基于S3C2410的桌球自动摆放控制器设计
张旭
摘 要： 当前的桌球摆放采用人工摆放方法，准确定位和智能控制性不好。设计一种基于S3C2410的桌球自动摆放控制器，提高桌球摆放的人工智能性。控制器的主机控制分为上位机和下位机两部分组成，上位机实现对桌球台面的视觉信息采集和桌球定位摆放方位分析，采用GT8340嵌入式控制芯片控制上位机的自动对焦高清摄像头，采用多线程串口传输方法桌球分布的标签阅读识别，实现对桌球定位摆放的多维数据的接收、存储和传输。下位机是控制器的主机控制模块，通过程序加载电路加载控制算法，进行桌球摆放信息感知和执行器控制。下位机控制器采用低功耗的S3C2410作为主控芯片，实现控制器的集成设计。测试结果表明，该控制器具有较好的控制精度，对桌球定位摆放的准确性较高，时间开销较小。
关键词： S3C2410； 桌球自动摆放控制器； 上位机； 下位机
中图分类号： TN876?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0098?04
Abstract： The current artificial placement method of billiards has low positioning accuracy and poor intelligent control performance， so a billiards automatic placement controller based on S3C2410 was designed to improve the artificial intelligence of billiards placement. The controller is composed of host computer and slave computer. The host computer can acquire the visual information of billiards on the table， and analyze the billiards placing orientation. The embedded control chip GT8340 is used to control the autofocus high?definition camera of the host computer. The multi?thread serial transmission method is used to read and identify the distribution label of the billiards to receive， store and transmit the multidimensional data of the billiards placement. The slave computer， as the host control module of the controller， loads the control algorithm through the program loading circuit to perceive the billiards placement information and control the actuator. The low?power consumption S3C2410 is taken as the main control chip of the slave computer controller to realize the integrated design of the controller. The test results show that the controller has high control precision， high accuracy for billiards placement positioning， and short time expenditure.
Keywords： S3C2410； billiards automatic placement controller； host computer； slave computer
