基于飛思卡爾單片機(jī)的智能汽車設(shè)計(jì)

1、基于飛思卡爾單片機(jī)的智能汽車設(shè)計(jì)摘要本智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)以 MC9S12DG128B 微控制器為核心,通過一個(gè)CMOS 攝像頭檢測(cè)模型車的運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)方向,使用LM1881視頻分離芯片對(duì)圖像進(jìn)行處理,用光電傳感器檢測(cè)模型車的速度并使用PID 控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的方向,完成對(duì)模型車運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的閉環(huán)控制。為了提高智能車的行駛速度和可靠性,采用了自制的電路板,在性能和重量上有了更大的優(yōu)勢(shì),對(duì)比了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行關(guān)鍵詞:MC9S12DG128,CMOS 攝像頭,PIDThe Research of Small and Medium-sized Ele

2、ctric Machines in Fuan CityAuthor:Yao fangTutor:Ma shuhuaAbstractFujian Fuan City industry of electric motor and electrical equipment is the one of the most representative phenomenon of industry cluster in Fujian Province mechanical industry. Its output value of small and medium-sized electric machi

3、nes accounts for 20% of the whole provinces electrical equipment indu stry. The output amount of small and medium-sized electric machines from this region takes up 1/3 of that of the whole nation. Fuan electric motor and electrical equipment industry plays a significant role in the development of lo

4、cal national economy, being considered to be the main growth point of local economy and called "the Chinese electric motor and electrical equipment city ".This paper launched a research on small and medium- sized electric machines in Fuan city from two angles. The first one inferred the si

5、tuation of Fuan electric machine industrial cluster as well as the analysis of the temporary existed problems, and then propose a few of suggestions on the part of local government. The second part focus on the improvement of the competitiveness of Fuan electric machine enterprises, through the appl

6、ication of Michael Porter's Five Forces Model into the local industry of electric machine, consequently carried out some strategies local enterprises should take.Key Words: small and medium-sized electric machines, Five Forces Model, industrial cluster目錄1 緒論 (11.1智能車競(jìng)賽背景介紹 (11.2智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及方案分析 (2

7、1.3系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 (32 機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整與設(shè)計(jì) (42.1機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)調(diào)整 (42.2舵機(jī)安裝方式的調(diào)整 (42.3攝像頭的安裝 (52.4測(cè)速碼盤的安裝 (52.5前輪傾角的調(diào)整 (62.6地盤高度的調(diào)整 (72.7齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及后輪差速的調(diào)整 (73 硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) (83.1硬件電路設(shè)計(jì)方案 (83.2硬件電路的實(shí)現(xiàn) (84 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) (284.1軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案選擇 (284.2軟件主流程 (284.3端口分配 (294.4底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) (304.5圖像信息處理及道路識(shí)別程序設(shè)計(jì) (344.6起跑線識(shí)別程序設(shè)計(jì) (404.7車體控制程序設(shè)計(jì) (41結(jié)論 (4

8、4致謝 (45參考資料 (46附錄 (47附錄A (471 緒論1.1 智能車競(jìng)賽背景介紹全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾杯智能車競(jìng)賽是教育部主辦的面向全國(guó)大學(xué)生的五大賽事之一(另外四個(gè):數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。智能車競(jìng)賽是以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景,涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽。大賽旨在加強(qiáng)大學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐動(dòng)手的能力,為社會(huì)培養(yǎng)一批優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才。全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽已經(jīng)成功舉辦了三屆,比賽規(guī)模不斷擴(kuò)大、比賽成績(jī)不斷提高。前三屆比賽決賽分別由清華大學(xué)、上海交通大學(xué)和東北大學(xué)承辦。通過比賽,促進(jìn)了高等學(xué)校素質(zhì)教育,培養(yǎng)了大學(xué)生的

9、綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí),激發(fā)了大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能,倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際、求真務(wù)實(shí)的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的人文精神,為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造了條件。全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽是在競(jìng)賽組委會(huì)提供的統(tǒng)一汽車模型平臺(tái)上,使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊,通過設(shè)計(jì)道路識(shí)別傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編寫相應(yīng)軟件及裝配模型車,制作一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的模型汽車,按照規(guī)定路線(路線賽前未知行進(jìn),以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。Freescale公司是目前全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司之一,它為汽車電子、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線市場(chǎng)設(shè)計(jì)并制造了眾多的嵌入式半導(dǎo)體產(chǎn)品,擁有多

10、達(dá)19000種產(chǎn)品。Freecale公司是全球十大芯片制造商之一,在8位、16位和32位微控制器領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。智能汽車競(jìng)賽所使用的自動(dòng)控制器是以單片機(jī)MC9S12DG128為核心,配合有傳感器、電機(jī)、舵機(jī)、電池以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路,它能夠自主識(shí)別路徑,控制模型車高速穩(wěn)定運(yùn)行在跑道上。本屆比賽按照賽車進(jìn)行道路檢測(cè)方式的不同分為光電組和攝像頭組,如果賽車使用了透鏡成像原理進(jìn)行道路檢測(cè)則屬于攝像頭組,其余屬于光電組。1.2 智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及方案分析智能車競(jìng)賽已成功舉辦了三屆,水平越來(lái)越高,每一屆都能有很多創(chuàng)意值得學(xué)習(xí),也會(huì)有一些教訓(xùn)需要吸取。我們對(duì)所能找到的資料進(jìn)行了認(rèn)真的分析和總結(jié),從而確定

11、了我們的設(shè)計(jì)思路。首先,采用低重心設(shè)計(jì)。前三屆的比賽中,不乏因重心過高而翻車的例子。重心成了進(jìn)一步加快智能車彎道速度的限制之一。反觀一些速度很快的賽車,重心一般都比較低(有個(gè)別例外。因此,盡可能降低重心成為我們?cè)O(shè)計(jì)智能車過程中始終重點(diǎn)考慮的問題之一。對(duì)智能車重心影響最大的當(dāng)屬攝像頭及其支架;支架選擇輕質(zhì)材料制作,且在不影響道路識(shí)別的情況下,盡量降低支架高度。還可以通過減小PCB版面積,低位安裝來(lái)降低重心。第二,提高圖像的分辨率,增強(qiáng)攝像頭及算法對(duì)光線的適應(yīng)性。在賽場(chǎng)上,智能車因無(wú)法適應(yīng)場(chǎng)地光線,從而無(wú)法完成比賽,是一件很可惜的事情。我們從攝像頭的選型到程序的編寫,再到平時(shí)的調(diào)試,始終注意了提高

