樹(shù)莓派控制無(wú)線小車(chē)大報(bào)告

計(jì)算機(jī)學(xué)院嵌入式方向綜合工程設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告題目：樹(shù)莓派控制無(wú)線小車(chē)姓名：學(xué)號(hào)姓名：學(xué)號(hào)姓名：學(xué)號(hào)指導(dǎo)老師：起止時(shí)間：2014年9月至2015年1月西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)工程系摘要:樹(shù)莓派由注冊(cè)于英國(guó)的慈善組織“RaspberryPi基金會(huì)”開(kāi)發(fā)，2012年3月，英國(guó)劍橋大學(xué)埃本·阿普頓正式出售世界上最小的臺(tái)式機(jī)，又稱(chēng)卡片式電腦，外形只有信用卡大小，卻具有電腦的所有根本功能，這就是樹(shù)莓派電腦板，中文譯名"樹(shù)莓派"。樹(shù)莓派用途廣泛，專(zhuān)為業(yè)余興趣者和想學(xué)習(xí)編程的年輕人們?cè)O(shè)計(jì)的，提供一個(gè)具有根本功能的，廉價(jià)的硬件平臺(tái)。它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD卡為內(nèi)存硬盤(pán)，卡片主板周?chē)兴膫€(gè)USB接口和一個(gè)網(wǎng)口，可連接鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時(shí)擁有視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口。其尺寸只有信用卡大小，運(yùn)行速度比臺(tái)式機(jī)稍慢，但已具備了電腦的所有根本功能，只需接通電視機(jī)和鍵盤(pán)，就能執(zhí)行如電子表格，文字處理，玩游戲，播放高清視頻等諸多功能。樹(shù)莓派控制無(wú)線小車(chē)，利用樹(shù)莓派通過(guò)L298N控制四個(gè)電機(jī)。左邊兩個(gè)并聯(lián)，右邊兩個(gè)并聯(lián)，通過(guò)差速小車(chē)轉(zhuǎn)向。關(guān)鍵詞：樹(shù)莓派、電機(jī)、L298N、無(wú)線小車(chē)目錄第一章緒論………31.設(shè)計(jì)要求………32.設(shè)計(jì)內(nèi)容………3第二章系統(tǒng)需求分析……………31.設(shè)計(jì)思路………32.總體方案………3第三章系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)…………………41.L298N芯片相關(guān)………………42.樹(shù)莓派相關(guān)……………………53.無(wú)線網(wǎng)卡相關(guān)…………………94.軟件相關(guān)………10第四章系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試…………13第五章總結(jié)………14緒論設(shè)計(jì)要求〔1〕設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線遙控的小車(chē)，小車(chē)通過(guò)樹(shù)莓派無(wú)線連接至電腦通過(guò)電腦控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)。〔2〕小車(chē)可以前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)圈、右轉(zhuǎn)圈。設(shè)計(jì)內(nèi)容〔1〕基于L298N的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)〔2〕樹(shù)莓派與電腦連接的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)〔3〕樹(shù)莓派控制小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求分析設(shè)計(jì)思路〔1〕分析無(wú)線遙控小車(chē)根本控制技術(shù)以及各種通行方案，并以此為基處提出自己的無(wú)線控制小車(chē)的初步方案?！?〕確定無(wú)線控制小車(chē)的總體設(shè)計(jì)，包括基于L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的方案設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)應(yīng)擁有的各項(xiàng)功能?！?〕進(jìn)行樹(shù)莓派、電機(jī)、L298N、小車(chē)框架的組裝和對(duì)各器件的選擇及連接，大體分配實(shí)現(xiàn)各個(gè)器件及模塊的根本功能和要求?！?〕進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)L298N內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作情況做了充足的研究，了解樹(shù)莓派及其相關(guān)，完成控制軟件的編寫(xiě)?？傮w方案樹(shù)莓派無(wú)限控制小車(chē)大致上有五局部組成。包括小車(chē)電機(jī)局部、L298N局部、樹(shù)莓派局部、無(wú)線網(wǎng)卡局部以及移動(dòng)電源局部。其中小車(chē)局部由四個(gè)電機(jī)以及小車(chē)框架組成，小車(chē)的四個(gè)輪子每個(gè)一個(gè)電機(jī)。L298N通過(guò)與四個(gè)電機(jī)的連接來(lái)控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，每邊的電機(jī)并聯(lián)。