桌球既是一种休闲娱乐活动，也是一种竞技体育运动，随着桌球运动的普及，桌球吸引了人们越来越多的关注和热爱。研究桌球场地和设备的智能化设计技术同时也受到人们的极大关注，桌球的摆放是影响桌球运动娱乐性和一体性的重要环节，当前对桌球摆放多采用的是三角架子固定或人工摆放的方法，智能性和准确定位性不高。研究桌球自动摆放控制器是解决桌球运动设备设施智能化发展的重要内容，相关的控制器研究受到人们的极大重视。本文进行桌球自动摆放控制器优化设计，首先进行控制器设计的总体结构分析，然后进行控制器的硬件设计和软件开发，最后进行桌球摆放自动控制器的调试分析，展示了本文设计控制器的优越性能。
1 控制器系统体系构架与设计流程
桌球自动摆放控制器设计所需考虑的因素众多，包括控制器的体积、质量、对桌球定位控制的精度、元件成本以及可靠性等。在控制器的体系构架中，采用嵌入式技术进行桌球自动摆放控制器优化设计。控制器由上、下位机两部分组成[1]。上位机指桌球自动摆放控制器的视频信息采集和对桌球的方位距离测量单元，包括直接控制器和显示屏两个模块，采用电机驱动进行控制器的执行器件操控。桌球自动摆放控制器的A/D采集模块由两个部分构成：一是ARM嵌入式内核控制信号调理部分；二是采集芯片部分。A/D模块负责采集桌球台面上的状态和环境数据，使用直接控制单元，将采集的桌面位置和角度等参量信息转化为数字信号并传给主控系统，通过信号转换电路，将数据传回并保存至控制器的执行中心单元，通过LCD屏显示桌球自动摆放的效果。上位机的ARM主控系统模块负责接收下位机数据并进行显示、分析和管理，也可以直接调取下位机进行控制工作，综上分析，得到本文设计的桌球自动摆放控制器主要由硬件模块和软件模块两大部分组成，其中，硬件模块采用S3C2410作为主控芯片[2]，设计控制器的供电电路、放大电路、调理电路进行控制信号处理和MSComm 控件调制[3]。在软件模块设计中，协议栈通过配置 fSwConfig，由 DZDAPP_CONFIG_PAN_ID 指定终端传感器节点进行控制执行驱动，根据上述总体设计构架原理分析，进行控制器设计。其中，主控系统选择用GT8340嵌入式控制芯片控制上位机的自动对焦的高清摄像头，进行桌球控制的原始信息采集。选择三星公司的S3C2410A芯片进行控制器的控制执行机构的嵌入式设计[4]，该芯片是一款ARM9芯片，具备ARM嵌入式微处理性能，结合S3C2410A芯片进行上电加载，将A/D采集的桌球自动摆放的方位数据进行数据处理，并将摆放状态结果输出至屏幕，采用了多传感器配合外部高性能A/D芯片采集方法进行硬件初始化，发送传感器数据帧序列到ARM处理器平台，进行控制器的嵌入式设计，设计流程和功能模块结构框图如图1所示。
2 控制器的硬件集成设计
桌球自动摆放控制器的硬件设计部分采用嵌入式的ARM集成设计处理方案，控制器选择了一款型号为GT8340的32位嵌入式控制芯片[5]，其具有高速缓存功能。采用视频监控接口对桌球台面的桌球分布位置和方位信息进行图片、视频、多维数据的接收，并呈现在显示屏中。在上位机中控制着桌球监控摄像头的转动方向，采用多线程串口传输方法桌球分布的标签阅读识别。桌球自动摆放的控制器的上、下位机控制单元硬件模块分布如图2所示。
由图2可得，进行控制器的硬件模块化设计，主要有A/D电路、程序加载电路、控制复位电路、控制中断电路和控制执行电路，分别描述如下：
（1） A/D电路。A/D电路的工作主频可达160M/MIPS，采用TMS320VC5409A作为AD外围器件，AD电路的芯片满足片内32 KB（地址范围0080H～7FFFH）、片外32 KB（地址范围8000H～FFFFH）寻址，自动检测桌球的摆放位置，控制器的上、下位机的逻辑时序都是由输入时钟控制，利用 ADO 对象调整输入电压，外部激励信号在1～5 V 范围内稳定，用手指触摸相应位置通断来实现对电压的控制，完成对桌球自动摆放控制器的输出高电平与低电平的A/D采样，完成A/D电路设计。
（2） 程序加载电路。通过程序加载电路加载控制算法，进行桌球摆放信息感知和执行器控制。程序加载电路模块设置在触摸检测 IC（TTP223B）模块中，在程序加载电路中控制器自动检测GT8340嵌入式控制芯片与被控组件的连接情况。使用RS 232串口通信方式进行程序加载，依照字节由短到长进行通信，采用感知传感器技术进行控制器的多信道结构设计，控制器的程序加载电路完成信息感知、网络传输、数据处理功能，利用表1所示的命令结构表控制数字接口，完成程序加载电路设计。
（3） 控制复位电路。控制复位电路是实现桌球自动摆放的复位控制功能，分布在整个控制器的下位机中，首先给出控制复位电路的控制参数见表2。
表2 控制复位电路的控制参数