12、智能車道路檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)地光線的適應(yīng)性。我們選用了CMOS攝像頭,它一方面可以提供很高的分辨率,另一方面對(duì)光線的適應(yīng)性也很好。第三,在算法設(shè)計(jì)上,要實(shí)現(xiàn)“抄近道”的跑法。所謂“抄近道”,是指智能車并不是嚴(yán)格沿著黑線行進(jìn),而是在保證不犯規(guī)的情況下,走最短的路徑?！俺馈币簿褪锹窂絻?yōu)化。我們?cè)?jīng)做過測(cè)試,通過一個(gè)小S彎,沿彎道跑的賽車比直沖小S彎的賽車多費(fèi)一倍多的時(shí)間。如何實(shí)現(xiàn)路徑優(yōu)化,是我們軟件設(shè)計(jì)中重點(diǎn)解決的問題之一。最后,減輕車重、調(diào)整車模機(jī)械結(jié)構(gòu)、也可以有效地提高智能車的平均速度。在智能車硬件電路的設(shè)計(jì)上,我們采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。將整個(gè)系統(tǒng)分為最小系統(tǒng)板、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、圖像采集模

13、塊等若干模塊。每個(gè)模塊只負(fù)責(zé)完成特定的功能,與其他模塊之間相對(duì)獨(dú)立。這種“分而治之”的模塊化硬件設(shè)計(jì)思想,把復(fù)雜的系統(tǒng)分為若干功能模塊,方便了小組內(nèi)進(jìn)行分工設(shè)計(jì)。同時(shí),由于進(jìn)行了模塊化劃分,電路規(guī)模也相對(duì)變小了,減小了出錯(cuò)的幾率,增大了成功率。在前期開發(fā)階段,可以對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試。保持各模塊間接口定義不變,各模塊可以單獨(dú)升級(jí)換代,具有一定的通用性。在調(diào)試過程中,每一模塊均有備件,且拆裝替換方便。如果某一模塊出故障或需要升級(jí),可以馬上替換,不會(huì)出現(xiàn)因一點(diǎn)小故障導(dǎo)致調(diào)試工作無(wú)法進(jìn)行的問題。這也保證了我們的調(diào)試進(jìn)度。比如:我們針對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題,對(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行了改進(jìn)

14、;此外,對(duì)數(shù)字?jǐn)z像頭模塊也進(jìn)行過改進(jìn),提高了圖像的質(zhì)量。這些改動(dòng)都沒有對(duì)我們的調(diào)試進(jìn)度產(chǎn)生大的影響。1.3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖按照預(yù)先的設(shè)計(jì),我們?cè)O(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)力求簡(jiǎn)單高效,在滿足比賽要求的情況下,使硬件結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單,減少因硬件而出現(xiàn)的問題。 圖1.1 智能車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整與設(shè)計(jì)為了使車能夠更穩(wěn)定的高速運(yùn)行,我們對(duì)這個(gè)車進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。今年的車模精度不是很高,因此盡量在規(guī)則允許范圍內(nèi)改造車模,提高車模整體精度是很必要的。另外,我們?cè)趯?shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn),前輪的束角和主銷傾角對(duì)車的高速運(yùn)行下的穩(wěn)定性影響很大。高速運(yùn)行下舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)車轉(zhuǎn)向的靈活程度也起到了根本性的作用。所

15、以,在整車的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面我們進(jìn)行了三方面改進(jìn):轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)改進(jìn)、前輪束角調(diào)整、底盤高度調(diào)整。2.1 機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)調(diào)整由于在比賽時(shí)硬件部分對(duì)賽車的速度有很大的影響,所以對(duì)賽車的機(jī)械安裝部分的調(diào)整有很大的必要。2.2 舵機(jī)安裝方式的調(diào)整將舵機(jī)豎立放置,并適當(dāng)加長(zhǎng)其傳動(dòng)桿,可以提高舵機(jī)的控制精度,加快賽車轉(zhuǎn)向的靈敏度。 圖2.1 舵機(jī)安裝調(diào)整圖2.3 攝像頭的安裝 圖2.2 攝像頭安裝方式今年我們采用了更輕的材料制作攝像頭支架,并且就地取材,采用小車配備的備用零件固定攝像頭,并將攝像頭放置在小車的后方,以便減少賽車前方的盲區(qū),對(duì)小車的控制十分有利。2.4 測(cè)速碼盤的安裝 圖2.3 測(cè)速安裝方式在測(cè)速方面

16、我們采用了透射式光電碼盤的方法,并且將碼盤固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上,從而能獲取更多的脈沖。該方法在速度不是特別高的時(shí)候,足以滿足我們的測(cè)量要求,具有很高的性價(jià)比。2.5 前輪傾角的調(diào)整我們?cè)谡{(diào)試中發(fā)現(xiàn):由于前輪軸和車輪之間的間隙較大,對(duì)車高速轉(zhuǎn)向時(shí)的重心影響較大,會(huì)引起高速轉(zhuǎn)向時(shí)車的轉(zhuǎn)向不足。而且這里又是規(guī)則中嚴(yán)禁改動(dòng)的部分,所以為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機(jī)負(fù)載,我們對(duì)前輪的安裝角度,即前輪定位進(jìn)行了調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉(zhuǎn)向輪,它的安裝位置由主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束等4個(gè)因素決定,反映了轉(zhuǎn)向輪、主銷和前軸等三者在車架上的位置關(guān)系。

17、主銷內(nèi)傾是指主銷安裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度,它的作用是使前輪自動(dòng)回正。角度越大前輪自動(dòng)回正的作用就越強(qiáng)烈,但轉(zhuǎn)向時(shí)也越費(fèi)力,輪胎磨損增大;反之,角度越小前輪自動(dòng)回正的作用就越弱。主銷后傾是指主銷裝在前軸,上端略向后傾斜的角度。它使車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反,迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。由此,主銷后傾角越大,車速越高,前輪穩(wěn)定性也越好。 圖2.4 主銷后傾角調(diào)整圖主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有時(shí)騎車轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正,保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無(wú)關(guān),主銷后傾的回正與車速有關(guān),因此高速時(shí)后傾的回正作用大,低速時(shí)內(nèi)傾的回正作用大。前輪外傾角對(duì)汽車

18、的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響,它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。前輪外傾角俗稱“外八字”,如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形,可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè),導(dǎo)致車輪聯(lián)結(jié)件損壞。所以事先將車輪校偏一個(gè)外八字角度,這個(gè)角度約在1度左右。所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差,也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能,減少輪胎的磨損。前輪在滾動(dòng)時(shí),其慣性力會(huì)自然將輪胎向內(nèi)偏斜,如果前束適當(dāng),輪胎滾動(dòng)時(shí)的偏斜方向就會(huì)抵消,輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會(huì)減少。2.6 地盤高度的調(diào)整底盤適當(dāng)降低,在可以過坡道的情況下,盡量降低底盤,從整體上降低車的重心,使車在轉(zhuǎn)彎時(shí)可以

