（2） 硬件平臺組成

一塊核心母板，配備CPU、16MB的NOR Flash、64MB的NAND Flash、32MB的SDRAM，并設(shè)置系統(tǒng)從NAND Flash啟動(dòng)；一塊外設(shè)電路板，負(fù)責(zé)系統(tǒng)和外設(shè)器件的連接，布設(shè)有2個(gè)USB接口、1個(gè)UART口、24個(gè)3針插座（用 于控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)）以及電源接口等。核心母板與外設(shè)電路板通過內(nèi)存插槽進(jìn)行連接。

分開設(shè)計(jì)的好處有：升級核心母板可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理能力的提高；而更換外設(shè)電路則可適應(yīng)不同的應(yīng)用。這樣就大大節(jié)約了硬件成本，對于開發(fā)和調(diào)試也是非常有利的。同時(shí)，核心母板本身就是一個(gè)最小系統(tǒng)，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，保證最小系統(tǒng)的可靠性是開發(fā)的第一步。

調(diào)試核心母板以及外設(shè)電路至工作正常。確保開發(fā)板與PC機(jī)通信（利用Windows下的超級終端工具，通過串口線連接開發(fā)板與PC機(jī)）。

2. 軟件平臺的構(gòu)建和配置

目前，越來越多的嵌入式系統(tǒng)采用了Linux作為操作系統(tǒng)。Linux功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)齊全，配置靈活，內(nèi)核緊湊，從來就與嵌入式系統(tǒng)有密不可分的關(guān)系。Linux內(nèi)核版本眾多，其中2.4系列比較成熟，在嵌入式平臺中應(yīng)用廣泛，資料齊全。這里使用Linux- 2.4.18-rmk7-pxa1版本。

a. 配置開發(fā)板軟件環(huán)境

將系統(tǒng)引導(dǎo)程序（俗稱bootloader，其功能相當(dāng)于PC機(jī)中的BIOS）燒寫進(jìn)入S3C2410核心母板。這里采用了三星公司推薦的vivi程序。通過對vivi中參數(shù)的設(shè)置，完成對Flash的分區(qū)。

b. 配置、編譯、下載內(nèi)核

（1） 下載源代碼，在PC端建立交叉編譯環(huán)境；armv4l-unknown-linux-gcc可以將Linux內(nèi)核編譯為適用于ARM體系結(jié)構(gòu)的二進(jìn)制代碼；

（2） 配置內(nèi)核：使用make menu-config命令，將USB設(shè)備支持、USB攝像頭驅(qū)動(dòng)（針對OV511芯片）、NAND Flash驅(qū)動(dòng)，以及掛載嵌入式文件系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)程序靜態(tài)編譯到內(nèi)核中；

（3） 編譯內(nèi)核：使用交叉編譯工具，將源代碼編譯為可執(zhí)行二進(jìn)制內(nèi)核鏡像，生成文件zImage；

（4） 下載內(nèi)核：將zImage通過串口線，利用vivi的數(shù)據(jù)燒寫功能，下載到Flash的內(nèi)核分區(qū)中（kernel）；

c. 制作文件系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)中常見的文件系統(tǒng)有CRAMFS、JFFS、JFFS2、YAFFS等。考慮到實(shí)際的需求，這里采用了CRAMFS。在內(nèi)核配置時(shí)對CRAMFS的驅(qū)動(dòng)代碼進(jìn)行靜態(tài)編譯，并且利用mkcramfs工具制作經(jīng)過仔細(xì)裁剪的文件系統(tǒng)映像，利用vivi的燒寫指令下載到Flash的root分區(qū)。最終的文件系統(tǒng)映像小于3MB，這是由嵌入式系統(tǒng)較為緊張的存儲資源決定的。

啟動(dòng)系統(tǒng)，通過PC機(jī)的超級終端，可看到啟動(dòng)信息：包括內(nèi)核的版本、Flash分區(qū)表、交叉編譯器的版本，以及內(nèi)核中靜態(tài)編譯的組件等。

3. 驅(qū)動(dòng)程序的編寫和應(yīng)用程序的開發(fā)