根据表2，桌球自动摆放控制复位电路可采用ITU?656 PPI模式和通用PPI模式，下位机控制器采用低功耗的S3C2410作为主控芯片，使用二维DMA在控制指令的1帧传输后完成控制復位并产生中断信号，采用MC7660完成上电复位，得到电路设计如图3所示。
（4） 控制中断电路和控制执行电路的集成设计。控制中断电路和控制执行电路是整个桌球自动摆放控制器的核心部分，采用GT8340嵌入式控制芯片控制上位机的自动对焦的高清摄像头。作为上位机的主机控制单元，采用S3C2410作为主控芯片进行控制中断电路和控制执行电路集成设计，使用ADM706S改变WDI引脚状态。当上电复位后，DSP采样BMODE2?0管脚，SPI存储器进行16位或者24位地址寻址[6]，使用惟一的ID0xA0来选择SPI主机引导程序，从外部的8位或16位存储器中直接执行控制命令。在开始区域、地址区域和指令区域实现UART主机引导，完成控制中断电路和控制执行电路的集成设计，设计电路如图4所示。
3 控制器软件设计
控制器软件设计是实现桌球自动摆放控制器的数据采集、桌球位置定位测量和高压控制等功能，在嵌入式ARM环境下完成程序驱动和中断初始化操作。首先进行硬件模块的PPI和DMA0初始化和协议栈初始化，通过电机驱动调整桌球分布的多维空间，判断当前A/D采样结果，进入CAN中断程序，判断桌球的位置分布，调整模型能够在三维空间中进行桌球摆放定位[7]。由25 MHz的晶振频率感知传感器数据帧，根据收到的数值调节控制指令，到达PLL_LOCKCNT设定的周期后，唤醒S3C2410，进行桌球自动摆放的控制器驱动操作，实现控制指令加载，得到基于S3C2410的桌球自动摆放控制器软件实现流程如图5所示。
4 性能测试分析
在进行桌球摆放控制器的实验测试中，串口参数设置如下：TSPEN位为1，帧同步信号为低电平有效，字长设为18位，DMA0_Y_MODIFY也设为2，控制命令区域从03位开始存执构建MapView 控件进行人机操作。根据上述测试参量设定，在不同的桌球分布环境下进行多次测试，分别采用本文设计的控制器、基于视频辨认方法的控制器和人工摆放方法进行桌球摆放，得到时间分析结果如图6所示。桌球摆放定位误差对比分析结果见表3。分析图6得知，本文设计控制器进行桌球摆放的耗时最少。分析表3结果得知，本文方法定位准确度较高，起伏较低，人工摆放方法的误差最大，不确定因素较多，且开销时间最长。研究结果证明了本文设计的控制器的有效性和智能性。
5 结 语
本文设计基于S3C2410的桌球自动摆放控制器，提高桌球摆放的人工智能性。首先进行控制器设计的总体结构分析，然后进行控制器的硬件设计和软件开发，主要对控制器的A/D电路、程序加载电路、控制复位电路、控制中断电路和控制执行电路进行详细设计描述，以S3C2410作为主控芯片，并在嵌入式ARM环境下完成软件开发。最后进行桌球摆放自动控制器的调试分析，研究得出，本文设计的控制器具有较好的控制精度，对桌球定位摆放的准确性较高，控制时间开销较小，具有很好的实用价值。
参考文献
[1] 陶俊豪，章鹏，蔡飞.一种基于LPC1788的互联网远程智能控制系统[J].现代电子技术，2015，38（21）：76?79.
[2] 郭素敏，徐克宝，苏春建，等.通用数字电路板自动测试系统设计[J].计算机测量与控制，2014，22（7）：2040?2042.
[3] 刘海达，李静，彭华.利用最大偏差比的LDPC码识别算法[J].信号处理，2014，30（8）：908?913.
[4] 韩光宇，瞿锋，郭劲，等.卫星激光测距中白天测距的分析与实现[J].仪器仪表学报，2012，33（4）：885?890.
[5] HAYMAN M， THAYER J P. General description of polarization in lidar using Stokes vectors and polar decomposition of Mueller matrices [J]. JOSA A， 2012， 29（4）： 400?409.
[6] KIRCHNER G， KOIDL F， FRIEDERICH F， et al. Laser measurements to space debris from Graz SLR station [J]. Advances in space research， 2013， 51（1）： 21?24.
[7] 黄涛，李祝莲，张海涛，等.53 cm双筒激光测距望远镜控制系统的设计与实现[J].现代电子技术，2014，37（16）：1?7.