19、更加穩(wěn)定、快速。我們?cè)谇奥飞显黾恿私M委會(huì)提供的兩個(gè)黃色墊片,將賽車前端的中心降低了1.5MM。2.7 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及后輪差速的調(diào)整車模后輪采用RS-380SH-4045電機(jī)驅(qū)動(dòng),由競(jìng)賽主辦方提供。電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為 9:38(電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18,后輪軸傳動(dòng)輪齒數(shù)為76。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。齒輪傳動(dòng)部分安裝不恰當(dāng),會(huì)增大電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪的負(fù)載;齒輪配合間隙過松則容易打壞齒輪,過緊則會(huì)增加傳動(dòng)阻力。所以我們?cè)陔姍C(jī)安裝過程中盡量使得傳動(dòng)齒輪軸保持平行,傳動(dòng)部分輕松、流暢,不存在卡殼或遲滯現(xiàn)象。差速機(jī)構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時(shí)候,降低后輪與地面之間的滑動(dòng);并且還可以保證在輪

20、胎抱死的情況下不會(huì)損害到電機(jī)。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙,過松過緊都會(huì)使差速器性能降低,轉(zhuǎn)彎時(shí)阻力小的車輪會(huì)打滑,從而影響車模的過彎性能。好的差速機(jī)構(gòu),在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下,右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度之間誤差很小,不會(huì)有遲滯或者過轉(zhuǎn)動(dòng)情況發(fā)生。判斷齒輪傳動(dòng)是否調(diào)整好的一個(gè)依據(jù)是,聽一下電機(jī)帶動(dòng)后輪空轉(zhuǎn)時(shí)的聲音。聲音刺耳響亮,說明齒輪間的配合間隙過大,傳動(dòng)中有撞齒現(xiàn)象;聲音悶而且有遲滯,則說明齒輪間的配合間隙過小,或者兩齒輪軸不平行,電機(jī)負(fù)載加大。調(diào)整好的齒輪傳送噪音小,并且不會(huì)有碰撞類的雜音。3 硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 硬件電路設(shè)計(jì)方案從最初進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)我們就定了

21、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo):可靠、高效、簡(jiǎn)潔,在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行?？煽啃允窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)的第一要求,我們對(duì)電路設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì),做好各部分的接地、屏蔽、濾波等工作,將高速數(shù)字電路與模擬電路分開,使本系統(tǒng)工作的可靠性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。高效是指本系統(tǒng)的性能要足夠強(qiáng)勁。我們主要是從以下兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)的:1、采用運(yùn)算放大器制作的比較器實(shí)現(xiàn)了圖像二值化的高速轉(zhuǎn)換,大大提高了圖像采集的分辨率;2、使用了由分立元件制作的直流電動(dòng)機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)器的額定工作電流可以輕易達(dá)到100A以上,大大提高了電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。簡(jiǎn)潔是指在滿足了可靠、高效的要求后,為了盡量減輕整車重量,降

22、低車體重心位置,應(yīng)使電路設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)潔,盡量減少元器件使用數(shù)量,縮小電路板面積,使電路部分重量輕,易于安裝。我們?cè)趯?duì)電路進(jìn)行詳細(xì)、徹底地分析后,對(duì)電路進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化,并合理設(shè)計(jì)元件排列和電路走線,使本系統(tǒng)硬件電路部分輕量化指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。3.2 硬件電路的實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能車控制系統(tǒng)是由三部分組成的:S12為核心的最小系統(tǒng)板、主板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板。最小系統(tǒng)板可以插在主板上組成信號(hào)采集、處理和電機(jī)控制單元。為了減小電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路帶來(lái)的電磁干擾,我們把控制單元部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分分開,做成了兩塊電路板。單片機(jī)最小系統(tǒng)板使用MC9S12DG128單片機(jī),80引腳封裝。MC9S12DG128是Freesca

23、le公司推出的S12系列微控制器中的一款增強(qiáng)型16位微控制器。其集成度高,片內(nèi)資源豐富,接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等。它不僅在汽車電子、工業(yè)控制、中高檔機(jī)電產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的用途,而且在FLASH存儲(chǔ)控制及加密方面也有很強(qiáng)的功能。MC9S12DG128微控制器采用增強(qiáng)型16位S12 CPU,片內(nèi)總線時(shí)鐘頻率最高可25MHz;片內(nèi)資源包括8KB RAM、128KB FLASH、2KB EEPROM;SCI、SPI、PWM串行接口模塊;PWM 模塊可設(shè)置成4路8位或2路16位,可寬范圍選擇邏輯始終頻率;它還提供2個(gè)8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)模塊CAN和增強(qiáng)

24、型捕捉定時(shí)器,并支持背景調(diào)試模式(BDM.下面主要介紹S12系列的特點(diǎn)、基本結(jié)構(gòu)、引腳功能、操作模式、振蕩電路、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視、實(shí)時(shí)中斷、復(fù)位電路等。(1S12的核心:-16位S12CPU:20位ALU,指令隊(duì)列,增強(qiáng)型索引尋址;-多種外部總線接口(MEBI;-模塊映射控制機(jī)制(MMC;-中斷控制(INT;-斷點(diǎn)(BKP;-背景調(diào)試模塊(BDM。(2CGR時(shí)鐘和復(fù)位發(fā)生器:-鎖相環(huán)(PLL;-看門狗(COP watchdog;-實(shí)時(shí)中斷(RTI;-時(shí)鐘監(jiān)視器(CM。(3帶中斷功能的8位和4位端口:-可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)。(4存儲(chǔ)器:-128 KB FLASH;-2 KB EEPROM;-8

25、 KB RAM。(52個(gè)8通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器:-10位精度;-外部觸發(fā)轉(zhuǎn)變功能。(63個(gè)1Mbps的CAN總線模塊,兼容CAN2.0 A/B:-5個(gè)接受緩沖器,3個(gè)發(fā)送緩沖器;-4個(gè)獨(dú)立的中斷通道,分別是發(fā)送中斷、接受中斷、錯(cuò)誤中斷和喚醒中斷; -低通濾波器喚醒功能。(7增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器:-16位計(jì)數(shù)器,7位預(yù)分頻功能;-8個(gè)可編程輸入捕捉或輸出比較通道;-4個(gè)8位或2個(gè)16位脈沖累加器。(88個(gè)PWM通道:-每個(gè)通道的周期和占空比由程序決定;-8位8通道或16位4通道;-各通道獨(dú)立控制;-脈沖在周期內(nèi)中心對(duì)稱或左對(duì)齊輸出;-可編程時(shí)鐘選擇邏輯;-緊急事件關(guān)斷輸入;-可作為中斷輸入。(9串行口:

26、-2個(gè)異步串行通信接口(SCI;-2個(gè)同步串行設(shè)備接口(SPI;-Byteflight模塊。(10I2C總線:-兼容I2C總線標(biāo)準(zhǔn);-多主I2C總線模塊。(11LQFP-112和QFP-80封裝選擇:-5V輸入和帶驅(qū)動(dòng)能力I/O;-5VA/D轉(zhuǎn)換器輸入;-50MHz系統(tǒng)頻率(相當(dāng)于25MHz總線頻率;-單線背景調(diào)試模塊;-片上硬件斷點(diǎn)。MC9S12DG128系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致可分為MCU核心與MCU外設(shè)兩部分。MCU核心該部分包括MCU的3種存儲(chǔ)器(FLASH、RAM、EEPROM;多電壓調(diào)整器,包括數(shù)字電路和模擬電路電源電壓;具有單線背景調(diào)試接口(BDM和運(yùn)行監(jiān)視功能的增S12CPU;程序存儲(chǔ)器的

27、頁(yè)面模式控制;具有中斷識(shí)別、讀/寫控制、工作模式等控制功能的系統(tǒng)綜合模塊(SIM;可用于系統(tǒng)擴(kuò)展的分時(shí)復(fù)用總線端口,其中A口、B口可作為外擴(kuò)存儲(chǔ)器或接口電路時(shí)的分時(shí)復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線,E口的部分可作為控制總線。MCU 外設(shè)S12外設(shè)部分包括:A/D轉(zhuǎn)換器(ATD0、ATD1,增強(qiáng)型定時(shí)捕捉模塊(ECT,串行接口SPI、I2C。CAN、Byteflight等接口是許多微控制器所沒有的。Byteflight協(xié)議接口是只針對(duì)安全臨界(Safety Critical應(yīng)用的時(shí)間控制協(xié)議,有BWM聯(lián)合Freescale、Elmos及Infineon公司聯(lián)合開發(fā),主要用于機(jī)動(dòng)車輛中的安全臨界應(yīng)用。該系統(tǒng)應(yīng)用

28、在BMW7系列汽車中,主要用于安全氣囊系統(tǒng)中的時(shí)間臨界(Time Critical數(shù)據(jù)的處理與傳輸。另外,咳可用于傳輸車身及底盤電子系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。Byteflight的傳輸速率為10Mbps,采用塑料光纖作為傳輸介質(zhì)。Byteflight技術(shù)不僅可以應(yīng)用在汽車系統(tǒng)中,而且在需要實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性、高傳輸速率以及在惡劣的電磁環(huán)境中保證傳輸無(wú)故障等領(lǐng)域都大有用武之地。為減少電路板空間,我們?cè)O(shè)計(jì)的板上僅將本系統(tǒng)所用到的引腳引出,包括兩路PWM 接口,一路外部中斷接口,17路普通IO接口。其他部分還包括電源濾波電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、串行通訊接口、BDM接口。 圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)板原理圖為提高系統(tǒng)

29、工作穩(wěn)定性,我們使用有源晶體振蕩器為單片機(jī)提供時(shí)鐘。單片機(jī)最小系統(tǒng)板電路原理圖如圖3.1。我們自行設(shè)計(jì)的PCB電路板尺寸為38mm*40mm,在尺寸和重量上有了很大的改善。如圖3.2 圖3.2 最小體統(tǒng)主板上裝有組成本系統(tǒng)的主要電路,它包括如下部件:電源穩(wěn)壓電路、視頻同步分離電路、攝像頭接口、舵機(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、測(cè)速接口、電源接口、單片機(jī)最小系統(tǒng)板插座、跳線、指示燈、開關(guān)等。1.電源穩(wěn)壓電路本系統(tǒng)中電源穩(wěn)壓電路有三路,一路為+5V穩(wěn)壓電路,第二路路為+3.3V穩(wěn)壓電路,第三路為攝像頭9V穩(wěn)壓電路。為整個(gè)智能模型車自動(dòng)控制系統(tǒng)中除后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī),轉(zhuǎn)向舵機(jī)外的所有設(shè)備供電。其中+3.3V穩(wěn)壓電路

30、為加速度傳感器供電,使用串聯(lián)穩(wěn)壓芯片TPS7333。電路原理圖如圖3.3所示 圖3.3 TPS7333電源穩(wěn)壓電路由于整個(gè)系統(tǒng)中+5V電路功耗較小,為了降低電源紋波,我們首先使用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,另外,后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí),電池電壓壓降較大,為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性,必須使用低壓降電源穩(wěn)壓芯片,常用的低壓降串聯(lián)穩(wěn)壓芯片主要有LM2940、LM1117等等。LM2940雖然壓降比LM1117更低,但是紋波電壓較大。相比之下,1117的性能更好一些,具有輸出電壓恒定、壓降較低的優(yōu)點(diǎn),但是其線性調(diào)整工作方式在工作中會(huì)造成較大的熱損失,導(dǎo)致電源利用率不高,工作效率低下。為了提高電源的利用率,我們進(jìn)一步選擇DC

31、/DC電源穩(wěn)壓電路。DC/DC是開關(guān)型穩(wěn)壓電路,它的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)電源的高頻干擾有較強(qiáng)的抑制作用、效率高,輸入電壓的范圍寬,輸出電壓,電流的紋波值較小。DC/DC電源穩(wěn)壓電路原理圖如圖3.4所示:但是DC/DC也存在一些缺點(diǎn),如體積大,成本較高,紋波電壓相對(duì)理論值較大,并且工作壓降要求在1.0V以上,不便于電池電源的使用,因此我們又探索了新的穩(wěn)壓芯片TPS7350。TPS7350是微功耗低壓差線性電源芯片,具有完善的保護(hù)電路,包括過流、過壓、電壓反接保護(hù)。使用這個(gè)芯片只需要極少的外圍元件就能構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。與前兩種穩(wěn)壓器件相比,TPS7350具有更低的工作壓降和更小的靜態(tài)工作電流,可

