基于ARM單片機(jī)的裝載機(jī)障礙物監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

　　隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)獲得廣闊的發(fā)展空間，工業(yè)控制領(lǐng)域也進(jìn)行著一場(chǎng)巨大的變革，以32位高端處理器為平臺(tái)的實(shí)時(shí)嵌入式軟硬件技術(shù)將應(yīng)用在工業(yè)控制的各個(gè)角落。嵌入控制器因其體積小、可靠性高、功能強(qiáng)、靈活方便等許多優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、國(guó)防、科研以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域,對(duì)各行各業(yè)的技術(shù)改造、產(chǎn)品更新?lián)Q代、加速自動(dòng)化化 進(jìn)程、提高生產(chǎn)率等方面起到了極其重要的推動(dòng)作用[1]。

　　現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)外雖有部分車(chē)輛安裝了超聲波倒車(chē)防撞報(bào)警裝置、基于DSP的智能車(chē)輛防撞系統(tǒng)、圖像處理技術(shù)的汽車(chē)追尾預(yù)警系統(tǒng)等，但是用于像裝載機(jī)這種廣泛用于城建、礦山、公路等工程的工程機(jī)械的障礙物監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。所以建立一個(gè)對(duì)障礙物進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警的系統(tǒng)，提前為駕駛員提供危險(xiǎn)信號(hào)，讓駕駛員能及時(shí)采用有效措施是減少事故的有效方法[2～5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)以裝載機(jī)為研究對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、調(diào)理、傳送、顯示和預(yù)警為目的。把系統(tǒng)劃分為障礙物距離信號(hào)采集模塊、LCD顯示模塊、聲光報(bào)警模塊和處理器模塊這四個(gè)部分。其中以處理器為核心，通過(guò)總線(xiàn)和接口電路把信號(hào)輸入和輸出相連。系統(tǒng)做成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

　　該Mini ARM模塊集成有C2290微控制器最小系統(tǒng)，USB主機(jī)控制器、10M以太網(wǎng)通信控制器以及NAND FLASH 電子盤(pán)，其硬件資源主要有：2M NOR FLASH、16K SRAM、2M/8M Bytes PSRAM、10M 以太網(wǎng)接口、2 路USB-Host 控制器、集成電子盤(pán)、2 路CAN控制器以及RTC等[6]。

　　LCD顯示模塊使用內(nèi)置T6963C的液晶顯示模塊，該模塊上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了T6963C與行、列驅(qū)動(dòng)器及顯示緩沖區(qū)RAM 的接口。

2.1 障礙物距離檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

　　對(duì)于障礙物的檢測(cè)方法有超聲波測(cè)距法、圖像處理法、激光測(cè)距法等。但是由于超聲波傳感器具有信息處理簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、制作方便等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距法來(lái)對(duì)障礙物的距離進(jìn)行檢測(cè)。

（1）超聲波測(cè)距的原理

　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為c，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s[7]，即s=ct/2 (1)。

（2）超聲波測(cè)距電路

　　在本系統(tǒng)中超聲波測(cè)距電路是由MICROCHIP的PIC16C57設(shè)計(jì)而成的，選用的超聲波傳感器是T/R40-16壓電陶瓷傳感器。在工作中，主控器PIC16C57發(fā)出信號(hào)使發(fā)射端的超聲波換能器發(fā)出加以電壓激勵(lì)，其受激勵(lì)后以脈沖的形式發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波接收器接收到回波信號(hào)時(shí)，傳回到主控器中，從脈沖信號(hào)開(kāi)始發(fā)射時(shí)主控器中的定時(shí)器便開(kāi)始計(jì)時(shí)，接收到回波信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)。所側(cè)出的時(shí)間間隔再乘以聲速就得到了兩倍的距離值。從而計(jì)算出障礙物到發(fā)射點(diǎn)的距離。其電路圖如圖2所示。

圖2 超聲波測(cè)距電路圖

　　距離值通過(guò)PIC16C57的10腳進(jìn)行串行輸出，經(jīng)MAX232芯片后與ARM的串口相連。芯片MAX232是為RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路，它完成TTL電平和RS232電平的轉(zhuǎn)換[8]。

