楊斐文，張 達(dá)，楊小聰，崔 昊

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100160）

基于Cortex－M4和FreeRTOS的礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊斐文1，2，張 達(dá)1，2，楊小聰1，崔 昊1，2

（1.北京礦冶研究總院，北京100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100160）

為了滿足礦用三維激光掃描系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了基于Cortex－M4內(nèi)核和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS的運(yùn)動控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用Cortex－M4為內(nèi)核的STM32F407ZGT微控制器和APM電機(jī)控制器等進(jìn)行相關(guān)的硬件電路設(shè)計(jì)，通過移植FreeRTOS內(nèi)核實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動控制、激光傳感器數(shù)據(jù)采集、攝像頭視頻傳輸?shù)热蝿?wù)的調(diào)度和對其他硬件資源的管理，簡化了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，優(yōu)化了軟件編程，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，降低了成本。

礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)；FreeRTOS；Cortex－M4

礦用三維激光掃描系統(tǒng)具有測量精度高、距離遠(yuǎn)、觀測效率高、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為礦山井下空區(qū)變形安全監(jiān)測、采場爆破前與爆破后形態(tài)探測的重要手段［1］。由于本系統(tǒng)涉及伺服電機(jī)的運(yùn)動控制、激光測距傳感器的數(shù)據(jù)采集、傾角傳感器的數(shù)據(jù)采集、攝像頭的視頻圖像傳輸、設(shè)備與終端之間的通信等多重任務(wù)，必須保證各任務(wù)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)簡化硬件電路的設(shè)計(jì)方案，降低軟件開發(fā)的難度，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。綜合以上多種因素，最終選用內(nèi)核是Cortex－M4的處理器，同時(shí)移植源碼公開的免費(fèi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS［2］。

1 系統(tǒng)工作原理及整體方案

礦用三維激光掃描系統(tǒng)通過電機(jī)控制器控制一臺橫向動力電機(jī)和一臺縱向動力電機(jī)，帶動激光測距模塊在空間中旋轉(zhuǎn)，激光測距模塊返回被測點(diǎn)的距離值，并通過2臺電機(jī)的編碼器獲取的角度值，確定出被測點(diǎn)在空間中的位置。電機(jī)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，激光測距模塊測量不同方位的點(diǎn)的距離值，形成三維空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而形成被測物體的三維模型。2只傾角傳感器可以確定礦用三維激光掃描系統(tǒng)的初始位置；攝像頭用來輔助測量人員安裝設(shè)備，避免激光頭磕碰到被測物體；以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與手持終端之間的數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)的整體方案見圖1。

圖1 礦用三維激光掃描系統(tǒng)整體方案

本系統(tǒng)選擇高性能、低成本的采用Cortex－M4內(nèi)核的STM32F407芯片，主頻168 MHz，帶有2個(gè)CAN接口和1個(gè)攝像頭接口，能夠支持以太網(wǎng)，帶4路高速串口，內(nèi)嵌1MB的Flash，硬件資源非常豐富［3］。同時(shí)，采用小型化的APM集成運(yùn)動控制器，通過CAN通信的方式，實(shí)現(xiàn)對2臺電機(jī)的控制，降低運(yùn)動控制的復(fù)雜度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Cortex－M4與APM的通信接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的STM32F407ZGT芯片，內(nèi)嵌2個(gè)支持CAN2.0B協(xié)議的CAN控制器，只需在每個(gè)CAN口外接1個(gè)CAN收發(fā)器，即可實(shí)現(xiàn)與電機(jī)控制器APM的CAN通信。同時(shí)，由于本系統(tǒng)的各個(gè)CAN設(shè)備之間的通信距離非常短，不需要做CAN隔離，直接將NXP公司的CAN收發(fā)器TJA1050接在STM32F407ZGT的CAN控制器上即可。

2.2 激光測距模塊接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的激光測距模塊的輸出信號是標(biāo)準(zhǔn)232信號，但STM32F407ZGT的高速串口是TTL信號，需用1片SP3232E將2種不同電平信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.3 攝像頭接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的攝像頭是OV7670模塊，它有八根數(shù)據(jù)線，其接口見圖2。它可以直接與STM32F407ZGT的攝像頭接口DCMI連接［4］。