摘 要： 当前的桌球摆放采用人工摆放方法，准确定位和智能控制性不好。设计一种基于S3C2410的桌球自动摆放控制器，提高桌球摆放的人工智能性。控制器的主机控制分为上位机和下位机两部分组成，上位机实现对桌球台面的视觉信息采集和桌球定位摆放方位分析，采用GT8340嵌入式控制芯片控制上位机的自动对焦高清摄像头，采用多线程串口传输方法桌球分布的标签阅读识别，实现对桌球定位摆放的多维数据的接收、存储和传输。下位机是控制器的主机控制模块，通过程序加载电路加载控制算法，进行桌球摆放信息感知和执行器控制。下位机控制器采用低功耗的S3C2410作为主控芯片，实现控制器的集成设计。测试结果表明，该控制器具有较好的控制精度，对桌球定位摆放的准确性较高，时间开销较小。
关键词： S3C2410； 桌球自动摆放控制器； 上位机； 下位机
中图分类号： TN876?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0098?04
Abstract： The current artificial placement method of billiards has low positioning accuracy and poor intelligent control performance， so a billiards automatic placement controller based on S3C2410 was designed to improve the artificial intelligence of billiards placement. The controller is composed of host computer and slave computer. The host computer can acquire the visual information of billiards on the table， and analyze the billiards placing orientation. The embedded control chip GT8340 is used to control the autofocus high?definition camera of the host computer. The multi?thread serial transmission method is used to read and identify the distribution label of the billiards to receive， store and transmit the multidimensional data of the billiards placement. The slave computer， as the host control module of the controller， loads the control algorithm through the program loading circuit to perceive the billiards placement information and control the actuator. The low?power consumption S3C2410 is taken as the main control chip of the slave computer controller to realize the integrated design of the controller. The test results show that the controller has high control precision， high accuracy for billiards placement positioning， and short time expenditure.
Keywords： S3C2410； billiards automatic placement controller； host computer； slave computer