32、以使電池獲得相對(duì)更長(zhǎng)的使用時(shí)間。由于熱損失小,因此無(wú)需專門考慮散熱問題。 圖3.4 DC-DC穩(wěn)壓電路原理圖TPS7350電源穩(wěn)壓電路原理圖如圖3.5所示: 圖3.5 TPS7350電源穩(wěn)壓電路整個(gè)系統(tǒng)中只有攝像頭采用9V電壓,因?yàn)樽约涸O(shè)計(jì)的可調(diào)的電源穩(wěn)壓電路使用的元器件比較多,在設(shè)計(jì)PCB電路板的時(shí)候會(huì)占用很大的空間,所以我們使用了比較簡(jiǎn)單的辦法,直接用DC-DC為攝像頭供電,電路圖和3.4相同,只是采用的是0509的型號(hào)。輸入電壓相同,輸出電壓不同而已。舵機(jī)的工作電壓為4-6V,在舵機(jī)穩(wěn)定工作的前提下,電壓越高舵機(jī)的響應(yīng)速度越高。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了6V的工作電壓,并保留了電池電壓的接口。6V的

33、電壓采用TPS7350芯片,在接地端串聯(lián)兩個(gè)二極管,使端電壓太高1V。電路圖不再重復(fù)。舵機(jī)的控制信號(hào)(PWM信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片,獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路,產(chǎn)生周期為20ms,寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào),將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較,獲得電壓差輸出。最后,電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí),通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn),使得電壓差為0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖3.6 PWM占空比對(duì)舵機(jī)的控制2.視頻采集電路視頻采集模塊由攝像頭、1881視頻信號(hào)分離芯片以及S12 的AD 模塊構(gòu)成。視頻信號(hào)是AD 采集的基礎(chǔ),下面先簡(jiǎn)要介紹視頻信號(hào)

34、的特征,然后再逐步展開。攝像頭分黑白和彩色兩種,根據(jù)賽道特點(diǎn)可知,為達(dá)到尋線目的,只需提取畫面的灰度信息,而不必提取其色彩信息,所以本設(shè)計(jì)中采用的是黑白攝像頭。攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路構(gòu)成。圖像傳感芯片是其最重要的部分,但該芯片要配以合適的外圍電路才能工作。將芯片和外圍電路制作在一塊電路板上,稱為“單板”。若給單板配上鏡頭、外殼、引線和接頭,就構(gòu)成了通常所見的攝像頭。攝像頭通常有三個(gè)端子:電源端、地端和視頻信號(hào)端(有的還多出一個(gè)端子,那是音頻信號(hào)端。電源接的電壓要視具體的單板而定,目前一般有兩種規(guī)格,6-9V 或9-12V。視頻信號(hào)的電壓一般位于0.5V-2V 之間。攝像頭的工

35、作原理是:按一定的分辨率,以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn),當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí),就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對(duì)應(yīng)的電壓值,然后將此電壓值通過視頻信號(hào)端輸出。具體而言(參見圖3.7,攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行,則輸出就是一段連續(xù)的電壓信號(hào),該電壓信號(hào)的高低起伏反映了該行圖像的灰度變化。當(dāng)掃描完一行,視頻信號(hào)端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號(hào)電壓的電平(如 0.3V,并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于,緊接著每行圖像信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)電壓“凹槽”,此“凹槽”叫做行同步脈沖,它是掃描換行的標(biāo)志。然后,跳過一行后(因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的,開始掃描新的一行,如此下去,直到掃描完該場(chǎng)的視頻信號(hào),接著會(huì)

36、出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱區(qū)。該區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖,其中有個(gè)遠(yuǎn)寬于(即持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于其它的消隱脈沖,稱為場(chǎng)同步脈沖,它是掃描換場(chǎng)的標(biāo)志。場(chǎng)同步脈沖標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來(lái),不過,場(chǎng)消隱區(qū)恰好跨在上一場(chǎng)的結(jié)尾和下一場(chǎng)的開始部分,得等場(chǎng)消隱區(qū)過去,下一場(chǎng)的視頻信號(hào)才真正到來(lái)。攝像頭每秒掃描25幅圖像,每幅又分奇、偶兩場(chǎng),先奇場(chǎng)后偶場(chǎng),故每秒掃描50 場(chǎng)圖像。奇場(chǎng)時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行,偶場(chǎng)時(shí)則只掃描偶數(shù)行。 圖 3.7 攝像頭視頻信號(hào)攝像頭有兩個(gè)重要的指標(biāo):分辨率和有效像素。分辨率實(shí)際上就是每場(chǎng)行同步脈沖數(shù),這是因?yàn)樾型矫}沖數(shù)越多,則對(duì)每場(chǎng)圖像掃描的行數(shù)也越多。事實(shí)上,分辨率反映的是攝像頭的縱向分辨能力。

37、有效像素常寫成兩數(shù)相乘的形式,如“320x240”,其中前一個(gè)數(shù)值表示單行視頻信號(hào)的精細(xì)程度,即行分辨能力;后一個(gè)數(shù)值為分辨率,因而有效像素=行分辨能力×分辨率。我們的智能模型車自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用黑白全電視信號(hào)格式CMOS攝像頭采集賽道信息。攝像頭視頻信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外,還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、場(chǎng)消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。因此,若要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集,就必須通過視頻同步分離電路準(zhǔn)確地把握各種信號(hào)間的邏輯關(guān)系。要能有效地對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采樣,首先要處理好的問題是如何提取出攝像頭信號(hào)中的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖。這里有兩種可行的方

38、法。第一,直接通過單片機(jī)AD 進(jìn)行提取。因?yàn)樾型矫}沖、消隱脈沖或場(chǎng)同步脈沖信號(hào)的電平低于這些脈沖以外攝像頭信號(hào)的電平,所以據(jù)此可設(shè)定一個(gè)信號(hào)電平閾值來(lái)判斷AD 采樣到的信號(hào)是否為上述三類脈沖。第二,就是給單片機(jī)配以合適的外圍芯片,此芯片要能夠提取出攝像頭信號(hào)的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖以供單片機(jī)作控制之用。我們使用了LM1881芯片對(duì)黑白全電視信號(hào)進(jìn)行視頻同步分離,得到行同步、場(chǎng)同步信號(hào)。由 1881及其外圍電路構(gòu)成的攝像頭采樣電路如圖3.8 所示。攝像頭視頻信號(hào)端接1881 的視頻信號(hào)輸入端,同時(shí)也接入S12 的一路AD 轉(zhuǎn)換端口(選用AD0。1881 的行同步信號(hào)端(引腳1接入外部

