基于ARM與uC/OS-II的摩托車無線樁考系統設計

謝華東，鐘煒華

XIE Hua-dong, ZHONG Wei-hua

（江西應用技術職業學院 機械電子工程系，贛州 341000）

1 摩托車樁考系統的要求及功能分析

依據公安部頒布的《中華人民共和國機動車駕駛員考試管理辦法》和《機動車駕駛證申領及管理規定》（71號令）有關科目二考試(場地駕駛)的規定，設計一套適用于摩托車和三輪摩托車兩種駕駛證考試的樁考系統，按照規定的行駛路線和操作要求進行設計，自動準確地判斷考試結果。由于考場不固定，拉線不方便，要求整個考場無須布線。系統能通過切換開關選擇摩托車或三輪摩托車考試系統；設計場地樁桿檢測系統，進行行駛路線的檢測及碰樁的檢測；設計場地邊線檢測系統，進行碰邊線的檢測；設計車載系統進行腳踏地、熄火和中途停車檢測，并綜合場地樁桿和邊線檢測系統的信號進行行駛路線判斷等判斷考試是否合格。為方便考生了解考試結果，在車載上設計語音播放功能，實時播放考試結果及具體的不合格原因。為方便計算機監控及記錄考試結果，系統要求由計算機發出開始考試的命令，并能夠實時將考試過程及考試結果傳輸到計算機上，以便在計算機監控界面上模擬出考試過程行車路線及將考試結果記入考試系統。考試場地要求不布線，而場地樁桿檢測系統、邊線檢測系統和車載系統之間，以及車載系統和計算機之間必須進行通信，因此，必須采用無線傳輸技術。

2 系統硬件設計方案

根據系統功能分析，所設計的系統結構主要由場地樁桿檢測子系統、場地邊線檢測子系統、車載子系統和計算機組成，其結構圖如圖1所示。

圖1 樁考系統結構圖

3 系統軟件設計方案

良好的設計方案可以減少軟件設計的工作量，提高軟件的通用性、擴展性和可讀性。

本系統的設計方案和步驟如下:

1) 根據需求按照系統的功能要求，逐級劃分模塊。

2) 明確各模塊之間的數據流傳遞關系，力求數據傳遞少，以增強各模塊的獨立性，便于軟件編制和調試。

3) 確定軟件開發環境，選擇設計語言，完成模塊功能設計。

4) 按照開發式軟件設計結構，將各模塊有機的結合起來，即成一個較完善的系統。

系統的操作流程為：

計算機發出考試開始命令——車載子系統接收到考試開始命令進行場地的自檢——車載子系統向各樁桿及邊線發送自檢命令——各樁桿和邊線子系統返回正確的自檢信號——語音播放考試開始——進入考試過程——若考試成功，則語音播放考試成功，否則，語音播放所觸犯的規則。并等待計算機再次發出開始考試命令。

4 降低功耗設計方案

由于系統在戶外而且可能經常要移動，所以選用常用的、市場上容易得到的12V鋰電池給系統供電。系統中芯片工作需要12V、5V、3.3V等三種工作電壓，所以需要選用降壓穩壓電路。目前常用的直流穩壓分線性穩壓和開關穩壓兩大類。

線性穩壓器使用在其線性區域內運行的晶體管或場效應管，從應用的輸入電壓中減去超額的電壓，產生經過調節的輸出電壓。選擇穩壓電路時，當系統中輸入電壓和輸出電壓接近時線性穩壓器是最好的選擇，可達到很高的效率。但是，當輸入電壓和輸出電壓相差較高時，它的效率變得很低。比如7805是一種線性穩壓器，當輸入16V時7805的效率是31.25%，有超過三分之二的電能被損耗掉了（器件發熱）。

開關穩壓器則使用輸出級重復切換“開”和“關”狀態，與能量存貯部件（電容器和感應器）一起產生輸出電壓。這也是‘開關穩壓’的由來。它的調整是通過根據輸出電壓的反饋樣本來調整切換定時來實現的。在固定頻率的穩壓器中，通過調節開關電壓的脈沖寬度來調節切換定時，這就是所謂的脈沖寬度調制（PWM） 控制。由于開關電源內部關鍵元器件工作在高頻開關狀態，本身消耗的能量很低，開關電源效率可達80%～90%，比普通線性穩壓電源提高近一倍，目前已成為穩壓電源的主流產品。開關穩壓電源的優點是功耗小，效率高。

根據本系統的電源特點，系統中的5V穩壓電路采用開關穩壓器。

5 樁桿子系統硬件設計

由于樁與邊線的距離為車寬加30厘米，約為1米左右，為了可靠的檢測摩托車是否經過，探測器的檢測范圍必須大于30厘米；同時為了確保不受場外信號的干擾，探測器的檢測范圍最好不大于1.5米。而且探測器能夠不受光線亮度、沙塵的影響，溫度、濕度適應能力強，即具有很強的抗環境干擾能力。通過分析比較，選擇美國邦納工程國際有限公司的Q10RN6DQ小型自含式光電傳感器。

