基于嵌入式系統的傳感器應用試驗設計

(廣州大學 機械與電氣工程學院， 廣州 510006)

0 引言

計算機技術是現下時代發展的核心技術之一，而在計算機技術的支撐之下，產生了嵌入式系統，此系統具備較強的串聯能力，能夠同時具備控制靈活、智能化和互聯性等特點，而因為此類特點，此系統能夠應用于工業控制、環境工程等多項領域，而在領域應用當中，實現嵌入式系統的即為嵌入式系統的傳感器，因此為了充分地了解嵌入式系統中傳感器的應用，本文對基于嵌入式系統的傳感器應用試驗設計展開了研究分析。

1 硬件電路設計

1.1 反射型光電傳感器應用設計與分析

設計主要基于光電感應領域進行設計。在本文的嵌入式系統設計當中，運用了多種不同的傳感器，具體分析來看多項傳感的應用結果顯示，本文設計對于反射型光電傳感器應用最為頻繁，因此類傳感器同時具備了兩項功能，即在進行黑白顏色的路徑導航的同時，還能夠兼顧障礙物檢測的應用[1，2]。

因反射型光電傳感器的應用頻率最高，所以本文對此進行針對性分析。首先對反射型光電傳感器的原理進行分析，其基本原理在于：在傳感器內部結構當中，其備有一個紅外發光管和一個紅外接收管，此時當紅外發光管發出的光與待測物體進行接觸之后，就會產生反射光線，而反射光線會在之后被接收管接收，從而對接收管的電阻會產生相應的影響，一般情況下這種變化會在電路上以電壓的變化形式來進行表現，此時再結合ADC轉換或LM324等電路的處理，即可得到準確的輸出結果[3，4]。

基于以往相關研究可以得知，接收管所接收到的紅外信號強度將直覺決定電阻的變化趨向，如圖1所示[5，6]。

在此理論基礎上因為本文的反射型光電傳感器設計，主要采用了一體化設計結構，通過采用紅外光來進行感應，因紅外光對于常見光的干擾具有較高的抵抗能力，從而采用本文的設計，能夠在類似智能導航小車、機器人等制作領域內，得到良好的應用結果[7，8]。

圖1 嵌入式系統實物圖

在傳統的黑白顏色路徑導航的基礎上，本文所設計的嵌入式系統的檢測原理為：因為黑色具備較強的吸光功能，所以在紅外發射管發出的光照，并與黑色表面進行接觸之后，其產生的反射光較小，進而接收管能夠接收到的紅外光總量也就較少，此時電阻表現方面會顯示出電阻比較大的結果，最終采用外接電路即可對檢測的狀態、數據等進行讀取[9，10]。同理，當照射在白色表面時，反射的紅外光就比較多，表現為接收管的電阻就比較小[11，12]。

1.2 反射型光電傳感器加裝濾色片應用與分析

設計主要參考了以往的研究，進而得知要改變紅外光管的光譜特性，可以通過加裝濾色片來實現。通過加裝濾色片的工藝，首先能夠實現紅外光管的光譜特性的改變，并在此前提下方面制造多種顏色傳感器，同時還能夠對不同顏色的路徑進行識別，反射型光電傳感器應用基本的電路原理圖，如圖2所示。

圖2 反射型光電傳感器應用電路原理圖

對圖3進行分析：

圖3 反射型光電傳感器模塊電路實物圖

圖中R1為限流電阻，而限流電阻的大小會決定紅外發光管的發射功率，其原理在于R1越小，紅外發射管的功率就越大，而在此基礎上也就說明當系統檢測的距離越遠，就會增大功能消耗。在上述分析之下本文的系統設計主要根據系統測試情況來對合適的限流電阻進行選擇；圖中R2為分壓電阻，本文的系統在對R2的選擇、采用紅外接收管主要結合內阻，因為R2和接收管構成分壓電路，因此R2的大小和接收管的電壓變化有關。其阻值的選擇需要在實際的測試環境中進行調整。