39、中斷引腳(IRQ,同時(shí)將LM1881 的場(chǎng)同步信號(hào)和奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)輸入到ECT 模塊中(選用PT1,PT2,這樣,既可以采用查詢方式獲取奇偶場(chǎng)信號(hào)跳變,又可以采用脈沖捕捉方式獲取電平變化。通過這樣的接線,為軟件開發(fā)提供了多種選擇的機(jī)會(huì),使程序更加靈活。 圖3.8視頻同步分離電路其中,引腳2 為視頻信號(hào)輸入端,引腳1 為行同步信號(hào)輸出端(如圖3.9中的b。引腳3 為場(chǎng)同步信號(hào)輸出端,當(dāng)攝像頭信號(hào)的場(chǎng)同步脈沖到來(lái)時(shí),該端將變?yōu)榈碗娖?一般維持230us,然后重新變回高電平(如圖3.9中的c。引腳7 為奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)輸出端,當(dāng)攝像頭信號(hào)處于奇場(chǎng)時(shí),該端為高電平,當(dāng)處于偶場(chǎng)時(shí),為低電平。事實(shí)上,不

40、僅可以用場(chǎng)同步信號(hào)作為換場(chǎng)的標(biāo)志,也可以用奇-偶場(chǎng)間的交替作為換場(chǎng)的標(biāo)志。 圖 3.9 LM1881 信號(hào)時(shí)序圖第一代驅(qū)動(dòng)電路采用一片組委會(huì)提供的MC33886 驅(qū)動(dòng)電機(jī)。33886作為一個(gè)單片電路H-橋,是理想的功率分流直流馬達(dá)和雙向推力電磁鐵控制器。它的集成電路包含內(nèi)部邏輯控制,電荷泵,門控驅(qū)動(dòng),及低讀選通(on金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出電路。33886能夠控制連續(xù)感應(yīng)直流負(fù)載上升到5.0 安培,輸出負(fù)載脈寬調(diào)制( PWM-ed的頻率可達(dá)10千赫一個(gè)故障狀態(tài)輸出可以報(bào)告欠壓,短路,過熱的情況。兩路獨(dú)立輸入控制兩個(gè)半橋的推拉輸出電路的輸出,兩個(gè)無(wú)效輸入使H-橋產(chǎn)生三態(tài)輸出(呈現(xiàn)高阻抗

41、。33886制定的參數(shù)范圍是-40°CTA125 °C、5.0VV+28V。集成電路也可以工作在40V通過降低規(guī)定的定額值。集成電路能夠在表面安裝帶散熱裝置的電源組件。特點(diǎn)與MC33186DH1類似的增強(qiáng)特性5.0 v至40 v連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)120 m RDS(ON H橋 MOSFETsTTL/CMOS兼容輸入PWM的頻率可達(dá)10千赫通過內(nèi)部常定時(shí)關(guān)閉對(duì)PWM有源電流限制(依靠降低溫度的閾值 輸出短路保護(hù)欠壓關(guān)閉故障狀況報(bào)告33886簡(jiǎn)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖: 圖3.10 MC33886 芯片內(nèi)部封裝圖芯片的封裝: 圖3.11 MC33886 芯片外部引腳的封裝圖各個(gè)引腳的功能:表 3-1

42、 MC33886 引腳對(duì)應(yīng)功能列表 在調(diào)速過程中發(fā)現(xiàn),芯片內(nèi)通過電流太大,MC33886 發(fā)熱量很大,導(dǎo)致MC33886 的FS 引腳置位,從而使其不工作,反向制動(dòng)后這種情況更為嚴(yán)重。第二代驅(qū)動(dòng)電路改用兩片MC33886 并聯(lián),使用兩片MC33886 將堵轉(zhuǎn)時(shí)通過電流的極限值提升了,這需要在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)采用合理的布線方案,以提高整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性,在設(shè)計(jì)PCB 時(shí)還要為MC33886 添加散熱盤,降低其工作時(shí)的溫度;為增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力,我們?cè)O(shè)計(jì)了第三代驅(qū)動(dòng)電路。第三代電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為一個(gè)由分立元件制作的直流電動(dòng)機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器,其功率元件由四支N溝道功率MOSFET管組成,額定工作電流可以輕

43、易達(dá)到70A以上,相對(duì)與MC33886能提供的最大6A的電流來(lái)說,大大提高了電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動(dòng)器主要由以下部分組成:PWM信號(hào)輸入接口、功率MOSFET管柵極驅(qū)動(dòng)電路、橋式功率驅(qū)動(dòng)電路等。功率MOSFET管的驅(qū)動(dòng)芯片為TD340。由功率MOSFET管搭建的驅(qū)動(dòng)電路原理如下圖: 圖3.12 由MOSFET管構(gòu)成的H型PWM變換器電路直流電機(jī)脈寬調(diào)速通過改變控制電壓的脈沖寬度來(lái)改變加在直流電機(jī)上的平均電樞電壓的大小,從而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖3.12所示為可逆的PWM變換器主電路的H 型結(jié)構(gòu)形式。圖中,4 個(gè)MOSFET管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組,其中Q2L 和Q1H為一組,當(dāng)Q2L接收

44、PWM信號(hào)導(dǎo)通時(shí), Q1H常開;而Q2H和Q1L截止。這時(shí),電機(jī)兩端得到電壓而旋轉(zhuǎn),而且占空比越大,轉(zhuǎn)速越高。由于直流電機(jī)是一個(gè)感性負(fù)載,當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí),電機(jī)中的電流不能立即降到零,所以必須給這個(gè)電流提供一條釋放通路,否則將產(chǎn)生高壓破壞器件。處理這種情況的通常方法是在MOSFET管旁邊并聯(lián)一個(gè)二極管,使電流流過二極管, 最后通過歐姆耗散的方式在二極管中消失。對(duì)于大電流,耗散是重要的排放方法。這里必須使用高速二極管。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)道理相同。TD340 的模擬輸入控制電路如圖3.13所示。 圖3.13 TD340 的模擬輸入控制電路TD340 驅(qū)動(dòng)器芯片是ST微電子公司推出的一種用于直流電機(jī)的控制器件

45、, TD340 芯片是N溝道功率MOS 管驅(qū)動(dòng)器, 適合于直流電機(jī)控制。圖3.14為TD340的輸入電壓與輸出PWM間的特性曲線。該器件內(nèi)集成有可驅(qū)動(dòng)N 溝道高邊功率MOS管的電荷泵和內(nèi)部PWM發(fā)生器, 可進(jìn)行速度和方向控制而且功耗很低,同時(shí)具有過壓( > 20V 、欠壓( < 6. 2V 保護(hù)功能, 以及反向電源有源保護(hù)功能。TD340 內(nèi)含可調(diào)的頻率開關(guān)(025kHz 及待機(jī)模式, 且集成有看門狗和復(fù)位電路。除此之外, TD340芯片還具有H 橋直流電機(jī)部分和微控制器之間的必要接口。直流電機(jī)的速度和方向可由外界輸入給TD340 的信號(hào)來(lái)控制。其中速度由PWM來(lái)控制, 當(dāng)然, 也

