[J].IEEE IntelligentSystems,2002,17(6):4-6.

[3]沈旭,潘彩霞.基于AVR单片机的挖掘机器人控制系统设计[J].制造业自动化,2010(12):45-47.

[4]Misel B.Robust and accurate global vision system forrealtime tracking of multiple mobile robots[J].Robotics andAutonomous Systems,2008,56(3):213-230.

嵌入式运动控制器交互系统设计 篇11

关键词：嵌入式,运动控制器,交互系统

1 引言

嵌入式运动控制器交互系统是运动控制系统核心部分, 目前实现运动控制器的方法主要包括单片机加微处理器、 专用芯片处理器和基于 PC 总线的 DSP 或者FPGA 处理器。 其中, 单片机加微处理器作为控制器核心精度低、运行速度慢, 适用于对运动轨迹不复杂的运动控制系统中, 专用芯片处理器作为运动控制器核心结构简单, 不具备交互功能, 只用于单一运动控制中, 基于PC 总线的 DSP 或者 FPGA 处理器作为控制器核心具有较强的信息里能力, 适用于多轨迹运动控制, 但是其设备体积大, 设计成本高。 因此, 本文提出一种基于 ARM处理 器 加 DSP 处 理 器 为 核 心 的嵌 入 式 运 动 控 制 器 系统, 该系统具有多轨迹运动控制能力和良好的扩展性, 同时设计成本较低。

2 嵌入式运动控制器设计思路

2.1 系统平台介绍

本 文 所 开 发 的 嵌 入 式 运 动 控 制 器 交 互 系 统 采 用ARM 与 DSP 分步设计 , ARM 控制板与 DSP 控制板通过 I/O 接口实现数据交互。 嵌入式运动控制器交互系统是采用 Linux 操作系统设计操控平台, 软件交互采用QT/Embedded 可 触控设计 , 编程语言选择 C++ 完 成平台设计, 通过标准化通信接口实现与机械的人机交互, 人机交互硬件控制采用嵌入式 ARM 处理器, DSP 数字信号处理器和 FPGA 可编程逻辑门阵列, 完成对机械的运动下载指令。 系统平台结构如图 1 所示。

在 Linux 环境下设计的软件操控平台通过通信接口可实现操作运动控制器, 运动控制器通过运动指令操纵机械运动, 由此实现软件对机械运动的控制。 同时, 机械运动过程中所产生的运动数据通过传感器信息反馈给软件操控平台, 进而进行机械运动数据的可视化监控, 保证机械按照既定规则运动。

2.2 系统建模

嵌入式运动控制器交互系统根据被控制对象的可证进行模块化设计, 系统建模首先对系统进行初始化, 初始化系统硬件设备包括通信接口伺服系统等; 其次, 设定通信模块参数值 , 对 I/O 接口、网 络 接 口 、报 警状态、坐标值、各通信数值等进行设定。

2.3 人机交互

嵌入式运动控制器交互系统人机交互流程如图 2所示。

嵌入式运动控制器交互系统人机交互是基于 Linux系统, 搭建 QT/Embedded 图形化开发环境, 设计嵌入式运动控制器交互平台, 该平台可划分为机械控制部分和信息显示部分, 机械控制部分包括机械自动化控制、机械手动控制和机械控制设置。 首先对机械运动过程进行控制设置, 设置成功机械按照既定程序进行运动, 如出现故障则转换为手动控制模式。 信息显示部分包括机械运动信息、机械参数信息和机械故障信息, 当机械运动过程中, 机械运动信息通过传感器反馈到信息显示平台, 当机械运动参数超过既定参数范围则显示机械故障信息, 并触发预警机制。

3 嵌入式运动控制器交互系统实现

3.1 系统结构

嵌入式运动控制器交互系统如图 3 所示。

嵌入式运动控制器交互系统控制功能实现是通过ARM 处理器 、DSP 数字信号处理器和 FPGA 可编程逻辑门列阵共同完成, ARM 作为上位机是实现人机交互的重要元件, 通过 ARM 可实现机械运动指令的下达、运动信息的查看、机械连贯性运动智能编程等, 由 DSP 数字信号处理器进行控制通信, 并进行运动插补的计算, FPGA 可编程逻辑门进行底层逻辑操作 , 通过标准通信接口下载机械控制命令。

3.2 交互方式

为了实现运动控制实时交互, 采用实时进程方式进行交互, 在本系统中, 交互进程可分为四种线程, 即状态检测线程、插补线程、位置控制线程和功能线程。

状态检测线程是对硬件设备的运行状态进行检测, 检测方式通过对 I/O 接口的数据值进行监控, 当监控数据值与设定值出现偏差时, 可通过预警方式报警或者是自动停止设备运行。

插补线程是在译码的缓冲区按照既定顺序获取插补数据值, 再根据直线或者圆弧的方式进行插补, 由此可得出运动控制器周期性的理论坐标值。

位置控制线程是对计数器中的编码值进行读取, 确定实际坐标值, 其与插补器所获得的运动控制器周期性理论坐标值进行比对, 当出现差值时, 可调节 PID 参数, 由此控制运动控制坐标位置。

功能控制线程是控制运控控制器轨迹和实现运动控制器信息功能的管理, 功能控制线程一方面控制机械运动的开启、暂停和速度状态, 另一方面对运动控制器的状态信息进行采集反馈到控制平台。

3.3 交互实现

交互实现流程如图 4 所示。

嵌入式运动控制器交互实现是人机交互功能 , 包括:数控指令的下达与编译、运动状态的监控与管理等, 对运动控制器下达数控指令, 由 ARM 处理器进行指令译码、运动状态处理及插补计算等, 由此调用运动控制函数执行机械运动, 运动控制函数存放在运动控制函数库中, 函数库中的函数满足机械可执行的各项运动。 同时, 通过 I/O 接口对机械运动的状态值进行监控, 当监控数据值与设定值出现偏差时, 可通过预警方式报警或者是自动停止设备运行。

4 结束语

嵌入式运动控制器交互系统是实现人机交互的主要部件, 该系统一方面可由软件设计机械运动过程, 通过运动组合完成机械运动目的, 另一方面机械运动信息通过传感器反馈到信息显示平台, 便于对机械运动的状况进行监控。 在嵌入式运动控制器交互系统设计中, 将其划分为两部分进行设计, 一部分是实现硬件系统对机械运动的控制, 另一部分是软件控制设计软件对机械运动命令的编辑和机械运动信息的监控, 二者实现命令及信息的交互完成机械运动智能化管理与操控。

参考文献

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[4]蒋涛.基于嵌入式平台的人机交互系统设计[J].工业控制计算机, 2012 (04) .