足球机器人小车控制器设计

xx大学xx届毕业论文设计 (2)设计系统的体系结构：选择处理器和相关外部设备，操作系统，开发平台以及软硬件的分割和总体系统集成；

(3)详细的软硬件设计、软件代码开发； (4)软硬件的联调和集成：系统的测试。

根据技术要求，提出了基于嵌入式系统的足球小车控制器解决方案。嵌入式系统包含硬件和软件两部分：硬件架构上以嵌入式处理器为中心，配置存储器、I／O设备、通信模块等必要的外设；软件部分以软件开发平台为核心，向上提供应用编程接口，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包BSP和应用程序层。嵌入式系统中，软件和硬件紧密配合，协调工作，共同完成系统预定的功能。整个足球机器人小车控制器的总体框图如图2-6所示。

被控对象 软 应用程序 件 层 操作系统 硬件抽象层 硬件层 嵌入式系统

图2-6足球机器人小车控制器的总体框图

1. 小车控制器嵌入式系统主控CPU的选择

在选择处理器的时候要考虑的因素主要有：

(1)处理器性能。一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内部寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用处理器的嵌入式系统设计束说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的处理器和I／O予系统。

(2)技术指标。当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了芯片的数量，降低了整个系统的开发费用。首先考虑的是．系统所要求的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑(GL，Glue Logic)就可以连接到处理器上。其次是考虑该处理器的一些支持芯片，如DMA控制器，内存管理器，中断控制器，串行设备、时钟等的配套。

(3)功耗。由于足球机器人采用的车载电池，容量有限，所以要求CPU高性

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xx大学xx届毕业论文设计 能、低功耗。 ·

(4)软件支持工具。仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持也是不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到事半功倍的作用。 (5)是否内置调试工具。如果处理器内置调试工具可以大大缩小调试周期，降低调试的难度。

(6)供应商是否提供评估扳。许多处理器供应商可以提供评估板来验证理论是否正确，决策足否得当。

根据这些原则和足球机器人的特点，本研究选择了为韩国Samsung Electronics Co．Ltd豹S3C2410微处理器作为足球机器人的主控CPU。

2. S3C2410微处理器

S3C2410微处理器共是一款的低功耗、高度集成的微处理器[30]，采用272脚FBGA封装，内含一个ARM920核和如下片内外围： (1)16KB一体化的Cache／MMU； (2)LCD控制器(支持STN，RFT)； (3)4路DMA： (4)3路UART；

(5)l路12C和一路12S；

(6)2路USB(HOST／DEVICE)；

(7)4路PWM和1个内部时钟控制器； (8)看门狗；

(9)117位通用I／O，24路外部中断； (10)8路ADC；

(11)片内锁相环，内部时钟可达200M。 片内逻辑控制电路主要包括： (1)中断控制器； (2)SDRAM控制器； (3)Flash控制器； (4)系统管理器；

(5)内部32位系统总线仲裁器；

(6)外部存储器控制器。 ．

作为一款16／32位RISC处理器的S3C2410具有以下特点： (1)5级整数流水线，指令执行效率更高； (2)提供L1MIPS／MHz的哈佛结构；

(3)支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集； (4)支持32位的高速AMBA总线接口；

(5)全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统；

(6)MPU支持实时操作系统；

(7)支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。 正是S3C2410所具有的内部外围电路、片内辑控制电路和特点决定了S3C2410适合作为足球机器人小车控制器的主控CPU。

3. 嵌入式操作系统的选择

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xx大学xx届毕业论文设计 通常而言，为一个嵌入式系统选择操作系统要考虑如下几个因素： (1)操作系统支持的微处理器： (2)操作系统的性能；

(3)软件组件和设备驱动程序；

(4)调试工具，开发环境、在线仿真器(ICE)、编译器、汇编器、连接器、调试器以及模拟器等等；

(5)标准兼容性 ， (6)技术支持程度；

(7)是提供源代码还是目标代码； (8)许可使用情况； (9)开发者声誉状况。

嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可以分为两类——商用型和免费型[31]商用型的典型代表就是VxWorks和Windows CE。VxWorks操作系统是美国Win River公司开发设计的一种嵌入式操作系[32]。它的突出特点就是：可靠性高，实时性强和可裁剪。它是目前嵌入式系统领域中使用最广泛，市场占有率最高的操作系统。值得一提的是，美国JPL实验室研制的著名“索杰纳”火星车采用的就是VxWorks操作系统。Windows CE是美国微软开发的，主要用于建立支持具有丰富应用程序和服务32位嵌入式系统[33]。其主要特点是有Windows背景，界面美观。商用型的嵌入式操作系统的缺点就是开发费用比较昂贵，源代码不公开。 免费型的操作系统主要有Linux和μC／OS两种[34]。μC/OS(μC／OS是“Microcontroller Operating System'’的缩写)是由美国人Jean J．Labrosse开发的实时嵌入式操作系统 【35】，主要特点就源代码公开、可移植和可裁剪。其不足之处就是适合简单，任务数较少的系统。

Linux的特点使得它天生就是一个适合于嵌入式开发和应用的操作系统【36-38】

。首先，Linux内核精简而高效。与微软的Widows操作系统或普通的Unix系统不同，Linux内核的核心部分经过裁剪后完全可以小到100KB以下。其次， Linux有非常好的网络性能。Linux的可修改性强。由于Linux是一个代码完全公开的操作系统，任何人都可以对其代码进行修改；并且Linux的模块性比较强，也方便开发人员进行删减和修改。Linux支持多种体系结构，从而具有良好的移植性。虽然Linux本身不具有实时性，但出现了一些基于Linux进行修改的实时操作系统【39】。

根据系统的需求和以上的原则，在小车控制器系统中采用了Linux作为嵌入式系统的操作系统。

电路的具体设计将在第三章详细介绍，第四章介绍软件的设计与实现，第五 章介绍软硬件的联调和集成。

（四）小结

本章简要介绍了MIROSOT机器人小车控制器的国内外的研究概况，并对这些控制器进行了一定的分析，针对目前控制器的不足，提出了基于嵌入式系统的小车控制器的设计方案。对足球机器人小车控制器进行了需求分析，根据足球机器人的技术要求和嵌入式处理器的选择标准，选择S3C2410作为嵌入式系统的主控CPU，并确定了Linux作为嵌入式系统的操作系统。

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三、足球机器人小车控制器硬件设计

由于足球机器人的体积较小，用一块电路板很难设计出符合要求的小车控制器，因此采用两块板，上层板(即核心板)主要有CPU模块、Flash模块、SDRAM模块、时钟与复位电路模块与下层板接口；下层板主要有电源转换单元、JTAG接口、电机驱动单元、无线通讯接收模块、电源和速度检测单元。足球机器人的硬件结构图如图3-1所示。

右轮直 流电机 通讯模块 Radiometrix 右轮光电 编码盘 电机驱动 芯片L298 MCU S3C2410 可编逻 辑芯片 左轮直 流电机 SDRAM Flash 左轮光电 编码盘

图3-1基于S3C2410的足球机器人小车控制器结构框图

（一）核心板电路

核心板的主要功能是通过接收到的信息指令，根据场上形势进行底层控制决策，发出控制指令，通过下层板的驱动电路来控制左右轮的运动。下面分模块介绍各个单元模块的设计。

1. CPU电路

作为32位嵌入式芯片中的一员，S3C2410具有如下特点：

(1)采用12MHz的晶振，通过PLL倍频后可以达到200MHz，哈佛结构，五级流水线，能够满足系统的实时性要求。

(2)两个定时器，全双工异步和同步串行输入输出口。

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