自主行走机器人小车的软硬件研究——移动机器人.doc

浙江科技学院毕业设计（论文）
自主行走机器人小车的软硬件研究
邵佳兵
(自动化与电气工程学院 指导教师：邵世凡)
摘要：随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使移动机器人在功能和技术层次方面都有了很大提高，移动机器人的视觉和触觉技术就是典型的代表。移动机器人在工业生产中常用来完成运输和上下料等任务，同时也被广泛用于农业、医疗等不同行业。
移动机器人技术是近年来的研究热点，自主行走可以作为最基本的功能。本次的毕业设计以实现行走机器人的自主行走功能为主要目标，完成机器人的制作。详细主要分成三大模块，电机动力模块、红外线避障系统、霍尔传感器测速模块。以这三大模块为主要路线来实现机器人小车的自主行走。平台主要依靠ARM开发板和单片机伟福仿真器，从硬件入手，完成各种硬件的制作和调试，再配以软件，和程序一起来完成这一系统。最后对移动机器人的发展趋势进行了展望。
关键词：移动机器人；电机动力系统；红外线避障；霍尔传感器测速
Abstract:Along with the computer technology and the artificial intelligence technology rapid development, caused to move the robot all had the very big enhancement in the function and the technical level aspect, moved the robot the vision and the sense of touch technology is typical representative. Moves the robot often to use for in the industrial production to complete the transportation and on duties and so on yummy treats, simultaneously also widely uses in the agriculture, the medical service and so on different profession.
The motion robot technology was the recent years research hot spot, walked independently may take most basic function. This time graduation project take realizes walks the robot independently to walk the function as the essential target, completes the robot manufacture. This time graduation project take realizes walks the robot independently to walk the function as the essential target, completes the robot manufacture. Mainly divides into three big modules in detail, the electrical machinery power module, infrared evades bonds the system, the Hall sensor measures fast module. Realizes the robot car take these three big modules as the principal route to walk independently. The platform mainly depends upon the ARM development board and the monolithic integrated circuit great luck simulator, from hardware obtaining, completes each kind of hardware the manufacture and the debugging, again matches by the software, complete this system together with the procedure. Finally to move the robot the trend of development to carry on has forecast.
Keywords：Motion robot；Electrical machinery dynamic system；Infrared evades bonds；The Hall sensor measures fast
1 绪论
1.1 机器人的发展
机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，在发达国家， 工业机器人已经得到广泛的应用。随着科学技术的发展，机器人的应用范围也是益扩大，遍及工业。国防。宇宙空间。海洋开发。医疗康复等领域。进入21世纪，人们已经愈来愈亲身地感受到机器人深入产业。深入生活。深入社会的坚实步伐。