桌球既是一种休闲娱乐活动，也是一种竞技体育运动，随着桌球运动的普及，桌球吸引了人们越来越多的关注和热爱。研究桌球场地和设备的智能化设计技术同时也受到人们的极大关注，桌球的摆放是影响桌球运动娱乐性和一体性的重要环节，当前对桌球摆放多采用的是三角架子固定或人工摆放的方法，智能性和准确定位性不高。研究桌球自动摆放控制器是解决桌球运动设备设施智能化发展的重要内容，相关的控制器研究受到人们的极大重视。本文进行桌球自动摆放控制器优化设计，首先进行控制器设计的总体结构分析，然后进行控制器的硬件设计和软件开发，最后进行桌球摆放自动控制器的调试分析，展示了本文设计控制器的优越性能。
1 控制器系统体系构架与设计流程
桌球自动摆放控制器设计所需考虑的因素众多，包括控制器的体积、质量、对桌球定位控制的精度、元件成本以及可靠性等。在控制器的体系构架中，采用嵌入式技术进行桌球自动摆放控制器优化设计。控制器由上、下位机两部分组成[1]。上位机指桌球自动摆放控制器的视频信息采集和对桌球的方位距离测量单元，包括直接控制器和显示屏两个模块，采用电机驱动进行控制器的执行器件操控。桌球自动摆放控制器的A/D采集模块由两个部分构成：一是ARM嵌入式内核控制信号调理部分；二是采集芯片部分。A/D模块负责采集桌球台面上的状态和环境数据，使用直接控制单元，将采集的桌面位置和角度等参量信息转化为数字信号并传给主控系统，通过信号转换电路，将数据传回并保存至控制器的执行中心单元，通过LCD屏显示桌球自动摆放的效果。上位机的ARM主控系统模块负责接收下位机数据并进行显示、分析和管理，也可以直接调取下位机进行控制工作，综上分析，得到本文设计的桌球自动摆放控制器主要由硬件模块和软件模块两大部分组成，其中，硬件模块采用S3C2410作为主控芯片[2]，设计控制器的供电电路、放大电路、调理电路进行控制信号处理和MSComm 控件调制[3]。在软件模块设计中，协议栈通过配置 fSwConfig，由 DZDAPP_CONFIG_PAN_ID 指定终端传感器节点进行控制执行驱动，根据上述总体设计构架原理分析，进行控制器设计。其中，主控系统选择用GT8340嵌入式控制芯片控制上位机的自动对焦的高清摄像头，进行桌球控制的原始信息采集。选择三星公司的S3C2410A芯片进行控制器的控制执行机构的嵌入式设计[4]，该芯片是一款ARM9芯片，具备ARM嵌入式微处理性能，结合S3C2410A芯片进行上电加载，将A/D采集的桌球自动摆放的方位数据进行数据处理，并将摆放状态结果输出至屏幕，采用了多传感器配合外部高性能A/D芯片采集方法进行硬件初始化，发送传感器数据帧序列到ARM处理器平台，进行控制器的嵌入式设计，设计流程和功能模块结构框图如图1所示。
2 控制器的硬件集成设计
桌球自动摆放控制器的硬件设计部分采用嵌入式的ARM集成设计处理方案，控制器选择了一款型号为GT8340的32位嵌入式控制芯片[5]，其具有高速缓存功能。采用视频监控接口对桌球台面的桌球分布位置和方位信息进行图片、视频、多维数据的接收，并呈现在显示屏中。在上位机中控制着桌球监控摄像头的转动方向，采用多线程串口传输方法桌球分布的标签阅读识别。桌球自动摆放的控制器的上、下位机控制单元硬件模块分布如图2所示。
由图2可得，进行控制器的硬件模块化设计，主要有A/D电路、程序加载电路、控制复位电路、控制中断电路和控制执行电路，分别描述如下：
（1） A/D电路。A/D电路的工作主频可达160M/MIPS，采用TMS320VC5409A作为AD外围器件，AD电路的芯片满足片内32 KB（地址范围0080H～7FFFH）、片外32 KB（地址范围8000H～FFFFH）寻址，自动检测桌球的摆放位置，控制器的上、下位机的逻辑时序都是由输入时钟控制，利用 ADO 对象调整输入电压，外部激励信号在1～5 V 范围内稳定，用手指触摸相应位置通断来实现对电压的控制，完成对桌球自动摆放控制器的输出高电平与低电平的A/D采样，完成A/D电路设计。
（2） 程序加载电路。通过程序加载电路加载控制算法，进行桌球摆放信息感知和执行器控制。程序加载电路模块设置在触摸检测 IC（TTP223B）模块中，在程序加载电路中控制器自动检测GT8340嵌入式控制芯片与被控组件的连接情况。使用RS 232串口通信方式进行程序加载，依照字节由短到长进行通信，采用感知传感器技术进行控制器的多信道结构设计，控制器的程序加载电路完成信息感知、网络传输、数据处理功能，利用表1所示的命令结构表控制数字接口，完成程序加载电路设计。
（3） 控制复位电路。控制复位电路是实现桌球自动摆放的复位控制功能，分布在整个控制器的下位机中，首先给出控制复位电路的控制参数见表2。
表2 控制复位电路的控制参数