圖2 OV7670攝像頭接口

2.4 傾角傳感器接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的傾角傳感器模塊輸出的是標(biāo)準(zhǔn)485信號，只需要使用一片SN65HVD06D高速收發(fā)器，即可實(shí)現(xiàn)傾角傳感器和STM32F407ZGT的高速串口之間的電平轉(zhuǎn)換。同時(shí)，2只傾角傳感器并接入485總線，共同使用1個(gè)SN65HVD06D高速收發(fā)器。

2.5 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

主控制器STM32F407ZGT內(nèi)嵌以太網(wǎng)控制器，只需在外部接一片低功耗、高性能的DP83848C芯片作為10M/100M以太網(wǎng)PHY芯片，采用RMII接口與處理器STM32F407連接即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通信［4］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

FreeRTOS作為開源的輕量級實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了基本的實(shí)時(shí)調(diào)度、信號量、隊(duì)列和存儲管理，而且在商業(yè)應(yīng)用上不需要授權(quán)費(fèi)，它的主要功能包括以下幾點(diǎn)：①優(yōu)先級調(diào)度、相同優(yōu)先級任務(wù)的輪轉(zhuǎn)調(diào)度，同時(shí)可設(shè)成可剝奪內(nèi)核或不可剝奪內(nèi)核；②任務(wù)可選擇是否共享堆棧，并且沒有任務(wù)數(shù)限制；③ 消息隊(duì)列，二值信號量，計(jì)數(shù)信號量，遞歸互斥體；④時(shí)間管理；⑤內(nèi)存管理［5］。

FreeRTOS 的 實(shí) 現(xiàn) 主 要 由 list.c、queue.c、croutine.c和tasks.c4 個(gè)文件組成［6］。list.c是一個(gè)鏈表的實(shí)現(xiàn)，主要供給內(nèi)核調(diào)度器使用；queue.c是一個(gè)隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)，支持中斷環(huán)境和信號量控制；croutine.c和task.c是兩種任務(wù)的組織實(shí)現(xiàn)。對于croutine，各任務(wù)共享同一個(gè)堆棧，使RAM 的需求進(jìn)一步縮小，但也正因如此，他的使用受到相對嚴(yán)格的限制。而task則是傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，各任務(wù)使用各自的堆棧，支持完全的搶占式調(diào)度。

3.1 FreeRTOS在STM32F407ZGT上的移植

由于FreeRTOS支持ST公司的Cortex－M4芯片平臺，所以STM32F407ZGT移植FreeRTOS時(shí)，可以基于ST官方函數(shù)庫，再做少許修改即可。本系統(tǒng)采用官網(wǎng)下載的FreeRTOS7.6版本，主要修改以下3個(gè)文件：①portmacro.h，根據(jù)使用的編譯器Real View MDK 對數(shù)據(jù)類型進(jìn)行定義［7］；②FreeRTOSConfig.h，設(shè)置與架構(gòu)相關(guān)的定義，如處理器頻率、心跳次數(shù)、遞歸互斥功能、計(jì)數(shù)器型信號量功能、改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級、協(xié)程公用堆棧等；③list.c，增加包含 Cortex－M4內(nèi)核文件的頭文件core＿cmInstr.h。

3.2 任務(wù)調(diào)度器啟動之前的初始化操作

圖3是本系統(tǒng)主程序流程圖，主要用來在FreeRTOS的任務(wù)調(diào)度器啟用之完成初始化工作，主要包括以下幾點(diǎn)：①芯片各硬件端口的的初始化，包括GPIO、2個(gè)CAN控制器、DCMI攝像頭接口、485端口、以太網(wǎng)控制器、高速 UART等；②在FreeRTOS中創(chuàng)建程序所用到的隊(duì)列；③在FreeRTOS中創(chuàng)建程序所用到的各個(gè)任務(wù)；④在FreeRTOS中啟動任務(wù)調(diào)度器。

3.3 任務(wù)函數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)FreeRTOS的任務(wù)的設(shè)計(jì)原則，在設(shè)計(jì)任務(wù)函數(shù)時(shí)需要將重要性高、實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)設(shè)為高優(yōu)先級，執(zhí)行時(shí)間長的任務(wù)設(shè)置為優(yōu)先級低［8］。同時(shí)，任務(wù)之間的通信必須通過隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)，且同一時(shí)刻只能有1個(gè)任務(wù)訪問硬件資源。