2.2 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)要求根據(jù)影響裝載機(jī)穩(wěn)定性的障礙物距離的臨界值對(duì)危險(xiǎn)狀況進(jìn)行三級(jí)報(bào)警。當(dāng)處于低危險(xiǎn)狀況時(shí)，只有指示燈綠燈被點(diǎn)亮，提醒駕駛者注意；當(dāng)危險(xiǎn)級(jí)別增高時(shí)，指示燈黃燈點(diǎn)亮，同時(shí)伴隨有舒緩的蜂鳴聲，提醒駕駛者采取措施；當(dāng)達(dá)到最高危險(xiǎn)級(jí)別時(shí)，指示燈紅燈被點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴聲由舒緩轉(zhuǎn)為急促，提醒駕駛者趕緊制動(dòng)。
設(shè)計(jì)中，分別采用了LPC2290的P2.20（GPIOA4）驅(qū)動(dòng)綠色LED，P2.21（GPIOA5）驅(qū)動(dòng)黃色LED, P2.22（GPIOA6）驅(qū)動(dòng)紅色LED，P2.23（GPIOA7）驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。所設(shè)計(jì)的報(bào)警電路如圖3所示。

圖3 報(bào)警電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　常用的嵌入式操作系統(tǒng)有VxWorks、Windows CE、嵌入式Linux和μC/OS-Ⅱ等，由于μC/OS-Ⅱ嵌入式系統(tǒng)具有公開(kāi)源代碼，具有實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核來(lái)進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度等優(yōu)點(diǎn)[9]，所以本系統(tǒng)選用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)。

　　由于采用模塊化編程，所以μC/OS-II下系統(tǒng)任務(wù)的劃分也是基于不同的功能模塊，每一個(gè)模塊被分解成一個(gè)或者多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)被安排一個(gè)優(yōu)先級(jí)。這樣，一旦這些任務(wù)被建立起來(lái)，它們之間的調(diào)度情況就完全由μC/OS-II來(lái)完成。結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，程序中創(chuàng)建串口通信任務(wù)、報(bào)警任務(wù)、LCD顯示任務(wù)。其軟件流程框圖如圖4所示。

圖4 軟件流程框圖

　　上電后，首先進(jìn)行硬件的初始化，然后對(duì)μC/OS-II操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化，建立任務(wù)，進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度。μC /OS - II的任務(wù)調(diào)度是搶占式的，所以在設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)的時(shí)候應(yīng)該盡量考慮任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。即使兩個(gè)任務(wù)的重要性是相同的，它們也必須有優(yōu)先級(jí)上的差異，這也就意味著高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在處理完成后必須進(jìn)入等待或掛起狀態(tài)，否則低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)永遠(yuǎn)也不可能執(zhí)行。本系統(tǒng)中設(shè)置串口通信任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于液晶顯示任務(wù)，液晶顯示任務(wù)的優(yōu)先級(jí)又高于報(bào)警任務(wù)。

　　1.串口通信任務(wù)完成超聲波測(cè)距部分與ARM處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸。串口通信部分主要包括兩部分內(nèi)容：用戶(hù)接口函數(shù)和任務(wù)函數(shù)。串口共有5個(gè)用戶(hù)接口函數(shù)，分別為deopen()、dclose()、dread()、dwrite（）和diocontrol()。

　　超聲波測(cè)距裝置和LPC2290進(jìn)行通信的部分程序代碼如下：
diocontrol(Uart0_Handles,UART0_SET_MODE, (void *)&Mode0)； // 設(shè)置UART 模式
diocontrol(Uart0_Handles,UART0_SET_TIMEROUT,(void *)5)； // 設(shè)置接收超時(shí)因子, 參數(shù) =0 則關(guān)閉超時(shí)
diocontrol(Uart0_Handles, UART0_CLR_FIFO, (void *)0)； // 清空接收軟FIFO
while (1)
{Rece_Count=dread(Uart0_Handles, UART_Rece
_Buff,1)； //讀取超聲波發(fā)送過(guò)來(lái)的第一個(gè)起始字節(jié)，放入緩沖區(qū)
if((Rece_Count>0)&&(UART_Rece_Buff[0]== ’@’)) //如果讀取成功且第一個(gè)字節(jié)為‘@’
{dread（Uart0_Handles,&UART_Rece_Buff[1],3）； //接收后三位字節(jié)，分別為百位數(shù)、十位數(shù)、個(gè)位數(shù)
for(i=1；i<4；i++)
UART_Rece_Buff[i]=UART_Rece_Buff[i]+48； //將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCII碼值
for(i=0；i<3；i++)
sbuff[i]=UART_Rece_Buff[i+1]； //接收的數(shù)據(jù)緩存到數(shù)組中，供LCD顯示部分調(diào)用
}
}