机器人的核心是控制系统。机器人的先进性和功能是强弱通常都直接与其控制系统的性能有关。机器人是一项跨多学科的综合性手术，涉及自动控制。计算机。传感器。人工智能。电子技术和机械工程等多种学科的内容。
近年来，在我国，机器人作为机械电子学，计算机技术。人工智能的典型载体被广泛地用来作为工科本科生的讲授课程之一;在中学，模型机器人则逐渐成为素质教育，技能实践的选题之一，各种机器人比赛方兴未艾。
根据工作环境的不同，移动机器人可以分为室外移动机器人和室内移动机器人。室外移动机器人工作在室外环境中，应用于交通领域的自主陆地车(ARV) 、应用于海洋开发的深海探测机器人、以及应用于火星探险的探路者机器人等属于室外移动机器人。室内移动机器人工作在室内环境中，应用在现代化工厂和大型物流中心的运输机器人是它们的典型代表，近来服务和娱乐领域也提出了对智能移动机器人强烈需求，如医院、办公室、家庭里的服务机器人和博物馆导游机器人。
移动机器人的移动机构多种多样，可以是轮式的、步行式，履带式的等等，采用何
种移动机构要根据机器人的工作环境确定，如水下机器人和飞行机器人就需要采用专门
设计的推进器作为移动机构。轮式移动机构包括从单轮式、两轮式、三轮式、四轮式到多轮式许多类型;步行式的也可分为双足式和多足式。轮式移动机构适合平坦地形，具有结构简单、速度快等优点，机构设计和控制可以参考汽车技术领域的成果，在平面运动机器人中应用最为广泛。
那么机器人是人类的得力助手，能友好相处的可靠朋友，将来我们会看到人和机器人会存在一个空间里边，成为一个互相的助手和朋友。机器人会不会产生饭碗的问题。我们相信不会出现“机器人上岗，工人下岗”的局面，因为人们随着社会的发展，实际上把人们从繁重的体力和危险的环境中解放出来，使人们有更好的岗位去工作，去创造更好的精神财富和文化财富，机器人来做这些危险环境的工作，展望21世纪机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，所以很多专家预测，在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期，目前国际上很多国家，也对机器人对人类社会的影响的估计提出了新的认识，同时，我们也可以看到机器人技术，涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，它是一个国家高技术实力的一个重要标准。
1.2 嵌入式系统现状
1.2.1 嵌入式系统的定义
关于嵌入式系统的定义，一般认为嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。典型的嵌入式系统有各种使用x86的小型嵌入式工控主板，以及使用Intel、Samsung、Motorola等专用芯片构成的小系统。
1.2.2 嵌入式系统的特点
　　嵌入式系统可以称为后PC时代和后网络时代的新秀。与传统的通用计算机、数字产品相比，利用嵌入式技术的产品有其自身的特点：
　　1.由于嵌入式系统采用的是微处理器，独立的操作系统，实现相对单一的功能，所以往往不需要大量的外围器件，因而在体积上，功耗上有其自身的优势。
　　2.嵌入式系统由于空间和各种资源相对不足，硬件和软件都必须高效率地设计，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。
　　3.嵌入式系统为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。
4.为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，嵌入式系统要求配备一种或多种标准的网络通信接口。
1.2.3 嵌入式系统的历史与现状
　　1971年，Intel公司推出了有史以来第一颗微处理器4004，嵌入式系统的概念也随之出现，而此时的嵌入式系统大多都不采用操作系统，它们只是为了实现某个控制功能，使用一个简单的循环控制对外界的请求进行处理，是计算机的一种应用形式。
　　以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，为嵌入式市场展现了美好前景，同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出了新的挑战。这主要包括：支持日益更新的功能、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体信息处理，此外，还需应付更加激烈的市场竞争。
到目前为止，商业化嵌入式系统的发展主要受到用户对嵌入式系统的功能需求、硬件资源以及嵌入式操作系统自身灵活性的制约。
1.2.4 嵌入式系统的发展趋势
在市场和技术进步的双重推动下，嵌入式系统技术未来的发展，将呈现出以下几点趋势：
　　●联网成为必然趋势
　　为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入式设备必须配有通信接口，相应需要TCP/IP协议软件支持；由于家用电器相互关联（如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息）及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。
　　●小尺寸、微功耗和低成本
　　为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如：选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。