移動(dòng)電源主要給樹(shù)莓派以及L298N控制電機(jī)模塊供電。無(wú)線網(wǎng)卡主要用來(lái)連接電腦與樹(shù)莓派，通過(guò)電腦控制樹(shù)莓派下達(dá)命令，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)方案框圖如以下圖所示。LN1LN2L298NLN3LN4LN1LN2L298NLN3LN4左電機(jī)1左電機(jī)2USB1移動(dòng)電源USB2USB1移動(dòng)電源USB2右電機(jī)2右電機(jī)1樹(shù)莓派樹(shù)莓派無(wú)線網(wǎng)卡無(wú)線網(wǎng)卡系統(tǒng)方案框圖系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)L298N芯片相關(guān)L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。其引腳排列如以下圖圖所示，1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信〔1〕模塊接口+5V：芯片電壓5V。VCC：電機(jī)電壓，最大可接50V。GND：共地接法。A-~D-：輸出端，接電機(jī)。A~D+：為步進(jìn)電機(jī)公共端，模塊上接了VCC。EN1、EN2：高電平有效，EN1、EN2分別為IN1和IN2、IN3和IN4的使能端。IN1~IN4：輸入端，輸入端電平和輸出端電平是對(duì)應(yīng)的?！?〕L298N步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板有四個(gè)IO輸入口，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是1.2兩個(gè)IO口通過(guò)上下電平控制一個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，，所以，我們要做的就是通過(guò)樹(shù)莓派的IO口輸出上下電平就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。樹(shù)莓派相關(guān)〔1〕樹(shù)莓派具體參數(shù)網(wǎng)卡BroadcomBCM2835〔CPU，GPU，DSP和SDRAM，USB〕CPUARM1176JZF-S核心〔ARM11系列〕700MHzGPUBroadcomVideoCroreIV，OpenGLES2.0,1080p30h.264/MPEG-4AVC高清解碼器內(nèi)存512MByteUSB接口4〔支持USBhub擴(kuò)展〕影像輸出CompositeRCA〔PAL&NTSC〕，HDMI〔rev1.3&1.4〕，rawLCDPanelsviaDSI14HDMIresolutionfrom640x350to1920x1200plusvariousPALandNTSCstandards音源輸出3.5mm插孔，HDMI板載存儲(chǔ)SD/MMC/SDIO卡插槽網(wǎng)絡(luò)接口10/100以太網(wǎng)接口外設(shè)8xGPIO、UART、I2C、帶兩個(gè)選擇的SPI總線，+3.3V，+5V，ground〔負(fù)極〕額定功率700mA〔3.5W〕電源輸入5V/通過(guò)MicroUSB或GPIO頭總體尺寸85.60x53.98mm〔3.370x2.125in〕操作系統(tǒng)DebianGNU/linux，F(xiàn)edora，ArchLinuxARM，RISCOS,XBMC〔2〕樹(shù)莓派安裝系統(tǒng)準(zhǔn)備工作：1〕最好最準(zhǔn)備一張4G以上的SD卡，最好是高速卡，推薦Class4以上的卡，因?yàn)榭ǖ盟俣戎苯佑绊憳?shù)莓派的運(yùn)行速度。2〕下載樹(shù)莓派debian系統(tǒng)鏡像文件，3〕在windows下安裝鏡像的工具win32diskimager安裝實(shí)戰(zhàn)：1〕解壓下載的debian系統(tǒng)壓縮文件，得到img鏡像文件2〕將SD卡使用讀卡器后，連上電腦3〕解壓并運(yùn)行win32diskimager工具4〕在軟件中選擇debain的img文件，“Device”下選擇SD的盤(pán)符，然后選擇“Write”然后就開(kāi)始安裝系統(tǒng)了，根據(jù)SD速度，安裝過(guò)程有快有慢5〕安裝結(jié)束后會(huì)彈出完成對(duì)話(huà)框，說(shuō)明安裝就完成了，如果不成功，關(guān)閉防火墻一類(lèi)的軟件，重新插入SD進(jìn)行安裝。其中Ext3區(qū)屬于linux的文件系統(tǒng)，就和Windows的文件系統(tǒng)NTFS、FAT32、FAT16一樣，Swap區(qū)為linux的虛擬內(nèi)存區(qū)，主要在物理內(nèi)存不夠用的時(shí)候，做緩存用?！?〕樹(shù)莓派遠(yuǎn)程訪問(wèn)因?yàn)闆](méi)有獨(dú)立的顯示器，又想用無(wú)線網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)。這就牽扯到了在沒(méi)有顯示器的情況下如何配置無(wú)線網(wǎng)卡的賬號(hào)和密碼。1〕用網(wǎng)線將樹(shù)莓派和路由器鏈接起來(lái)。2〕在電腦上〔非樹(shù)莓派〕登錄路由器，輸入路由器登錄賬號(hào)和密碼。3〕進(jìn)入路由器后，找到DHCP這一工程，再找到客戶(hù)端列表，可以看到raspberrypi后面有192.168.xxx.xxx之類(lèi)的IP。4〕下載putty工具在圖中填有IP地址的位置輸入得到的樹(shù)莓派IP地址，點(diǎn)擊下面的OPEN從而進(jìn)入樹(shù)莓派登錄界面。