　　2.液晶顯示任務(wù)主要是把ARM處理器中超聲波傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上，以方便駕駛員能實(shí)時(shí)看到障礙物的距離值。

　　顯示文字的部分程序代碼如下：
{ uint32 addr；
uint8 i；
for (i=0；i<24；i++)
/* 找出目標(biāo)地址 */
{ addr = (y+i)*(GUI_LCM_XMAX>>3) + (x>>3)；
LCD_WriteTCommand3(LCD_ADR_POS, addr&0xFF, addr>>8)； // 置地址指針
/* 輸出數(shù)據(jù) */
LCD_WriteTCommand2(LCD_INC_WR, *Buff)；
Buff++；
LCD_WriteTCommand2(LCD_INC_WR, *Buff)；
Buff++；
LCD_WriteTCommand2(LCD_INC_WR,*Buff)；
Buff++；
LCD_WriteTCommand2(LCD_NOC_WR,*Buff)；
Buff++； }
LCD_WriteTCommand3(LCD_ADR_POS, 0x00, 0x00)；
// 重置地址指針
}

　　3.報(bào)警任務(wù)主要是通過(guò)ARM處理器把障礙物的距離值與不同報(bào)警條件下的臨界值進(jìn)行比較，并完成相應(yīng)的報(bào)警顯示。

4 調(diào)試及結(jié)果

　　系統(tǒng)調(diào)試用到了ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境及EasyJTAG-H仿真器。當(dāng)把程序編寫(xiě)好并把EasyJTAG-H仿真器的JTAG接口與MiniARM產(chǎn)品相連后，便可用調(diào)試軟件把程序下載到ARM板上，進(jìn)行試驗(yàn)。

　　超聲波每檢測(cè)一次串口輸出一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?600，包括一個(gè)起始位和三位數(shù)據(jù)位。結(jié)果表明：微處理器對(duì)不符合所設(shè)定格式的數(shù)據(jù)幀沒(méi)有響應(yīng)，不接收所發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，只對(duì)滿(mǎn)足要求的數(shù)據(jù)才進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　超聲波檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)試結(jié)果表明，能及時(shí)的在LCD液晶顯示屏上準(zhǔn)確的顯示出來(lái)，通訊穩(wěn)定性高。同時(shí)對(duì)各種危險(xiǎn)情況能準(zhǔn)確的顯示其相應(yīng)的報(bào)警現(xiàn)象。

　　本系統(tǒng)的精度分析，我們把超聲波傳感器的測(cè)量值與實(shí)際值進(jìn)行比較繪制了如下表1。

表1 障礙物距離測(cè)量值與實(shí)際值對(duì)照表

 
　　當(dāng)障礙物距離大于10m時(shí)，發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)生嚴(yán)重失真，經(jīng)分析和實(shí)驗(yàn)可得本系統(tǒng)對(duì)障礙物距離檢測(cè)的最大值為9.99m，同時(shí)由表1數(shù)據(jù)經(jīng)分析計(jì)算可知測(cè)量誤差≤0.01m。

5 結(jié)論

　　所設(shè)計(jì)的對(duì)裝載機(jī)障礙物距離的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，是以Mini ARM作為處理器針對(duì)裝載機(jī)的工作場(chǎng)地及需要監(jiān)測(cè)的距離信號(hào)來(lái)考慮的，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)已完成了所需的功能要求，最大測(cè)量值為9.99m，誤差≤0.01m。安裝非常方便，便于使用。但該系統(tǒng)還有一個(gè)不足，即用超聲波傳感器檢測(cè)車(chē)輛前方路面信息時(shí)，如果是凸起的障礙物能有效的檢測(cè)到，但當(dāng)前方為凹坑時(shí)便檢測(cè)不出來(lái)，所以有待于進(jìn)一步研究。