　　●提供精巧的多媒体人机界面
　　嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。
　　●“无所不在的智能”（Ambient Intelligence，AI）
　　无所不在的“智能”是嵌入式系统应用的高级境界，它是指一种嵌入了多种感知和计算设备，并根据上下文识别人的身体姿态、手势、语音等，进而判断出人的意图，并做出相应反映的具有适应性的数字环境，它通过智能的、用户定制的内部互联系统和服务制造理想的氛围，完成理想的功能，从而有效提高人们的工作和生活质量。AI的关键技术基础是“无所不在的计算（Ubiquitous Computing）”，“无所不在的计算”指的就是，“无论何时何地，任何人需要，就可以通过某种设备访问到所需的信息”。从计算技术的角度来看，可以认为存在一个巨大的分布式网络，这个网络由围绕在用户周围的成千上万个嵌入式系统互连而成，用来满足其在信息、通讯、出行和娱乐等方面的需求。
信息化社会的建设对嵌入式系统市场提出巨大需求，目前微处理器微控制器年产量几亿到10多亿片，远远大于个人通用台式计算机，嵌入式计算机必将是信息产业新的经济增长点。
1.3 ARM概述及其应用领域
1.3.1 ARM概述
ARM(Advanced RISC Machines)是一类处理器，同时也是一个公司的名字。ARM公司于1990年11月在英国剑桥成立，它是全球领先的16/32位嵌入式RISC微处理器解决方案供应商，向全球各大领先电子公司提供高性能。低成本和高效率的RISC处理器。外设和系统芯片技术授权。ARM公司设计先进的数字产品核心应用技术，应用领域涉及无线、网络、消费娱乐、影像、汽车电子、安全应用及存储装置。ARM提供广泛的产品，包括16/32位RISC微处理器、数据引擎、三维图形处理器、数字单元库、嵌入式存储器、外设、软件、开发工具以及模拟和高速连接产品。ARM公司协同众多技术合作伙伴为业界提供快速、稳定的完整系统解决方案。
1.3.2 ARM的应用领域
1.工业控制领域:作为32的RIS架构，基于 ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的 8 位 /16 位微控制器提出了挑战。
2.无线通讯领域:目前已有超过 85% 的无线通讯设备采用了 ARM 技术， ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。
3.消费类电子产品:ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
4.成像和安全产品:现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用 ARM 技术。手机中的 32位SIM智能卡也采用了ARM 技术。
1.4 我们的课题
1.4.1 总体方向
综合移动机器人开发的可行性，我们把课题的方向定位自主移动机器人小车的软硬件
研究。
1.4.2 机器人模块实现总体方向实现过程
以S3C44B0X实验板为平台，以及避障系统和运动控制系统两部分结合起来构成整个移动机器人最主要的硬件部分。其中，实验板为移动机器人的中枢神经部分，它承担着对于外部硬件的全权管理（包括接收外部硬件的传递过来的信息，对信息进行相应的处理，以及把处理后的信息再传递给外部硬件）；避障系统为整个机器人系统的感应部分，一切外界环境的识别都有避障系统来完成；运动控制系统为整个机器人系统的移动部分，它承担着让机器人能自由的在物理环境中移动的功能。
1.4.3 实现过程
以S3C44B0开发板构建整个机器人的中枢神经，主要是采用嵌入式操作系统来管理。
这里具体工作主要包括将uClinux操作系统移植入ARM，以及在操作系统下编写外部驱动程序来识别和控制外围硬件（主要是避障系统和运动控制系统）。
避障系统设计：采用红外线来实现避障（电路设计，调试）。
运动控制系统设计：采用直流电机来实现机器人的移动功能(电路设计，调试)。
软件设计部分：主要是应用程序配合外部硬件驱动程序。
2 自主行走机器人的行走控制方案
2.1 直流电机的控制方案
一个电动小车整体的运行性能，首先取决于它的电池系统和电机驱动系统。电动小车的驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。电动小车的驱动不但要求电机驱动系统 具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，而且电机的转矩-转速特性受电源功率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽 的高效率区。我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。直流电机的控制很简单，性能出众，直流电源也容易实现。这里主要介绍这种直流电机的驱动及控制。
2.2 驱动电路
2.2.1 驱动芯片介绍
L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，直接采用，TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。该芯片的主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。其芯片原理结构图如下：