46、可以接受外部的PWM 信號(hào)。當(dāng)TD340 的CF 端通過電容接地時(shí),05V的模擬輸入即可產(chǎn)生PWM輸出。實(shí)際上, 當(dāng)CF 端直接接地時(shí), 輸入TD340 的數(shù)字信號(hào)就可直接產(chǎn)生PWM信號(hào)。 圖3.14 TD340的電壓-占空比特性曲線本文所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖3.15所示。該系統(tǒng)由信號(hào)輸入電路、TD340 和H橋電路組成。 TD340 用于構(gòu)成PWM發(fā)生器, 功率放大電路是由4 個(gè)MOSFET管組成的H橋電路。 圖3.15 直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖圖3.16 為本系統(tǒng)中直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖,圖中的MOSFET管采用STP100NE04L。STP100NE04L的優(yōu)點(diǎn)是

47、開關(guān)速度快,通路電阻低和電壓門信號(hào)低,適合于大電流和低電壓運(yùn)行。當(dāng)加上一個(gè)足夠的門信號(hào)電壓時(shí),功率MOSFET的通路電阻小于常規(guī)二極管;而在沒有門信號(hào)電壓的情況下,它具有常規(guī)二極管的反向特性。開關(guān)K用于控制直流電機(jī)M的正反轉(zhuǎn)。開關(guān)向上時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn);開關(guān)向下時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn)?？烧{(diào)電阻R1 用于調(diào)節(jié)TD340 的模擬電壓輸入值,進(jìn)而輸出可調(diào)PWM信號(hào),同時(shí)給MOSFET的門極施加開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)并通過調(diào)節(jié)占空比的大小來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)M的轉(zhuǎn)速。電阻R1R4用于控制MOS門的升降時(shí)間,也有利于避免門電壓的振蕩,門電壓的振蕩通常是與門電容處的連接線的平行電感所引起的。R1R4 的值通常為10100。電容C6 用于

48、存儲(chǔ)能量并對(duì)通過電橋的電壓進(jìn)行濾波。在電壓上升和下降期間,為了保證系統(tǒng)的可靠性,可在兩個(gè)低端MOS 管的門極各接一個(gè)下拉電阻以確保電橋保持關(guān)斷,但高端MOS 管不能接下拉電阻,因?yàn)殡姾杀貌荒転槠涮峁┍匾碾娏鳌?圖3.16 直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖經(jīng)試驗(yàn)證明,由TD340 和H 橋構(gòu)成的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有元件需求少、所占空間小,裝配成本低等優(yōu)點(diǎn)。此電路可靠性高、控制方便, 具有較高的實(shí)用價(jià)值。在選擇攝像頭時(shí),我們參照上屆比賽的經(jīng)驗(yàn)和前兩屆比賽各參賽隊(duì)的攝像頭選擇,對(duì)目前可選的各種攝像頭進(jìn)行了比較和實(shí)驗(yàn)。目前市面上常見的攝像頭主要有CMOS和CCD兩種,上屆比賽我們采用的是CCD攝像頭。C

49、CD攝像頭具有對(duì)比度高、動(dòng)態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn),但需要工作在12V電壓下,對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說過于耗電,且圖像穩(wěn)定性不高; CMOS攝像頭體積小,耗電量小,圖像穩(wěn)定性較高。因此,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證之后我們決定采用CMOS攝像頭。對(duì)于CMOS攝像頭又分?jǐn)?shù)字和模擬兩種。在華北區(qū)預(yù)賽中,我們看到有不少隊(duì)采用了數(shù)字?jǐn)z像頭的方案,本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,我們?cè)陬A(yù)賽之后選用了OV7620進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)數(shù)字?jǐn)z像頭的可行性進(jìn)行論證。實(shí)驗(yàn)之后,得出結(jié)論:數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620可以直接輸出8路數(shù)字圖像信號(hào),使主板硬件電路的簡(jiǎn)化成為可能,且能夠達(dá)到60幀/S的幀速率,但需要對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置,且受環(huán)境影響較大,適應(yīng)性較差。因此,最終

50、我們采用了CMOS模擬圖像傳感器方案。最終采用的SS2000A-2/B-2攝像頭具體參數(shù)如下:攝像頭參數(shù):320線;照度:0.5LUX 0.01LUX;輸出制式:PAL制式標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào);鏡頭及視角:3.6mm 92°供電電壓/消耗功率:9V 20mA;由于我們?cè)跂|北預(yù)賽中考慮到智能車在實(shí)際速度控制中對(duì)反應(yīng)車速的控制信號(hào)波形要求不是太高,因此在滿足比賽要求的基礎(chǔ)上盡量簡(jiǎn)化電路,使用自制的光電編碼器來(lái)測(cè)速。我們使用線切割在直徑為30mm的圓盤周圍加工出20個(gè)細(xì)縫,使用紅外光電對(duì)射管作為采集碼盤脈沖可鑒向的傳感器。速度傳感器實(shí)物圖如圖2.3所示:由于決賽的賽道增加了坡道,而賽車在通過坡道時(shí)

51、由于車體上仰,攝像頭有一定時(shí)間無(wú)法掃描到賽道,這段時(shí)間內(nèi)很難對(duì)舵機(jī)做出正確的控制,因此在高速通過坡道時(shí)很有可能會(huì)出現(xiàn)跌落坡道的危險(xiǎn);同時(shí),如果通過坡道速度過快,賽車會(huì)飛離賽道,當(dāng)賽車再次回到賽道時(shí)產(chǎn)生的劇烈震動(dòng)會(huì)對(duì)賽車狀態(tài)產(chǎn)生極大影響。在第四屆的比賽規(guī)則中又增加了窄賽道和0.5CM的突起提示賽道,綜合以上三方面因素,賽車通過坡道和窄賽道時(shí),應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減速。 圖3.17 模型小車坐標(biāo)系示意圖為了準(zhǔn)確識(shí)別坡道和窄賽道,我們采用了加速度傳感器MMA7620Q。 圖3.18 MMA7260Q引腳圖及推薦電路我們?cè)O(shè)計(jì)的電路圖如下圖所示: 圖3.19 加速度傳感器電路MMA7620 芯片能夠以模擬信號(hào)方式輸

