配备摄像头和全双工无线通道的智能小车

   “FIRA小车平台”部分细节请看“圆梦小车第四代 —— FIRA小车平台”，为了控制器工作的可靠和方便，配套设计的小车供电系统细节请看“小车供电系统介绍”。此处只介绍控制部分的细节，以使编程能顺利展开。

    这个支持基于 Linux 编程控制的小车体积很小，可轻松置于掌中，为学习、管理带来了方便。

一、需求分析

   最基本的需求是嵌入式系统软件编程学习。基于这个前提，细分如下：

 1）利用小车构建一个和现实环境交互的嵌入式控制对象

 2）可通过完成对小车的控制学习MCU的基础应用、编程技能

 3）可基于小车的控制需求学习RTOS，如uCOSII

 4）在掌握MCU的基础编程后，可上升至Linux、WinCE、Android等高级操作系统下编程，从而实现嵌入式学习的递进过程

 5）能提供有趣的编程素材，有技术含量的编程挑战，能切合嵌入式控制的发展趋势

 6）能方便的实现各种学习、研究，有适合小车这个特定控制对象的开发、调试手段

二、硬件设计介绍

   基于上述需求，结合小车平台的控制特征，做出如下硬件设计。

2.1 架构
   从学习角度考虑，要学习MCU的基础编程（无操作系统）和Linux编程，用同一个MCU很难兼顾。

   从控制角度考虑，因为小车的驱动需要PWM输出信号，码盘脉冲采集需要硬件中断，电机电流采集需要和PWM同步，必须有较强的实时性。而在Linux下完成这些很勉强，需要较高的技巧，或许还无法达到要求。

   因此，在硬件架构上采用了上、下位机结构，下位机负责小车的控制，完成实时性较强的任务，作为MCU基础编程学习的平台。而上位机基于Linux，完成一些算法复杂的任务，作为高级编程的学习平台。
上、下位机之间通过UART相连，实现交互。

2.2 上位机硬件介绍

上位机要完成的任务：
 1）提供一个Linux编程学习平台

 2）采集图像，实现图像识别的相应的控制策略

 3）实现和下位机通讯，控制小车

   根据上述需求，以及市场上存在的资源，学习上可以交流的资源，选择了友善之臂公司的“Micro2440核心板”作为上位机，因为S3C2440 相对流行，且该公司的“Mini2440学习板”交流资源较多，而“Micro2440核心板”和“Mini2440学习板”软件环境一样，只是PCB形式不同。

   Micro2440核心板如下：（注：目前核心板的NAND Flash 已升级至256M）

   Micro2440将S3C2440的Camera接口引出，可以直接使用并口摄像头，便于图像采集、处理，相对于USB摄像头，少了一些硬件环节，应该在速度上和功耗上有优势。

   核心板上的资源使用：

   COM0 —— 作为终端接口，和下位机相连，构建无线终端

   COM1 —— 通讯接口，和下位机相连，实现控制和数据采集

   COM2 —— 通讯接口，对外扩展，实现采集其它传感器

   USB Host —— 作为扩充口，方便接摄像头、U盘、Wifi卡等外设

   USB Dev —— 开发环境需要，用于下载系统

   Camera 口 —— 接并口摄像头，实现图像采集

   其它资源小车暂时不需要，故未处理。

   关于核心板的详细说明，请看“Micro2440 用户手册”。

2.3 下位机硬件设计介绍

   首先，确定下位机要完成的任务：

 1）电机驱动 —— 控制电机正、反转、调速、刹车、惰行

   2）码盘采样 —— 采集车轮转动信息，控制行走距离和速度

   3）电机电流检测 —— 测量电机工作电流，判断电机运动状态及转速

   4）电池电压测量 —— 辅助电流测量，计算转速，得到快速的速度反馈。同时兼做为电池剩余电量监测，根据电压判断是否要充电，根据电机工作和不工作之间的电压差计算电池内阻变化，从而判断电池是否需要更换。

   5）充电电源检测 —— 检测充电电压，判断目前是否处在充电状态

   6）传感器扩展 —— 能扩充一些后续学习中所必须增加的传感器

   7）和上位机通讯 —— 接受上位机控制，上传小车及传感器信息

   8）无线终端链路 —— 这是一个为上位机服务的功能，因为在Linux下编程，需要用串口和PC相连，使用“超级终端”作为人机界面，而小车是移动的，用线缆很不方便，故设计一个全双工的无线链路，实现PC终端的无线操作。此无线链路有下位机控制无线模块实现。

   9）实时时钟 —— 这是一个辅助功能，为做一个自主生存的机器人所预备。

   根据上述任务以及学习的需求，下位机MCU选择了ST公司的STM32F103RBT6，ARM的Cortex-M3 内核，其性能如下（红色部分）：
 

   Cortex-M3 是ARM推出的面向控制应用的MCU，其性能符合小车的控制需求。而且有较大的内存，可以尝试RTOS，uCOSII已有成功移植到STM32的案例，参考资源丰富。