芯片的引脚功能如下:

电机逻辑运行表：

另一个H桥的工作原理同上。由Enable B控制OUT3和OUT4之间电机的停转，根据IN3、IN4脚的输入电平情况控制OUT3和OUT4之间电机的转向。
2.2.2 驱动电路
直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。 它的基本原理图：

全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，S1、S2为一组，S3、S4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、 S4关断，电机两端加正向电压，可以实 现电机的正转或反转制动；当S3、S4导 通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。
在小车动作的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在S1、S2导通且S3、S4关断，到S1、S2关断且S3、S4导通，这两种状态之间转换。在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。这个过程可用图2说明。

因此，为了避免直通短路且保证各个开关与动作之间的协同性和同步性，两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可以通过软件实现。
下图为采用内部集成有两个桥式电路的专用芯片L298所组成的电机驱动电路。驱动芯片L298是驱动二相和四相步进电机的专用芯片，我们利用 它内部的 桥式电路来驱动直流电机，这种方法有一系列的优点。每一组PWM波用来控制一个电机的速度，而另外两个I/O口可以控制电机的正反转，控制比较简单，电路也很简单，一个芯片内包含有8个功率管，这样简化了电路的复杂性，如图所示IOB10、IOB11控制第一个电机的方向，IOB8输入的PWM控制第一个电机的速度;IOB12、IOB13控制第二个电机的方向，IOB9输入的PWM控制第二个电机的速度。
由于S3C44B0X本身就带有5个PWM输出口，直接输出控制信号到L298N即可，无须另加电路。系统原理框图如图2所示。系统中选用了工作在中断模式下的定时器1和2作为产生PWM的定时器。通过编程设定I／O口PE4和PE5作为定时器1，2输出PWM的端口，接入L298N的Enable A和Enable B端口，根据定时器1，2输出的PWM频率分别控制两个直流电机的转速。 PE6设定为输出端口连接IN1并通过--反向器连接IN2；同样，PE7也设为输出端口，接入IN3并经一个反向器接入IN4。通过接入反向器，IN1和IN2，IN3和IN4就不会同时处于高电平或低电平，即不会因为IN1和IN2，IN3和IN4电平相同而使电机停止转动。电机的停止操作可以通过调制脉冲宽度为0即占空比为0或者关闭定时器的使能位实现。这样只需一路信号PE6就可控制IN1和IN2的状态，PE7控制IN3和IN4的状态，从而使得系统的控制信号得到减少，在一定程度上简化了系统。为保证L298N驱动芯片正常工作，还要在其与直流电机之间加入四对续流二极管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。
框图如下：

驱动电路原理图如下：

PCB图如下:

最后的实物图如下:

3 避障系统硬件设计
3.1 常用避障电路的实现方法
机器人小车避障电路设计常用的方法有两类：一种是超声波发射，接收传感器；另一种是红外线发射传感器。超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，但超声波技术受干扰影响比较大。采用红外线技术设计避障电路，主要优点是廉价，而且红外线常用于遥控电路，技术比较常熟，电路设计也比较简单，但是，它的避碰距离不是很远，一般最远也不会超过1m。
考虑到实验室的条件以及技术实用性，本项目主要采用的是红外线技术设计避障电路。线外线障碍物检测器是一种非接触式的物体检测方法。它（以及超声波测距传感器）相比于接触式传感器（比如触须或其他碰撞传感器）有几个突出的优点。即在检测到障碍物前机器人实际上并不任何物体碰撞，这使机器人损坏的几率大大降低，也省去了弯曲触须保持合适形状的麻烦，进一步，还无须对触须按钮输入做消抖处理。
3.2 红外线避障系统的实现
3.2.1 红外线避障电路基本原理
红外线是一种波长在750mm至l000mm之间的电磁波，对障碍物的衍射能力差，抗干扰性能强，此外红外通讯有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，所以得到广泛的应用，许多企业、学校都专门开设课程介绍红外遥控的原理，但常缺乏演示装置，使得学习过程中对其控制信号的传输流程不明了，授课效果差、本文设计一套以红外线为控制指令信号载体的红外发射、接收演示装置，能完整演示红外发射与接收信号，达到辅助教学的目的。
采用红外线技术设计避障电路方法一般有两种，一种是基于红外线发射二级管和红外线接收二极管来设计；另外一种是基于红外线发射二极管以及红外线接收头来设计，两种方法的最大区别就在于接收电路，前者主要是要自行设计出红外接收二极管的接收电路，而后者用到的红外接收头内部就是一个接收电路，所以后者就比较简洁，而且效果比前者要好的多。
红外线障碍检测方法能检测到设定距离的某一物体，这是由光源的我决定的，因为光能以距离的平方倍衰减。一英尺（一英尺=0.3084米）处观察一盏灯，其亮度是站在两英尺处观察到的4倍，是4英尺处观察到的16倍。
减弱红外发光二极管的输出有以下三种方法：
1.使用一个电位器充当红外发光二极管的限流电阻。增大电阻可以减小流过红外发光二极管的电流，也就降低了输出信号的强度。调节电位器直到机器人的红外线检测器的有效作用距离合适，核实阻值后即可以用一个定值代替电位器。
2.改变红外发光二极管的驱动信号频率使其偏离38kHz，则红外线检测器对于红外线的灵敏度降低。
3.减弱红外发光二极管的输出的最后一个方法是使用占空比小于50%的PWM信号。微控制器内置的硬件提供占空比可调的PWM输出信号，显然此方法比较容易实现。
众所周知，红外线无处不在。红外线检测器波、滤除背景红外线而让红外线人亡政息是以通过。这项工作由内置的带通滤波器完成，即仅让调制成38kHz的信号才能通过。
当红外线的回波达到2~6或2~7个脉冲数后才能被红外线检测器确认。如图示：

