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哈尔滨理工大学 开 放 实 验 报 告
哈尔滨理工大学教务处制 2011 年 10月 9日 一、实验目的与任务： 本实验设计一个基于ZigBee无线网络的小车控制系统，以实现通过查看小车上的摄像头采回的图像对小车进行实时控制。设计采用ARM7微处理器处理摄像头采回的数据，并实现arm7与ZigBee单片机之间的通信，通过ZigBee之间的无线通信传送图像数据给上位机，从而实现远程查看实时图像并对小车进行控制。 本实验主要内容包括ARM7微处理器主模块的电路设计以及电源模块，电机驱动模块的电路设计。ARM7微处理器采集摄像头数据，并压缩，通过串口将压缩后的图像数据发送给车载ZigBee模块，通过ZigBee模块的双机通信将图片数据传送给上位机。操作员可以查看上位机显示的图像，通过控制按钮对小车进行简单控制。控制信号再通过ZigBee传送给ARM7微处理器，由ARM7微处理器控制小车的运动状态。 二、实验前的准备工作（包括资料查找、相关知识准备等）： 1.学习arm（LPC2131）单片机 2.学习ZigBee单片机。 3.对数字摄像头进行学习。 4.对上位机软件的编写进行学习。 三、实验用的主要设备与材料： 材料： 小车、LPC2131开发板、ZigBee单片机开发板、电源模块、直流电机驱动模块和导线若干等。 四、实验内容与方法： 1、主控芯片的选择 实验中采用的主控芯片为lpc2138，arm7,该单片机的工作速度快，I/O资源丰富，并集成PWM控制。芯片内置JTAG电路，可在线仿真调试，大大简化了系统开发调试的复杂度。下图为所用arm7最小系统板电路图:
图一 arm7最小系统板电路图 2、单片机进行摄像头图片数据的采集及处理 具体调试方法： （1）通过串口将摄像头采集的图片数据发回电脑，通过串口调试助手对 片数据进行初步分析，图二是初步调试时摄像头发回的图片数据：
图二 图片数据 （2）将单片机串口发回的图像数据通过上位机进行显示，由于考虑到图片数据的信息量较大，单片机需先将采回的图片数据通过串口发给ZigBee，ZigBee再将图片信息通过无线传给另一块ZigBee，然后再通过串口发给上位机进行显示，整个过程比较复杂，这将导致图像传输过慢，所以需要对图像数据进行处理，进行了有损压缩，当然这对图像画质有一定损害，但影响不大。 3、完成ZigBee对数据的无线传输 （1）学习ZigBee的使用 在试验中采用的是cc2430芯片, CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。 CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64和128kByte来优化复杂度与成本的组合。 CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位MCU（8051），具有128 KB 可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器 (ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power OnReset)、掉电检测电路ownoutdetection)，以及21 个可编程I/O 引脚。CC2430 芯片采用0.18 μm CMOS 工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA 或25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 要学习ZigBee首先要进行IAR7.30B安装和破解使用，在学习理论知识的同时还要编程实践，这样能够更快的学会cc2430的使用。 CC2430的无线发射寄存器最多只能容纳128字节的数据，开始设计的是每从单片机接收128字节就通过ZigBee无线发送出去，再接收下面的数据。这样每一幅图片就要循环好几次，传输速率非常慢，经改进后采取的方案是单片机先将图片数据的一半传送给cc2430 ，cc2430连续传送图片数据传送完事后再接收下半部分的图片信息进行无线传输给上位机。 图三为使用的ZigBee模块。
图三 ZigBee模块 图四为cc2430核心板电路图。
图四 cc2430核心板电路图 4、上位机图像显示 上位机对接收到的图像进行解压，并显示图像，且可以对小车进行简单的控制。
图五 上位机软件
5、L298电机驱动电路 L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能；可用单片机的I/O口提供信号，而且一块L298芯片可一驱动两个减速电机；电路简单、易用、稳定，具有较高的性价比。
图七 L298电机驱动电路 6、电源模块电路 系统多个模块都需要供电，并且供电电压有+5V和+6V两种电压，需要通过7806和7805稳压芯片。把+12V电压转变为+5V、 +6V电压作为单片机和电机动力等模块的动力。
图六 电源模块电路 电机驱动模块如图六所示，主用用SGS公司的L298N芯片控制直流减速电机。
图八 7、软件的设计 ARM7软件设计流程图：
图九 软件程序设计流程图 五、实验结果分析： 由于摄像头采回图像数据量大，直接使用ARM7微处理器将摄像头采回的图像数据发送给ZigBee，ZigBee直接将图像数据发送给上位机会很耽误时间，从而很大的影响了对小车控制的实时性。通过对采回的图像数据进行压缩，并充分利用ARM7微处理器及微型计算机处理速度较高的特点，采用ARM7微处理器压缩图像数据，上位机解压图像数据，大大减少了数据发送量，从而提高了系统的实时性。 六、参加实验的收获与体会： 1.学习了ARM7与ZigBee单片机，并实现了两种单片机之间的通信，为以后学习更高级的单片机打下基础。 2. 在对ZigBee单片机的学习中，随着对ZigBee了解的不断深入，逐渐提高无线的传输速率，最终实现了大数据量的传送。 3.通过对摄像头数据的采集，理解了通过优化程序提高性能的重要性，也对单片机底层工作原理有了一定的认识。 4.对团队的合作有了较为系统的认识，在一个庞大的项目中不能只有个人的一腔热血，更要依赖团队的精诚合作。 5.锻炼了自己的心性，调试电路中会遇到很多未知的问题，只有静下心来，对现象进行深入分析才能找到本质原因，解决问题。 七、指导老师评语： 该生在设计过程中勤学好问，查阅了大量相关资料、查阅相关资料，熟悉软件平台、硬件平台，仔细阅读器件手册，课余时间基本是在实验室度过的。在硬件方案设计、软件编程、反复调试、运行等工作中，积极主动，能解决实验中遇到的各种问题，从中收获颇多。该生具有独立工作能力，分析问题和解决问题能力较强。在开放性实验中表现优秀。
学生签字： 指导老师签字： |
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