   此外，ARM为了让使用者不至于因为不同公司的软件支持差异而带来困扰，制定了一个软件编程标准 CMSIS ——  Cortex Microcontroller Software Interface Standard ，所有生产Cortex-M系列MCU的公司均应遵循此标准，这样使用者替换MCU就可以减少许多麻烦。（ 详见 ：http://www.onarm.com/ ）

   之所以放弃8位机，一方面是考虑要学习RTOS，8位机内存太小。另一方面是要实现无线终端，要求很快的通讯速度，8位机难以胜任。

   根据上述需求设计的下位机控制板如下：
 

下位机控制板正面

 
下位机控制板反面

   从图中可以看出，因为上位机选择的是Micro2440核心板，下位机控制板还需将核心板的接口引出，相当于核心板的基板。

   插上核心板后的控制板如下：

   驱动电机、码盘采样、电流、电压检测 均用MCU内置资源实现，只需选择相应I/O口即可，详见下面MCU资源使用说明。

   充电电压检测 将充电电压分压后送入MCU的AD通道，一是可以检测是否处在充电状态，二是可以检测充电电压是否正常，分压比为 1/4，额定充电电压10V。

   传感器扩展 选用I2C接口，因为目前很多智能数字传感器均支持I2C，而且I2C不需要片选线，通过地址区分可在一条总线上接多个传感器。

   附加了一根I/O线作为传感器扩展的特殊需求，此线可作为模拟量采集，以支持一些只有模拟输出的传感器，如GP2D12红外测距，EC03、XV3500CB陀螺仪等。也可以作为数字I/O，辅助I2C实现可靠的信号采集，如：利用此I/O产生中断信号，通知MCU，以达到快速、同步采集某些信息的目的。

   和上位机通讯 直接将相应的UART口交叉互联。

   无线终端链路 是将上位机Micro2440的终端通讯口COM0和下位机STM32的UART相连，下位机将UART收到的数据通过上行无线通道送出，同时将下行无线通道的接收数据通过UART发送给上位机Micro2440。

   因为终端通讯协议支持“回显”、“退格”等功能，使用半双工通讯很难可靠实现，因此设计了全双工的无线通道。

   而无线模块是半双工的，所以使用了二个无线模块，一个作为上行通道，一个作为下行通道，利用不同频道使其同时工作，实现全双工通讯。

   因Micro2440的终端通讯速率为115.2k bps，速度较高，故选用了2.4GHz载波的24L01 无线模块，主要考虑性价比较高，且目前使用比较普遍。

   24L01最高位速率达2M bps ，但综合其通讯机制，实际的通讯速率约在800k bps，能够胜任115.2k bps的终端通讯要求。

   24L01的控制接口为SPI，STM32有硬件SPI，可以方便、可靠的驱动24L01无线模块。

   24L01有128个频道，可通过寄存器方便的改变，从而保证多模块同时工作时不相互干扰。

   此UART接口也设计了并接的4芯插座，以方便实现有线终端模式。

   实时时钟 是STM32内置的功能，硬件设计了备份电池，可以基于时钟记录小车运行日志。如果将小车用于连续工作的自学习研究，这个功能应该有用。

2.4、下位机控制板资源说明：（操作相关）

   电源开关 —— 控制电机电源及5V，只是控制信号，接地时电源有效。

   充电插座 —— 便于使用标准的稳压电源充电，1.2mm同轴插座，内正外负。

   电源插头 —— 插到配套的电源板上，（电源板介绍详见“小车供电系统介绍”），五芯信号分配（自左至右）：GND，BAT（电池供电），电源开关控制，5V供电，10V充电电源（供给电源板，为方便操作，将充电插座设计在控制板上）。

   复位按钮 —— 同时复位上位机和下位机。

   JTAG口 —— 下位机MCU（STM32）的程序下载、调试接口。

   BOOT0、1跳线 ——下位机MCU（STM32）的启动模式选择，详见STM32手册。

   COM0插座 —— 无Micro2440时，可作为STM32的UART1接口，扩展UART外设。注意：此时TXD、RXD的顺序，自左至右为：VCC RXD TXD GND。有Micro2440 时，可作为Micro2440的有线终端通讯口，使用TTL电平的UART，如“USB转UART接口”。自左至右为：VCC TXD RXD GND。

   COM2插座 —— Micro2440的UART2接口，扩展UART外设。可作为Micro2440的UART扩展口，接外设。自左至右为：VCC TXD RXD GND。
COM0、2电源选择跳线 —— 选择上述COM0、COM2插座的VCC，可以是5V或3.3V 。

   USB Dev 接口 —— 可作为STM32或Micro2440的USB Dev口，通过“USB选择跳线”切换。Micro2440系统下载时需要使用USB Dev口。
USB Dev口选择跳线 —— 将USB Dev 口接到STM32 或Micro2440上；3个跳线同步，靠左侧时为STM32，靠右侧时为 Micro2440。
USB Host 接口 —— Micro2440的USB Host，可插U盘、摄像头、WiFi等USB外设。

   NOR/NAND 选择跳线 —— Micro2440 启动选择，短接选择NAND Flash启动，正常使用时选择这个状态；断开为NOR Flash启动，可进入BIOS菜单，实施更新系统等操作。