系統要求檢測摩托車在行進過程當中是否碰擦樁桿，因此我們需要選擇一種振動傳感器來檢測摩托車是否在行進過程當中是否碰擦樁桿，而且最好要做到振動的靈敏度可以調節，通過分析比較我們選擇CTD-A型高靈敏振動位移傳感器。

樁桿子系統與車載子系統之間的通信距離不大，因此選用短距離無線通信模塊就能實現。目前應用較多的無線傳輸方式主要有藍牙和紅外兩種。

樁桿上的輸入輸出點數不多，因此選擇Atmel公司的AT98C2051單片機來作為每個樁桿上的控制器。

6 邊線子系統硬件設計

根據系統要求，樁間距為車長加40厘米總共有5個樁，為了可靠檢測至少要選擇檢測距離20m以上的對射光電檢測開關，通過分析和比較我們選擇美國邦納公司的對射式光電檢測開關QS45BB6RQ來檢測摩托車是否出邊線。

目前ARM處理器的種類很多，其中ARM7處理器應用比較廣泛，根據系統要求我們選擇LPC2214作為系統的ARM處理器。

在系統中計算機和摩托車考試基地一般距離都比較遠，因此需要選擇一個遠距離傳輸的無線傳輸模塊，在系統中選擇WM2196R作為計算機和車載子系統之間的通信模塊。

為了增加人機交互性，根據系統要求需要播報在考試過程中的相關信息，因此需要選擇一塊多條錄音和放音的語音芯片。

基于藍牙模塊的主從機之間通信協議設計如下。

藍牙模塊傳輸協議的主要任務是確保CPU要發送的數據成功發送到接收方，若未成功則告知CPU；確保CPU接收的數據與發送方發送的數據一致。

主模塊或從模塊發送數據時，等待接收對方的應答信號，若未接收到應答信號，數據發送不成功，重發三次，若還不成功，則報警出錯，同時給CPU一個發送不成功的信號。主模塊或從模塊接收數據時，判斷接收數據是否正確，并發送應答信號給發送方。同時將接收到的數據傳給CPU。

7 樁桿與邊線子系統的軟件設計

邊線子系統實現的功能是樁桿子系統功能中的一部分，因此，僅對樁桿子系統上單片機軟件設計進行介紹。

樁桿子系統單片機軟件設計主要由以下幾部分組成：

1) 系統初始化模塊。

2) 通過藍牙模塊串行接收車載子系統發來的數據。

3) 通過藍牙模塊串行發送考試過程數據至車載子系統。

8 基于uC/OS-II的車載子系統軟件設計

嵌入式操作系統并不是簡單嵌入的操作系統，它與通常意義上的操作系統有一定的區別。嵌入式操作系統負責嵌入式系統的全部軟、硬資源的分配、調度工作，控制并協調并發活動，它必須體現其所在系統的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統所要求的功能。

根據任務劃分的要求，可以將本系統劃分為以下5個任務：

1) TaskMany (系統的綜合任務)

2) TaskTest_judge (考試判斷任務)

3) TaskStart_test (啟動考試任務)

4) TaskCheck_devices (場地檢測任務)

5) TaskLuyin (錄音任務)

在整個系統的5個任務當中，由于考試判斷任務考試進行中的不允許別的任務的搶占，它的任務優先級應該最高，在本系統中考試判斷任務的優先級為4。由于系統綜合任務要完成各個任務之間的通信，在本系統中它的優先級應為第2高，定義為6優先級。在場地檢測和啟動考試任務中比較可知場地檢測的任務比啟動考試的任務優先級更高，在本系統中場地檢測任務的優先級為8，啟動考試任務的優先級為10。錄音任務的優先級應該最低優先級為12。

9 摩托車樁考系統的安裝

1）樁桿電路板制作與安裝樁桿外形設計如圖2所示。

圖2 樁桿外形圖

2）邊線桿的制作與安裝

電路板也設計成圓形，與樁桿安裝相同。邊線的外形圖及對射式光電開關安裝如圖3所示。

圖3 邊線桿外形及安裝圖

3）車載子系統各元件的安裝

用于檢測腳踏地的腳踏開關安裝如圖4所示。

圖4 腳踏開關安裝圖

4）摩托車樁考系統的調試

由于本課題組主要負責摩托車樁考系統的場地部分設計，計算機管理軟件由另外的課題組負責，所以在未提供計算機管理軟件的情況下，主要采用以下測試方案：

（1）系統功能的測試。

（2）系統功耗的測試。

10 結束語

本文在分析現有摩托車電子考核系統的基礎上，根據公安部71號令的要求設計了一種新的、性能更為優越的摩托車電子樁考系統。系統中利用了當今的高性能傳感器件、先進的無線傳輸技術和電源低功耗技術等。在使用單片機進行數據采集和控制的同時，本文提出基于ARM嵌入式處理器和μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統技術進行摩托車樁考系統的設計方案，并設計了相應的硬件電路，編寫了軟件程序。

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