根据表2，桌球自动摆放控制复位电路可采用ITU?656 PPI模式和通用PPI模式，下位机控制器采用低功耗的S3C2410作为主控芯片，使用二维DMA在控制指令的1帧传输后完成控制復位并产生中断信号，采用MC7660完成上电复位，得到电路设计如图3所示。
（4） 控制中断电路和控制执行电路的集成设计。控制中断电路和控制执行电路是整个桌球自动摆放控制器的核心部分，采用GT8340嵌入式控制芯片控制上位机的自动对焦的高清摄像头。作为上位机的主机控制单元，采用S3C2410作为主控芯片进行控制中断电路和控制执行电路集成设计，使用ADM706S改变WDI引脚状态。当上电复位后，DSP采样BMODE2?0管脚，SPI存储器进行16位或者24位地址寻址[6]，使用惟一的ID0xA0来选择SPI主机引导程序，从外部的8位或16位存储器中直接执行控制命令。在开始区域、地址区域和指令区域实现UART主机引导，完成控制中断电路和控制执行电路的集成设计，设计电路如图4所示。
3 控制器软件设计
控制器软件设计是实现桌球自动摆放控制器的数据采集、桌球位置定位测量和高压控制等功能，在嵌入式ARM环境下完成程序驱动和中断初始化操作。首先进行硬件模块的PPI和DMA0初始化和协议栈初始化，通过电机驱动调整桌球分布的多维空间，判断当前A/D采样结果，进入CAN中断程序，判断桌球的位置分布，调整模型能够在三维空间中进行桌球摆放定位[7]。由25 MHz的晶振频率感知传感器数据帧，根据收到的数值调节控制指令，到达PLL_LOCKCNT设定的周期后，唤醒S3C2410，进行桌球自动摆放的控制器驱动操作，实现控制指令加载，得到基于S3C2410的桌球自动摆放控制器软件实现流程如图5所示。
4 性能测试分析
在进行桌球摆放控制器的实验测试中，串口参数设置如下：TSPEN位为1，帧同步信号为低电平有效，字长设为18位，DMA0_Y_MODIFY也设为2，控制命令区域从03位开始存执构建MapView 控件进行人机操作。根据上述测试参量设定，在不同的桌球分布环境下进行多次测试，分别采用本文设计的控制器、基于视频辨认方法的控制器和人工摆放方法进行桌球摆放，得到时间分析结果如图6所示。桌球摆放定位误差对比分析结果见表3。分析图6得知，本文设计控制器进行桌球摆放的耗时最少。分析表3结果得知，本文方法定位准确度较高，起伏较低，人工摆放方法的误差最大，不确定因素较多，且开销时间最长。研究结果证明了本文设计的控制器的有效性和智能性。
5 结 语
本文设计基于S3C2410的桌球自动摆放控制器，提高桌球摆放的人工智能性。首先进行控制器设计的总体结构分析，然后进行控制器的硬件设计和软件开发，主要对控制器的A/D电路、程序加载电路、控制复位电路、控制中断电路和控制执行电路进行详细设计描述，以S3C2410作为主控芯片，并在嵌入式ARM环境下完成软件开发。最后进行桌球摆放自动控制器的调试分析，研究得出，本文设计的控制器具有较好的控制精度，对桌球定位摆放的准确性较高，控制时间开销较小，具有很好的实用价值。
参考文献
[1] 陶俊豪，章鹏，蔡飞.一种基于LPC1788的互联网远程智能控制系统[J].现代电子技术，2015，38（21）：76?79.
[2] 郭素敏，徐克宝，苏春建，等.通用数字电路板自动测试系统设计[J].计算机测量与控制，2014，22（7）：2040?2042.
[3] 刘海达，李静，彭华.利用最大偏差比的LDPC码识别算法[J].信号处理，2014，30（8）：908?913.
[4] 韩光宇，瞿锋，郭劲，等.卫星激光测距中白天测距的分析与实现[J].仪器仪表学报，2012，33（4）：885?890.
[5] HAYMAN M， THAYER J P. General description of polarization in lidar using Stokes vectors and polar decomposition of Mueller matrices [J]. JOSA A， 2012， 29（4）： 400?409.
[6] KIRCHNER G， KOIDL F， FRIEDERICH F， et al. Laser measurements to space debris from Graz SLR station [J]. Advances in space research， 2013， 51（1）： 21?24.
[7] 黄涛，李祝莲，张海涛，等.53 cm双筒激光测距望远镜控制系统的设计与实现[J].现代电子技术，2014，37（16）：1?7.