本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，模塊化設(shè)計(jì)方法使每一個(gè)任務(wù)都獨(dú)立開來，方便后期的程序開發(fā)、調(diào)試、維護(hù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)包括：①CAN1電機(jī)控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對大電機(jī)的運(yùn)動控制、編碼器數(shù)據(jù)采集；②CAN2電機(jī)控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對小電機(jī)的運(yùn)動控制、編碼器數(shù)據(jù)采集；③UART4控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對激光測距傳感器的數(shù)據(jù)采集；④DCMI控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對攝像頭的控制；⑤485控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對2路傾角傳感器的數(shù)據(jù)采集；⑥以太網(wǎng)通信任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3 主函數(shù)程序流程圖

4 應(yīng)用試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的基于Cortex－M4內(nèi)核和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS的礦用三維激光掃描系統(tǒng)的掃描頭已完成樣機(jī)的設(shè)計(jì)。它通過8芯線纜與外置電源箱相連，電源箱內(nèi)置WiFi模塊，用戶通過手持PDA給設(shè)備發(fā)送命令，使其開始掃描，掃描完成后通過上位機(jī)對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過測試過程中不斷修改完善程序，目前該系統(tǒng)已基本實(shí)現(xiàn)全部功能。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了采用Cortex－M4為內(nèi)核的STM32F407ZGT控制器，搭配FreeRTOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的礦用三維激光掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。利用STM32F407ZGT豐富的硬件資源和ST公司完善的函數(shù)庫，簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，且便于提高系統(tǒng)的性能和外設(shè)的擴(kuò)展。同時(shí)，在STM32F407ZGT平臺上移植了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)可應(yīng)用于采空區(qū)充填輔助設(shè)計(jì)、采礦量計(jì)量、采礦超挖欠挖分析、輔助應(yīng)急救援、采空區(qū)頂板及巷道安全分析、礦柱回采輔助設(shè)計(jì)等，在礦山行業(yè)具有廣泛應(yīng)用前景［9］。

［1］楊斐文，陸得盛，張達(dá)，等.基于礦用三維激光掃描系統(tǒng)的CAN總線傳輸協(xié)議研究［J］.有色金屬：礦山部分，2013，65（5）：4－6.

［2］BARRY R.Using the FreeRTOS real time kernel［M/OL］.［2011－01－08］http：//www.FreeRTOS.org/Documenttation.

［3］STM32F4芯片手冊［R/OL］.http：//www.st.com.

［4］神州王STM32F407FZGT用戶手冊［R/OL］.http：//www.armjishu.com

［5］宋華魯，閆銀發(fā)，張世福，等.基于STM32和FreeRTOS的嵌入式太陽能干燥實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（23）：105－106.

［6］呂成興，劉軍禮，劉波，等.基于Contex－M3和FreeRTOS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國水運(yùn)，2011，11（12）：86－87.

［7］孫偉，陳楊，張明偉，等.基于ARM CM3和RTOS的礦用電磁調(diào)速電機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2014，35（9）：236－237.

［8］謝鵬程.基于STM32和FreeRTOS的獨(dú)立式運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)與研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［9］余樂文，張達(dá)，余斌，等.礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)的研制［J］.金屬礦山，2012（10）：106－107.

Design of the 3D laser scanning and measuring system for mining based on Cortex－M4 and FreeRTOS

YANG Fei－wen1，2，ZHANG Da1，2，YANG Xiao－cong1，CUI Hao1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China；2.Beijing Metal mine mining Key Laboratory of Intelligent Technology，Beijing 100160，China）

We designed a system of motion controlling and data acquisition based on Cortex－M4 kernel and embedded FreeRTOS，in order to meet the needs of 3D Laser Scanning System for Mining.The related hardware circuits were designed by using STM32F407ZGT micro－controller which consist of Cortex－M4 core and APM motor controllers.It achieved management of hardware resources and schedule of some tasks through transplant FreeRTOS，such as motion control，data acquisition of a laser sensor，video transmission of a camera，etc.This system simplified the complexity of hardware design，optimized software performance，improved reliability of the system and reduced costs.

3D laser scanning and measuring system for mining；FreeRTOS；Cortex－M4

楊斐文（1983－），男，工程師，碩士，檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)，主要從事礦山領(lǐng)域智能化儀器的硬件、軟件的研發(fā)工作。

TD17

A

1004－4051（2014）S2－0316－03

2014－07－20

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目“地下金屬礦智能采礦爆破技術(shù)與裝備”資助（編號：2011AA060405）；國際合作項(xiàng)目“金屬礦深井開采安全智能化監(jiān)控技術(shù)合作研究”資助（編號：2011DFA71990）。