基于ARM和FPGA的智能小車監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言
智能小車是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容。它集機(jī)械、電子、檢測(cè)技術(shù)與智能控制于一體。在各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，智能小車的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)最為常見。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)之所以得到廣泛的應(yīng)用，主要是因?yàn)槿菀卓刂破湟苿?dòng)速度和移動(dòng)方向。智能小車可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險(xiǎn)地段、人類無法介入等特殊情況下的任務(wù)。一般的智能小車操作控制復(fù)雜、功能單一、不能遠(yuǎn)程重構(gòu)。
本文介紹的智能小車可移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以“飛思卡爾杯”智能小車競(jìng)賽提供的車模裝置為基礎(chǔ)，利用ARM芯片S3C2440A控制圖像采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、速度采集干擾小的模塊，利用FPGA芯片控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)控制、電量采集干擾大的模塊，當(dāng)上位機(jī)通過Internet訪問智能小車服務(wù)器時(shí)，在監(jiān)控界面上點(diǎn)擊按鈕來控制小車的運(yùn)行、圖像拍攝、速度采集。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)采用三星公司的ARM芯片S3C2440A作為主控制芯片及Altera公司的FPGA芯片EP2C5T144C8作為輔助控制芯片，ARM上裝有Windows CE5．0操作系統(tǒng)。S3C2440A內(nèi)置豐富的外設(shè)資源包括中斷控制器、GPIO、I2C、相機(jī)接口等接口電路，其內(nèi)核為16／32位的ARM920T處理器，它集MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)與一體，主頻可達(dá)400 MHz。
利用ARM9控制圖像采集、速度采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙男　⒏蓴_弱的模塊；利用FPGA單獨(dú)控制功耗大、干擾強(qiáng)的直流電機(jī)、舵機(jī)、固態(tài)繼電器以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。ARM9和FPGA以并行總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳輸，需要注意的是ARM的I／O口需要設(shè)置為禁止上拉，否則無法和FPGA進(jìn)行通信。該系統(tǒng)具體組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 圖像采集電路設(shè)計(jì)
圖像采集模塊選用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV9650，可達(dá)130萬像素，具有標(biāo)準(zhǔn)SCCB(setial camera control bus)接口，通過該接口可以方便地設(shè)置圖像像素大小、輸出YCbCr順序、白平衡、色飽和等重要參數(shù)。
S3C2440A可以直接和CMOS圖像傳感器OV9650連接，如圖2所示。OV9650的PWDN引腳與S3C2440A的GPG12引腳相連，這樣可以控制OV9650的工作狀態(tài)。當(dāng)無須采集圖像時(shí)，將GPG12輸出高電平，OV9650芯片處于掉電模式，節(jié)省電能消耗。OV9650可輸出YCbCr，RGB兩種格式的數(shù)據(jù)，當(dāng)輸出YCbCr格式時(shí)，要用到數(shù)據(jù)線的D2～D9；當(dāng)輸出RGB格式時(shí)，則需要用數(shù)據(jù)線D0～D9。本文采用YCbCr格式，數(shù)據(jù)線D2～D9與S3C2440A的CAMDATA0～CAMDATA7相連。

S3C2440A芯片具有相機(jī)接口CAMIF，其內(nèi)部單元如圖3所示，CAMIF支持ITU-R BT．601／656YCbCr 8 b標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)輸入，最大可采樣4 096×4 096像素的圖像。該接口可以使用兩種通道將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SDRAM中：一種是預(yù)覽通道模式，將從相機(jī)接口采集到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為RGB數(shù)據(jù)，并在DMA控制下傳輸?shù)絊DRAM，這種模式通常用來提供圖像預(yù)覽功能；另一種是編碼通道模式，將圖像數(shù)據(jù)按照YCbCr 4：2：0或者YCbCr 4：2：2的格式傳輸?shù)絊DRAM，這種模式主要為JPEC，MPEG-4，H．263等編碼器提供圖像數(shù)據(jù)的輸入。