本設計主要采用LM339AM來進行配置。LM339AM主要用于實現比較器的功能，LM339AM的同相端主要與一個可變電阻進行相連，以此即可實現對參考電壓的調節，進而支撐反相端接光電傳感器的輸出。而當同相端電壓超過反相端時，系統的輸出管將會截止，并相于輸出端開路，由外接的上拉電阻R4提供一個高電平。當反相端電壓高于同相端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。當2個輸入端電壓差別大于10 mv就能在輸出端得到電平狀態的變化。按圖2的原理圖設計印制板圖，和微控制器的接口只需要3根連線：電源(VCC)，可接3.3 V或者5 V地(GND)，狀態輸出(OUT)。最終的實物圖如圖3所示。

1.3 嵌入式控制系統集成處理器

在本文的設計當中，將嵌入式控制系統硬件電路定義為傳感器的搭載平臺，所以對于本文的傳感器而言，搭載平臺的最核心的組成，有著很關鍵的作用。選用合適的嵌入式集成處理器并搭載合適的嵌入式操作系統對整體平臺的搭建，就顯得尤為重要。

基于目前的科技水平，嵌入式集成處理器有著較多的種類，而為了良好的區分其各自的型號，主要會依照處理器的總線數據寬度來進行分類，主要可氛圍32位與64位兩種。而在此前提下，較常使用的處理器架構有POWER架構、MIPS架構、ARM 架構。其中ARM架構的應用范圍最為廣泛，其能夠生產出大量的基于ARM核心的集成產品。并且ARM架構其性能方面，相較于其他兩種架構具有較多的優勢，所以本文主要選擇了ARM架構的 AT91SAM9263作為設計集成處理器。

2 系統軟件設計

2.1 嵌入式系統的傳感器系統軟件設計

本文在對反射型光電傳感器的硬件電路設計完畢之后，即開始對系統軟件進行設計。本文的系統軟件設計的思路為：首先確保系統軟件的基本讀取程序便捷性，進而能夠實現直接利用微控制器的GPIO的輸入功能，就能夠對引腳的電平變化進行讀取的功能。在上述前提下，本文設計的嵌入式系統平臺采用了Cortex-m3內核的微控制器LPC1768，具體原因在于此控制當中的GPIO微控制器的操作系統非常簡單，有助于本文設計的便捷性，其基本操作流程如圖4所示。

圖4 GPIO操作流程

基于圖4，在進行具體的路徑識別的設計時，因為設計需要對相應算法進行考慮，所以在以下設計流程中，主要以最基本的黑白線循跡為基礎，進而采用最簡單的循跡算法來進行設計。假設在3個反射型光電傳感器的基礎上，來對路徑進行檢測，檢測的背景為白色背景的KT板，同時在KT板上放置黑色的導航條，以此實現路徑與路徑引導。進而通過傳感器的檢測，其在經過黑線時，會呈現出輸出高電平，相反檢測到白色背景時輸出低電平。

2.2 嵌入式控制系統軟件平臺搭建

基于當前普遍使用的嵌入式操作系統得知，LINUX以及WINCE的應用相對廣泛，但出于對適用性的考慮，本文主要采用了LINUX操作系統。LINUX操作系統可以同時對許多硬件設備、應用程序、網絡協議提供良好的支持，同時具備較強的擴展性。在于傳統的專有嵌入式操作系統相比之下了解到，在采用LINUX操作系統進行設計，能夠實現對新出現的硬件平臺、設備也可快速的進行支持。所以在LINUX系統的多重優勢之下，本文才采用嵌入式 LINUX作為搭載平臺的操作系統。但既然本文選用了嵌入式LINUX作為操作系統，那么在設計方面，就必需在處理器上為其搭建合適的平臺環境，以此才能支持嵌入式LINUX系統平臺搭建，具體步驟如下：

1) 建立合適的交叉開發環境；

2) 移植合適的系統引導加載程序；

3) 裁剪并編譯 Linux 內核；

4) 為 Linux建立根文件系統；

2.3 嵌入式交叉開發環境的建立

一般來說，每一個嵌入式操作系統都會包括3 種編譯器以及 3 個版本的標準頭文件，在此基礎上要對嵌入式系統進行運作，就需要CPU具備高強度的運算能力，以此才能滿足其儲存空間的相應需求，但如果環境不存在合適的工具和主機系統配合，那么要在嵌入式系統上調試應用程序將具備較高的難度，此處本文基于適用性的考慮，為解決這項局限性，在設計思路當中引入交叉開發設計[13]14]。交叉開發即為是在主機系統上編譯和構建應用程序，然后將編譯好的應用程序在嵌入式系統上運行。采用交叉開發的好處在于，設計可以利用開發主機的強大功能來運行編譯器、調試器、編輯器等工具，在開發板上只需執行專門為它設計的應用程序[15][16]。