3.2.3 红外发射电路设计
首先要产生两种频率的脉冲方波，分别由NE555和LM567产生，然后再经过调制，即可产生载波为38K的脉冲波形。

555时基电路不但被广泛用于仪器仪表及自动化控制装置中，也广泛应用于家电控制装置，也用其来制作各种各样的控制部件和电子装置。因为用时基电路可方便地组成各种波形的振荡电路、定时延时电路、单稳态电路、双稳态电路、施密特触发电路、电源变换电路、频率变换电路、压电变换电路、报警电路等，甚至连电子计算机的外围设备中亦可见到时基电路的身影。
常见的基本的多谐振荡器电路如图：

刚接通电源时，由于电容器C1两端的电压不能突变，IC第2、6脚为低电平，其第3脚输出高电平。这时电源Vcc、电阻器R1、R2;电容器Cl与地构成回路，电源电压Vcc通过电阻器R1、R2对电容器C1按负指数规律充电，当电容器Cl两端的电压达到2/3Vcc时，时基电路内部的R-S触发器复位，Vo输出翻转为低电平，IC第7脚内部三极管BG放电导通，电容器C1电荷通过R2放电，当电容器C1两端的电压下降至1/3Vcc时，时基电路内部R-S触发器又置位翻转，输出端Vo又翻转成高电平，内部三极管BG又截止，一个周期结束，电路又恢复初始状态，这样周而复始形成连续不断的振荡。电容器C1在充电、放电过程中，其电压在1/3Vcc到2/3Vcc之间变化，其波形图如图所示:

Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需要的时间为：t1=(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2)C
电容器C放电所需要的时间为：t2=R2Cln2=0.7R2C
其频率为:
f=1/(t1+t2)=1.43/(R1+2R2)C
通过计算和调试，参数选择如下：
R2=5K，R1=6.5K，C1=2200PF
时基集成电路IC1(NE555)与电位器RPl、电阻Rl及电容Cl构成多谐振荡器、调节RPl可以调节振荡器的振荡频率，振荡信号由3脚输出、实现幅度键控(ASK)的载频调制、电容C3及可调电阻RP2构成RC微分电路、调节RP2可调节振荡信号的占空比，二极管用来选择RC微分电路产生的负向尖脉冲。IC3(LM567)及可调电阻、电容C6构成高频振荡载频电路。当2脚(实际上是内部压控振荡器的控制端)加入调制信号，则它将使压控振荡器的5脚输出受2脚信号调制的调频信号。调频信号的中心频率是由5脚和6脚的外接电阻电容元件所决定，调节即可调节中心频率。2脚输入高电平“1”时，产生在中心振荡频率f0附近频率为f1的振荡信号；当输入低电平“O”时，则输出频率为f2的信号，且有f1>f0>f2，此调制方式为频率键（FSK)，IC4(LM567)及外围电路产生高频脉冲信号，在2脚接电容C8得到恒定电平，那么所得到的脉冲信号将稳定在某一个频率上、此频率可以通过RP4调节开关K1接1，K2接4时为频率键控调制，开关Kl接2、K2接3为幅度键控调制，三级管S8050为驱动放大电路，信号经过发光二极管VD1发射出去。
幅度调制接收信号如图:

发射原理图和PCB图如下:

最后的实物图如下:

4 速度测量实时反馈
4.1 方案总述
S3C44B0X本身不具有外部脉冲计数功能，可利用可编程定时计数器82C54在S3C44B0X系统中实现测量电机转速。
在机器人控制中，我们需要知道它的状态，这就需要测量。对于机器人行走常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。为了能精确地测量转速外，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速．转速测量方法分为模拟式和数字式两种，模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是电压量，而数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能／价格比的单片机的涌现，转速测量普遍采用了以单片机为核心的数字法，智能化微电脑式代替了一般机械式或模拟量结构。
4.2 方案选择和实施
4.2.1 选择方案
在我们的这个项目中选用霍尔集成元件作为传感器，主要因为它本身不怕灰尘，适合露天场地，且体积小，价格便宜，可单电源供电，使用极其方便，因此本测量系统转速信号检测点采用霍尔集成传感器作为转速检测探头。
4.2.2 任务实施
把探头(霍尔元件)固定在距齿轮外圆lmm的支架上，在霍尔元件的正对面贴一小块磁钢(B>18000T，B为磁钢强度要求)，当测速齿轮的每个齿轮经过探头正前方时，改变了磁通密度，探头就输出一个标准的脉冲信号。检测元件选用型号为CS3020开关集成霍尔传感器。此元件是OC门，因此在输出端与电源之间要接一个电阻，见如图所示．为了提高其带负载能力，接一个三极管放大电路。通过晶体管的集电极输出信号，并且输出的脉冲信号无需进行整形(集成霍尔传感器片内设有稳压电路、施密特电路)。图霍尔元件电路(二)是开关传感器的特性，从特性可以看出，这种传感器具有时滞特性，此特性可以防止噪声干扰。

霍尔元件电路(一)

霍尔元件电路(二)
霍尔元件的电路原理图:

以及PCB图设计如下:

4.2.3 计数模块设计
鉴于S3C44B0X本身不具有外部脉冲计数功能，需要在已有的硬件资源基础上扩展外围电路。利用可编程定时计数器82C54是个很好的选择。
Intel 82C54是专用的可编程定时计数芯片，82C54通过对加在其CLK 输入引脚的脉冲进行计数， 脉冲最高频率可以达到10MHz， 使用灵活，功能强大。采用82C54对系统外围进行硬件设计， 电路原理框图如图1所示， 图中绘制了关键电路连接关系。S3C44B0X的数据线D0~D7通过74LVCA245接82C54的数据线，74LVCA245的作用是实现了CPU 的3.3V 电压和82C54的5V 电压的稳定转换。片选可使用S3C44B0X的任意空余片选nGCSx，如果整个系统还有其他外围电路需要较多片选，也可利用S3C44B0X的地址线接74HC138译码器扩展出多路片选信号供系统其它资源使用。在实际应用中， 由于系统与外设通过接口相联接时会产生共地的干扰，使系统工作不正常，所以必须进行电平隔离， 以提高系统抗干扰能力。

电路原理图如下:

PCB板图如下示:

5 ARM开发平台及uClinux操作系统的设计
5.1 ARM开发平台介绍
ARM系列是一种32位的嵌入式RISC处理器、它具有低电压、低功耗和低集成度等特点，并具有开放性和可扩性，已经成为嵌入式系统首选的处理器架构S3C44B0是三星公司推出的一款为手持设备或其他通用设备而开发的16／32位处理器，它基于ARM7TDMI核，没有内存管理单元(MMU)、uClinux是专门应用于无MMU微处理器的Linux衍生操作系统、具有支持多任务、内核精简、高效、稳定等优点。移植基本内容是：获取某一版本的Linux内核源码，根据目标平台对源码中与体系结构相关部分进行修改，然后添加一些外设驱动，对该系统进行针对目标平台的交叉编译，生成一个内核映像文件，最后把该映像文件烧写到目标平台中。本目标平台采用S3C44B0 作为处理器；采用2MB(0x000000-0xlfffff)线性FLASH作为引导代码、uClinux镜像文件和ROMFS文件系统的存储器；采用8MB(0xc000000-0xc7fffff)SDRAM作为引导代码、Linux映像文件和应用程序的可读写存储器。
5.1.1 基本设置
首先，要了解一下如何通过串口终端与ARM板进行通信，将随板配带的串口线（DB9 为双母，直连）一端接FS44B0X 开发板的COM1，串口线的另一端接电脑的COM1（或COM2），接好后，在PC机上打开一个超级终端。
如果在Windows XP下，打开start menu，All program，Accessories ，Communications，Hyper Terminal（超级终端）。接着对超级终端进行配置，选择波特率为“57600”，数据位为“8”，奇偶校验位为“无”，停止位为“0”，数据流控制为“无”。
在linux下，打开gnome终端，在命令行里输入minicom –s,然后对串口终端进行一下配置。选中Serial port setup，按照要求配置串口功能属性。保存退出。键入minicom，给ARM开发板上电，在命令行模式下键入ap，设置。这样linux的串口终端便建立起来了（这样，在linux操作系统下，uClinux内核镜像image.rom可以直接通过该串口烧写入ARM目标板）。
网线：将交叉网线一头接ARM板，另一头接PC机网口，开发板的IP 地址192.168.77.66，所以，请将PC机的IP地址设为192.168.0.X，我把PC机的IP地址设为192.168.77.77，子网掩码设置为255.255.0.0接下来，要注意，打开串口终端，在让ARM板上电，在终端命令行模式/>下，键入命令ap，可以在PC机的Run里输入ping 192.168.77.66 －t试试能不能ping通目标ARM板。
5.1.2 交叉环境的建立
交叉编译是利用运行在某机器上的编译器编译某个源程序生成在另一台机器上运行的目标代码的过程 ．开发工具主要有IDE集成开发环境和Makefile方式，前者如Windows中的Linux View和CodeWarrior等，有良好的用户界面，并且易于管理和控制项目的开发．后者如Linux Kernel的开发，支持脚本的功能非常强大．通常应用程序的开发使用集成开发环境，内核的编译使用Makefile方式．建立编译内核的交叉编译环境主要用到的开发工具包括3部分：binutils、gcc、glibc．其中，binutils是二进制文件的处理工具；gcc是编译工具；glibc是链接和运行库．若网上下载的是源代码包，需要经过GCC的编译才能应用；若是应用程序包，安装后即可使用．为了快速建立交叉环境，可以从网上直接下载
arm-elf-binutils-2.11-3.i386.rpm
arm-elf-gcc-2.95.3-2.i386.rpm
arm-elf-gdb-5.0-1.i386.rpm
grnromfs-0.5.1-1.i386.rpm
arm-elf-tools-20030314.sh文件
在Linux下运行rpm –ivh *.rpm命令，安装gcc、binutils等交叉编译工具，在Linux下运行。/arm-elf-tools-20030314.sh命令，在开发主机上便会自动建立一个uClinux-ARM的交叉编译环境。
5.1.3 uClinux内核源码的修改与裁剪
对uClinux内核的移植修改主要包括启动代码的修改，内核的链接及装入，参数传递，内核引导4部分。uClinux内核分为体系结构相关部分和体系结构无关部分。在Linux启动的第一阶段，内核与体系结构相关部分(arch目录下)首先执行，完成硬件寄存器设置，内存映射等初始化工作。然后，控制权转给与系统结构无关部分。在移植工作中要改动的代码主要集中在与体系结构相关部分。由于内核的源码一般的厂商都已提供，所以裁剪问题基本不需要。
Linux的运行开销，主要包括静态映像体积、动态运行的内存和CPU等开销。通常在嵌入式系统中都显得比较大。由于嵌入式系统的资源比桌面系统少，必须先对Linux进行裁剪，控制开销，才能使之运行于嵌入式系统硬件平台上。静态映像主要由Linux系统内核、应用程序、应用库等的二进制映像组成；动态运行的开销和CPU开销主要与Linux实现有关，需要针对嵌入式应用系统的特点进行优化。
在uClinux源文件目录下，执行make menuconfig命令，程序会依次出现开发平台、内核、文件系统、应用程序的配置界面，可以根据自己的需要进行配置．配置时大部分选项可以使用其缺省值，只有小部分需要根据用户不同的需要选择。例如，若需要内核支持DOS分区的文件系统，则要在文件系统部分选择FAT或DOS系统支持；系统如果配有网卡、PCMCIA卡等，需要在网络配置中选择相应卡的类型。进行内核配置时，有3种选择，它们分别代表的含义为：①“Y”-将该功能编译进内核；② “N”-不将该功能编译进内核；③“M”-将该功能编译成可以在需要时动态插入到内核中的模块、将与核心其他部分关系较远且不经常使用的部分功能代码编译成为可加载模块，有利于减小内核的长度，减小内核消耗的内存，减少该功能相应环境改变时对内核的影响。
5.2 uClinux内核编译
ARM上的uClinux操作系统是出厂前就被开发人员烧入