   摄像头接口 —— Micro2440的CMOS摄像头接口，20针，按友善之臂配套的CAM130摄像头模块设计，130万像素。（插针定义详见Micro2440用户手册）

   传感器扩展接口 —— 用于扩充加速度、陀螺仪等传感器，以实现惯性导航。接口接下位机 STM32，使用I2C总线。五芯插座信号分配（自上而下）： 1 — GND，2 — SCL，3 — SDA， 4 — 模拟量输入或数字量I/O， 5 — 5V电源输出。

   Micro2440插座 —— 插核心板，因未使用所有信号，故只设计了使用的插针所需的插座，略增加几个是为了核心板能安装稳固（注意插装方向）。

   小车驱动、采集插针 —— 按照小车底盘设计，小车底盘不分前后，左右侧一样，中心对称设计。从控制板正面看，左侧“自上而下”和右侧“自下而上”的信号顺序相同，均为：
VB — 电池电压测量，MI — 电机电流测量，GND — 信号地，P1 — 码盘信号，P2 — 空， （间隔） 3V3 — 3.3V电源，供驱动逻辑电路，CT3 — 电机控制信号 Ctrl3，CT2 — 电机控制信号 Ctrl2，CT1 — 电机控制信号 Ctrl1，BAT — 电池供电，供电机，GND — 电源地。

2.5下位机MCU资源分配：（编程相关）

   左侧电机驱动、检测用：

   Ctrl-L1 —— PA2，Output push-pull，电机PWM控制，可用T2CH3产生PWM。（PWM频率建议使用 125Hz）

   Ctrl-L2 —— PA1，Output push-pull，电机工作状态控制，详见底盘介绍中的控制逻辑。

   Ctrl-L3 —— PA0，Output push-pull, 电机工作状态控制，详见底盘介绍中的控制逻辑。

   MotorL-Puls —— PB9，Input-pull-down，电机码盘信号，用EXTI 9中断。

   MotorL-I —— PC0，Analog Input，左侧电机电流，用ADC_IN10 采集。

   L-Vbat —— PC1，Analog Input，左侧电机供电电压，用ADC _IN11 采集。

右侧电机驱动、检测用：

   Ctrl-R1 —— PA8，Output push-pull，电机PWM控制，可用T1CH1产生PWM。（PWM频率建议使用 125Hz）

   Ctrl-R2 —— PC9，Output push-pull，电机工作状态控制，详见底盘介绍中的控制逻辑。

   Ctrl-R3 —— PC8，Output push-pull, 电机工作状态控制，详见底盘介绍中的控制逻辑。

   MotorR-Puls —— PC7，Input-pull-down，电机码盘信号，用EXTI 7中断。

   MotorR-I —— PC5，Analog Input，左侧电机电流，用ADC_IN15 采集。

   R-Vbat —— PC4，Analog Input，左侧电机供电电压，用ADC_IN14 采集。

上位机无线终端接口：（接Micro2440 的 COM0）

   STM32-TXD1 —— PA9，打开串口时Alternate function push-pull，关闭时Input pull-up，为Micro2440有线终端方式提供可能；使用UART 1。

   STM32-RXD1 —— PA10，Input pull-up，使用UART 1。

与上位机无线通讯：（接Micro2440 的 COM2）

   STM32-TXD3 —— PC10，打开串口时Alternate function push-pull，关闭时Input pull-up，为Micro2440用COM2接外设提供可能；使用UART 3，要Remap。

   STM32-RXD3 —— PC11，Input pull-up，使用UART 3，要Remap

无线终端上行通道：（从小车发送到PC）

   SPI-MOSI —— PB15，Alternate function push-pull，SPI口主数据输出，使用SPI 2。

   SPI-MISO —— PB14，Input-pull-down，SPI口主数据输入，使用SPI 2。

   SPI-SCK —— PB13，Alternate function push-pull，SPI口主时钟，使用SPI 2。

   24L01T-CS —— PA6，Output push-pull，上行无线模块片选信号输出。

   24L01T-CE —— PA7，Output push-pull，上行无线模块发送使能信号输出。

   24L01T-IRQ —— PB5，Input pull-up，上行无线模块中断信号输入，用 EXTI  5 中断。

无线终端下行通道：（从PC发送到小车，SPI口和上行共用 SPI 2）

   24L01R-CS —— PA5，Output push-pull，下行无线模块片选信号输出。

   24L01R-CE —— PA4，Output push-pull，下行无线模块发送使能信号输出。

   24L01R-IRQ —— PB0，Input pull-up，下行无线模块中断信号输入，用 EXTI 0 中断。

充电电源检测：

   DC-CHECK —— PC2，Analog Input，充电电源电压检测，使用ADC_IN12。

传感器扩展：（使用I2C接口，配一根 I/O线）

   SCL —— PB6，Alternate function open-drain，I2C时钟输出，使用I2C 1。

   SDA —— PB7，Alternate function open-drain，I2C数据线，使用I2C 1。

   GYRO-IN —— PC3，暂时设置为 Analog Input，使用ADC_IN13，可根据需要修改。