視覺功能的最終實(shí)現(xiàn)，首先需要為機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)編寫驅(qū)動(dòng)程序，使操作系統(tǒng)可完成對機(jī)器人動(dòng)作的控制，作為對視覺結(jié)果的響應(yīng)。視覺絕非最終目的，而是機(jī)器人獲取信息的一種途徑，其根本目的在于為機(jī)器人的動(dòng)作、行為提供策略或數(shù)據(jù)支持。單純的視覺并沒有意義。

機(jī)器人全身的關(guān)節(jié)均為舵機(jī)。舵機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，外部只有3個(gè)引腳：電源、地、PWM信號。對舵機(jī)的控制實(shí)際上就是要產(chǎn)生頻率、脈寬合適的PWM波。

S3C2410芯片內(nèi)部集成4個(gè)PWM發(fā)生單元。驅(qū)動(dòng)程序利用其中的一個(gè)作為機(jī)器人頭部電機(jī)的控制信號源，通過改寫寄存器的值，改變頻率和占空比，產(chǎn)生期望的PWM波。

將驅(qū)動(dòng)程序交叉編譯為模塊，在系統(tǒng)啟動(dòng)后動(dòng)態(tài)地插入內(nèi)核中。模塊加載前獨(dú)立于內(nèi)核，方便了驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)試。編寫簡短的測試程序，確認(rèn)關(guān)節(jié)電機(jī)可以正常工作。

這里為機(jī)器人視覺系統(tǒng)搭建了一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用場景：活動(dòng)的目標(biāo)小球在背景中運(yùn)動(dòng)，期望機(jī)器人可以識別目標(biāo)并對其定位，最后控制頭部跟隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)（好像機(jī)器人在盯著活動(dòng)目標(biāo)觀察一樣）。

機(jī)器人視覺處理程序的主要功能為：

（1） 從USB攝像頭實(shí)時(shí)讀取視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單的預(yù)處理；

（2） 隨后進(jìn)行圖像處理，主要完成空域的圖像增強(qiáng)。通過對圖像進(jìn)行二值化，將目標(biāo)小球從背景中提取出來；

（3） 計(jì)算目標(biāo)的位置，進(jìn)而計(jì)算出機(jī)器人頭部的旋轉(zhuǎn)角度，通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，控制機(jī)器人頭部轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)所在角度，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的跟蹤。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人頭部可較好地跟蹤目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了視覺原型系統(tǒng)。

4. 拓展性工作

機(jī)器人視覺系統(tǒng)的開發(fā)只是嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人領(lǐng)域中應(yīng)用的一個(gè)方面。事實(shí)上，還有很多值得我們繼續(xù)去實(shí)現(xiàn)的子系統(tǒng)，諸如語音系統(tǒng)（語音識別、語音輸出）、行走控制（設(shè)計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的行走）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（未來的機(jī)器人將不再會是獨(dú)立的個(gè)體，多機(jī)器人的協(xié)同工作是必然的趨勢；同時(shí)，機(jī)器人同其他設(shè)備的連接需求也越來越迫切）等等。

應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，雖然目前的嵌入式處理器已經(jīng)具備了比較強(qiáng)大的功能，但是受功耗、體積、成本因素的限制，在實(shí)時(shí)視頻（音頻） 處理、多媒體協(xié)同計(jì)算等方面，其速度仍然無法滿足需求；所以，更強(qiáng)勁的嵌入式處理器也是將來在為機(jī)器人選擇控制單元時(shí)的重要考慮因素。

四、嵌入式系統(tǒng)的前景

從本文所述的機(jī)器人視覺系統(tǒng)中就可看出嵌入式系統(tǒng)的強(qiáng)大功能與廣闊應(yīng)用領(lǐng)域。在當(dāng)今數(shù)字信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC（Post-PC）時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)計(jì)算平臺（PDA、掌上計(jì)算機(jī)）、信息家電（數(shù)字電視、機(jī)頂盒、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）、無線通信設(shè)備（智能手機(jī)、股票接收設(shè)備）、工業(yè)/商業(yè)控制（智能工控設(shè)備、POS/ATM 機(jī)）、電子商務(wù)平臺、甚至軍事應(yīng)用等諸多領(lǐng)域，其前景無疑是令人非常樂觀的。

編輯：jq