嵌入式交叉開發環境的建立步驟：在目前的研究上得知，當前關于搭建交叉開發環境的方法種類較多，其所應用的體系結構存在差異，并且在不同的操作方式甚至是不同版本的內核，都會用到不同的交叉編譯器，本文的設計主要考慮到適用性，所以進行以下設計：

首先，設計并建立了Linux的交叉開發環境，主要配備了以下工具：gcc(GNU c 語言編譯器)；binutils(GNU下二進制工具)；glibc(標準 C 庫)以及 Linux 內核頭文件。逐一分析方面：Gcc 是用來生成 arm-linux-gcc 交叉編譯工具；Binutils 是二進制程序處理工具，包括編譯器連接器、匯編器等目標程序處理的工具；glibc 主要是提供用戶程序所使用的一些基本的函數庫。

建立交叉開發環境的步驟：

1) 準備編譯環境。此階段，首先對binutils、gcc和glibc 等文件代碼包進行下載，為工作目錄的創建提供基礎。在工作目創建完畢之后將其命名為～/armlinux，之后在～/armlinux下邊分別創建source、kernel、build，最終源代碼包放入～/armlinux/source 內，目錄復制過來，進而創建如下目錄

～/ armlinux/source

～/ armlinux/buildlogs

～/ armlinux/patches

～/ armlinux/linux-2.6.30

～/ armlinux/***/arm-linux-build

2) 編譯binutils。首先對binutils文件包進行解壓，并在binutils的目錄基礎上，創建 arm-linux-build目錄，arm-linux-build目錄的功能在于配置編譯工作目錄。之后對提前設置好的configure文件中的相應參數進行編譯，依照編譯的結果，把新生成的工具添加到環境變量 PATH中，最終采用export來添加命令，并對PATH=PATH:Linux參數進行設置，以此即可啟動腳本目錄。

3) 編譯GCC的輔助編譯器。首先對gcc源碼包進行解壓，同時對t-linux文件進行初步配置，以此來修改configure文件中的指定目標版結構、指定安裝路徑、指定內核頭文件所在路徑等相關參數。之后即可使用不使用共享庫、不使用線程庫、支持C語言命令等功能。最終對make進行編譯編譯。在上述搭建完畢之后即可執行make install 來實施安裝，如此就使得輔助的編譯器搭建完成，可以在編譯glibc的時提供應用幫助。

4) 編譯完整的GCC編譯器。首先啟用libc，以此可以對其中的臨時配置文件進行去除，在此前提下，將輔助編譯器進行關閉，進而正確的配置configure中的路徑、體系架構、頭文件路徑等參數。在上述設計完成之后分別執行make、make install，交叉開發環境就搭建完成。

3 實驗結果

為了驗證傳感器搭載平臺能否正常工作，本文在平臺上搭載了反射型光電傳感器來進行試驗。并將此系統集成后，放置在實驗環境中進行了模擬實驗。

試驗結果顯示：本文所設計的嵌入式控制系統，在與單片機控制系統、電源控制板進行組合之后，能夠成功的應用于傳感器搭載平臺。對搭載平臺的運行參數進行分析看到，供電用實驗室穩壓電源模擬。在經過長時間的試驗后，對結果進行了分析，發現傳感器搭載平臺可以順利完成系統所需工作。說明本傳感器搭載平臺設計成功。

4 總結

本文設計主要將相關參數和傳感器應用的參數相結合，采用了基本的循跡算法讓操作者能夠進行編程的練習。本文的設計思路方面，首先對硬件電路進行了設計，設計當中主要涵蓋了反射型光電傳感器應用設計與分析、反射型光電傳感器加裝濾色片應用與分析、嵌入式控制系統集成處理器三個部分，之后對系統軟件進行了設計，主要涵蓋了嵌入式系統的傳感器系統軟件設計、嵌入式控制系統軟件平臺搭建、嵌入式交叉開發環境的建立三個部分，在軟硬件搭建完畢之后，得到一個完整的嵌入式系統模型，之后為了驗證模型的有效性，進行了實驗結果分析，說明本文設計成功。