52、出X、Y、Z 三個(gè)方向上的加速度,可通過撥碼開關(guān)選擇合適的量程。在賽車通過坡道和窄賽道時(shí),會(huì)在Z 方向上產(chǎn)生一個(gè)比較明顯的加速度信號(hào),通過檢測(cè)這個(gè)信號(hào)就可以比較準(zhǔn)確地識(shí)別賽道,從而在通過時(shí)適當(dāng)減速,確保賽車能夠安全平穩(wěn)地通過。理想開關(guān)在外部敞勵(lì)作用下瞬時(shí)發(fā)生狀態(tài)改變,導(dǎo)通電阻為零,當(dāng)然,這種開關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中是找不到的。實(shí)際開關(guān)都有一定大小的電阻,通常稱之為接觸電阻,阻值隨時(shí)間、開關(guān)次數(shù)的增加而變大。新的開關(guān),其接觸電阻范用通常為:50m歐姆lOOm歐姆,具體阻值大小與開關(guān)的觸點(diǎn)材料、流過電流大小、環(huán)境條件及使用場(chǎng)合都有關(guān)系一開關(guān)改變開、合狀態(tài)時(shí),都要經(jīng)歷幾個(gè)不穩(wěn)定周期,即“接觸抖動(dòng)”才能進(jìn)入穩(wěn)

53、態(tài)。在開關(guān)閉合瞬間會(huì)產(chǎn)生比穩(wěn)態(tài)時(shí)高出2-9倍的浪涌電流,抖動(dòng)現(xiàn)象在開關(guān)的斷開和閉合過程中都會(huì)出現(xiàn),產(chǎn)生的電弧會(huì)導(dǎo)致接觸磨損,增大接觸電阻,降低可靠性。在按下單片機(jī)復(fù)位開關(guān)時(shí),也會(huì)發(fā)生這種情況。因此為復(fù)位開關(guān)加上一個(gè)去抖動(dòng)電路顯得很有必要。在經(jīng)過反復(fù)比較之后,我們選用了MAXIM公司生產(chǎn)的MAX6816芯片,如下圖所示 圖3.20 去抖動(dòng)電路MAX6816是一個(gè)CMOS開關(guān)去抖芯片,直接與SPST開關(guān)相連,輸入端內(nèi)部集成了63kW 上拉電阻,保證開關(guān)斷開時(shí)提供邏輯高電平輸出信號(hào),節(jié)省了PCB板面積。閉合開關(guān)將使輸出端產(chǎn)生邏輯低電平,直到輸入端穩(wěn)定40ms以上的時(shí)間后,OUT端大的狀態(tài)才改變,消除

54、了開關(guān)抖動(dòng)的影響。由于開關(guān)負(fù)載是內(nèi)部一個(gè)63kW的阻性負(fù)載,保證了開關(guān)使用壽命。而且,有研究結(jié)果表明,因ESD(靜電釋放引起的電子器件或系統(tǒng)失效占總失效的比率大約為10%-30%。物體產(chǎn)生靜電的形式多種多樣,比如,兩個(gè)物體相互摩擦?xí)a(chǎn)生靜電,即通常的摩擦生電。我們所用的賽車在比賽過程中會(huì)因?yàn)檩喬ズ蚄T板的摩擦產(chǎn)生很多的靜電。避免ESD損壞必須考慮環(huán)境因素,例如濕度,濕度大可以減少ESD現(xiàn)象,但不能完全杜絕。如果要從根本上解決問題,必須在電路中采用某種形式的ESD保護(hù)措施,以防止帶靜電的物體直接或間接碰到系統(tǒng)I/O口線。MAX6816允許的輸入信號(hào)電壓范圍高達(dá)±25V,同時(shí)具有

55、7;15KV的ESD保護(hù)能力。它提供的ESD保護(hù)在各種狀態(tài)都發(fā)揮作用,無(wú)論是正常工作期間,還是上電,掉電過程。采用這種把ESD保護(hù)和開關(guān)去抖動(dòng)功能集成一體的器件,能夠大大減小電路板的面積,減少元件數(shù)量,從而提高系統(tǒng)的可靠性,改善系統(tǒng)性能。4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案選擇編寫智能車控制應(yīng)用程序主要有兩種方案具體如下:1 前后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)于基于芯片的開發(fā)來(lái)說,應(yīng)該程序一般為一個(gè)無(wú)限的循環(huán),可稱為前后系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng)。循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作,這部分可以看成后臺(tái)行為。中斷服務(wù)處理異步事件,這部分看成前臺(tái)程序。時(shí)間相關(guān)性很高的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)程序保證。其后臺(tái)系統(tǒng)的有點(diǎn)為

56、不需要額外芯片的ROM/ROM的開銷、CPU負(fù)荷以及內(nèi)核的費(fèi)用,缺點(diǎn)為應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展不容易,增加新的功能比較難。2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序,用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行在RTOS之上的各個(gè)子任務(wù),RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求,進(jìn)行系統(tǒng)管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度及異常處理。RTOS優(yōu)點(diǎn):應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和開發(fā)變得容易,不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能。通過經(jīng)應(yīng)用程序劃分為若干獨(dú)立的任務(wù)模塊,使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為簡(jiǎn)化;而對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。RTOS 的缺點(diǎn):需要額為的ROM/RAM開銷、CPU額外負(fù)荷以及內(nèi)核的費(fèi)用。通過

57、對(duì)兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)的比較,和實(shí)際智能車控制系統(tǒng)的要求選擇了前后臺(tái)系統(tǒng)。這是因?yàn)橹悄苘嚳叵到y(tǒng)相比來(lái)說是一個(gè)比較小的系統(tǒng),且MC9S12芯片資源有限,如用RTOS則需要而外的芯片資源消耗,所以選擇了第一種結(jié)構(gòu)。4.2 軟件主流程本設(shè)計(jì)采用的控制器為飛思卡爾公司的的16位單片機(jī)MC9S12DG128B,軟件開發(fā)軟件開發(fā)工具采用Metrowerks 公司開發(fā)的軟件集成開發(fā)環(huán)境Codewarrior for HCS12,其包括集成環(huán)境IDE、處理器專家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)顯示工具、項(xiàng)目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器,可以完成從源代碼編輯、編譯到調(diào)試的全部工作。開發(fā)語(yǔ)言采用HCS12C語(yǔ)言,語(yǔ)法與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言基本相同,支持多種數(shù)據(jù)類型,中斷服務(wù)程序用中斷函數(shù)形式來(lái)實(shí)現(xiàn),并提供了內(nèi)嵌匯編的功能。本軟件系統(tǒng)主要由初始化模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊與控制決策模塊、速度回路控制模塊、轉(zhuǎn)向控制回路模塊等構(gòu)成,在主程序中對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)用及控制。程序結(jié)構(gòu)清晰、可移植性好。主程序流程圖如圖所示。 4.3 端口分配MC9S12DG128的片上資源十分豐富,對(duì)于本智能車所使用的112pin的DG128而言,它包含16路A/D,8路PWM,8路I