輸入賬號(hào)密碼之后在命令行模式下，輸入如下命令：cd/etc/wpa_supplicant然后，再輸入命令：sudonanowpa_supplicant.confnetwork={ssid="無(wú)線熱點(diǎn)賬號(hào)"psk="無(wú)線熱點(diǎn)密碼"proto=RSNkey_mgmt=WPA-PSKpairwise=CCMPauth_alg=OPEN}完成后拔掉網(wǎng)線，重啟樹(shù)莓派。然后登錄路由器查看樹(shù)莓的IP地址?！?〕樹(shù)莓派GPIO利用杜邦線將樹(shù)莓派和L298N按照以下方式連接樹(shù)莓派GPIOL298N驅(qū)動(dòng)板Pin(GPIO27)IN1Pin(GPIO18)IN2Pin(GPIO22)IN3Pin(GPIO23)IN4Pin(+5V)+5VPin(GND)GND3.無(wú)線網(wǎng)卡相關(guān)無(wú)線網(wǎng)卡用來(lái)連接電腦和樹(shù)莓派，用電腦來(lái)控制樹(shù)莓派。無(wú)線網(wǎng)卡規(guī)格：遵循標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11B/G/N傳輸速率最大150Mbps發(fā)射功率14Dbi接口USB2.0頻率范圍2.4GHz—2.4835GHz平安特性andWPA2工作溫度0℃--50℃存儲(chǔ)溫度-10℃--70℃工作環(huán)境日常，非極端4.軟件相關(guān)程序流程圖如以下圖所示。開(kāi)始初始化讀取數(shù)據(jù)Key=?Key=?Key=qKey=eKey=wKey=aKey=dKey=xKey=sKey=qKey=eKey=wKey=aKey=dKey=xKey=s向左轉(zhuǎn)圈向右轉(zhuǎn)圈前進(jìn)左拐右拐后退停止向左轉(zhuǎn)圈向右轉(zhuǎn)圈前進(jìn)左拐右拐后退停止程序所用語(yǔ)言為python，選用pythonGPIO，因?yàn)樵搸?kù)是樹(shù)莓派官方資料中推薦的且容易上手。pythonGPIO是一個(gè)小型的python庫(kù)，可以幫助用戶(hù)完成raspberry相關(guān)IO口操作。但是pythonGPIO庫(kù)還沒(méi)有支持SPI、I2C或者1-wire等總線接口。除了pythonGPIO之外，還有眾多的python擴(kuò)展庫(kù)，毫無(wú)疑問(wèn)的說(shuō)python非常適合樹(shù)莓派，樹(shù)莓派也非常適合python。源程序如下：importRPi.GPIOasGPIOimportcursesimporttimefromcursesimportwrapperGPIO.setmode(GPIO.BCM)GPIO.setup(27,GPIO.OUT)GPIO.setup(18,GPIO.OUT)GPIO.setup(22,GPIO.OUT)GPIO.setup(23,GPIO.OUT)stdscr=curses.initscr()stdscr.clear()whileTrue:ch=stdscr.getkey()#Quitifch=='s':curses.endwin()GPIO.output(27,False)GPIO.output(18,False)GPIO.output(22,False)GPIO.output(23,False)break#Forwardifch=='w':GPIO.output(27,False)GPIO.output(18,True)GPIO.output(22,False)GPIO.output(23,True)#Backwardifch=='x':GPIO.output(27,True)GPIO.output(18,False)GPIO.output(22,True)GPIO.output(23,False)#TurnRightifch=='a':GPIO.output(27,False)GPIO.output(18,True)GPIO.output(22,False)GPIO.output(23,False)#TurnLeftifch=='d':GPIO.output(27,False)GPIO.output(18,False)GPIO.output(22,False)GPIO.output(23,True)#Pivot_leftifch=='q':GPIO.output(27,True)GPIO.output(18,False)GPIO.output(22,False)GPIO.output(23,True)#Pivot_rightifch=='e':GPIO.output(27,False)GPIO.output(18,True)GPIO.output(22,True)GPIO.output(23,False)系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試小車(chē)同一側(cè)的馬達(dá)并聯(lián)連接至L298N,正在連接的過(guò)程之中要按照，在剛開(kāi)始的時(shí)候，遇到了同一側(cè)的輪子轉(zhuǎn)向不一致的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)同一側(cè)的電機(jī)連線接錯(cuò)，通過(guò)測(cè)試更改連線，錯(cuò)誤已經(jīng)修正。開(kāi)始時(shí)，小車(chē)的運(yùn)動(dòng)和預(yù)期的方向不太一樣，通過(guò)對(duì)代碼程序的調(diào)整，已經(jīng)解決了此問(wèn)題。第五章總結(jié)經(jīng)過(guò)半學(xué)期的努力學(xué)習(xí)，終于完成了這次的嵌入式課程設(shè)計(jì)。雖說(shuō)忙碌了點(diǎn)，但我們都覺(jué)得這樣的生活充實(shí)且有成就感，當(dāng)然，大家也都獲益匪淺。綜合課程設(shè)計(jì)把以前學(xué)習(xí)到的知識(shí)進(jìn)行了穩(wěn)固和進(jìn)一步的提高，對(duì)已有知識(shí)有了更進(jìn)一步的理解和認(rèn)識(shí)。在此，由