基于飛思卡爾單片機(jī)的智能汽車設(shè)計

-.z基于飛思卡爾單片機(jī)的智能汽車設(shè)計摘要本智能車系統(tǒng)設(shè)計以MC9S12DG128B微控制器為核心，通過一個CMOS攝像頭檢測模型車的運(yùn)動位置和運(yùn)動方向，使用LM1881視頻別離芯片對圖像進(jìn)展處理，用光電傳感器檢測模型車的速度并使用PID控制算法調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的方向，完成對模型車運(yùn)動速度和運(yùn)動方向的閉環(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，比照了各種方案的優(yōu)缺點。實驗結(jié)果說明，系統(tǒng)設(shè)計方案可行關(guān)鍵詞：MC9S12DG128，CMOS攝像頭，PIDTheResearchofSmallandMedium-sizedElectricMachinesinFuanAuthor：YaofangTutor：MashuhuaAbstractFujianFuanCityindustryofelectricmotorandelectricalequipmentistheoneofthemostrepresentativephenomenonofindustryclusterinFujianProvincemechanicalindustry.Itsoutputvalueofsmallandmedium-sizedelectricmachinesaccountsfor20%ofthewholeprovince’selectricalequipmentindustry.TheoutputamountofsThispaperlaunchedaresearchonsmallandmedium-sizedelectricmachinesinFuancityfromtwoangles.ThefirstoneinferredthesituationofFuanelectricmachineindustrialclusteraswellastheanalysisofthetemporarye*istedproblems,andthenproposeafewofsuggestionsonthepartoflocalgovernment.ThesecondpartfocusontheimprovementofthepetitivenessofFuanelectricmachineenterprises,throughtheapplicationofMichaelPorter'sFiveForcesModelintothelocalindustryofelectricmachine,consequentlycarriedoutsomestrategieslocalenterprisesshouldtake.KeyWords:smallandmedium-sizedelectricmachines,FiveForcesModel,industrialcluster-.z目錄1緒論11.1智能車競賽背景介紹11.2智能車系統(tǒng)設(shè)計思路及方案分析21.3系統(tǒng)整體設(shè)計構(gòu)造圖32機(jī)械構(gòu)造的調(diào)整與設(shè)計42.1機(jī)械安裝構(gòu)造調(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齒輪傳動機(jī)構(gòu)及后輪差速的調(diào)整73硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)83.1硬件電路設(shè)計方案83.2硬件電路的實現(xiàn)83.2.1以S12為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)83.2.2主板133.2.3電機(jī)驅(qū)動電路183.2.4攝像頭233.2.5速度傳感器243.2.6加速度傳感器243.2.7去抖動電路254軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)284.1軟件系統(tǒng)構(gòu)造方案選擇284.2軟件主流程284.3端口分配294.4底層驅(qū)動程序設(shè)計304.4.1時鐘模塊304.4.2PWM模塊314.4.3外部中斷模塊314.4.4ECT模塊324.4.5AD模塊324.4.6串口模塊334.4.7普通IO模塊334.4.8實時中斷344.5圖像信息處理及道路識別程序設(shè)計344.5.1賽道提取算法354.5.2有一定抗干擾和抗反光能力的黑線提取算法374.5.3道路識別算法394.6起跑線識別程序設(shè)計404.7車體控制程序設(shè)計414.7.1舵機(jī)控制算法424.7.2速度控制算法43結(jié)論44致謝45參考資料46附錄47附錄A47-.z1緒論1.1智能車競賽背景介紹全國大學(xué)生飛思卡爾杯智能車競賽是教育部主辦的面向全國大學(xué)生的五大賽事之一〔另外四個：數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、構(gòu)造設(shè)計〕。智能車競賽是以迅猛開展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機(jī)、機(jī)械等多個學(xué)科穿插的科技創(chuàng)意性比賽。大賽旨在加強(qiáng)大學(xué)生的創(chuàng)新與實踐動手的能力，為社會培養(yǎng)一批優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才。全國大學(xué)生智能汽車競賽已經(jīng)成功舉辦了三屆，比賽規(guī)模不斷擴(kuò)大、比賽成績不斷提高。前三屆比賽決賽分別由清華大學(xué)、**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)生的綜合知識運(yùn)用能力、根本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，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)系實際、求真務(wù)實的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造了條件。全國大學(xué)生智能汽車競賽是在競賽組委會提供的統(tǒng)一汽車模型平臺上，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)計道路識別傳感器和電機(jī)驅(qū)動電路、編寫相應(yīng)軟件及裝配模型車，制作一個能夠自主識別道路的模型汽車，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)和無線市場設(shè)計并制造了眾多的嵌入式半導(dǎo)體產(chǎn)品，擁有多達(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。智能汽車競賽所使用的自動控制器是以單片機(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)動電路，，它能夠自主識別路徑，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)展道路檢測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)展道路檢測則屬于攝像頭組，其余屬于光電組。1.2智能車系統(tǒng)設(shè)計思路及方案分析智能車競賽已成功舉辦了三屆，水平越來越高，每一屆都能有很多創(chuàng)意值得學(xué)習(xí)，也會有一些教訓(xùn)需要吸取。我們對所能找到的資料進(jìn)展了認(rèn)真的分析和總結(jié)，從而確定了我們的設(shè)計思路。首先，采用低重心設(shè)計。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，重心一般都比擬低〔有個別例外〕。因此，盡可能降低重心成為我們設(shè)計智能車過程中始終重點考慮的問題之一。對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，低位安裝來降低重心。第二，提高圖像的分辨率，增強(qiáng)攝像頭及算法對光線的適應(yīng)性。在賽場上，智能車因無法適應(yīng)場地光線，從而無法完成比賽，是一件很可惜的事情。我們從攝像頭的選型到程序的編寫，再到平時的調(diào)試，始終注意了提高智能車道路檢測系統(tǒng)對場地光線的適應(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，另一方面對光線的適應(yīng)性也很好。第三，在算法設(shè)計上，要實現(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括曇簿褪锹窂絻?yōu)化。我們曾經(jīng)做過測試，通過一個小S彎，沿彎道跑的賽車比直沖小S彎的賽車多費(fèi)一倍多的時間。如何實現(xiàn)路徑優(yōu)化，是我們軟件設(shè)計中重點解決的問題之一。最后，減輕車重、調(diào)整車模機(jī)械構(gòu)造、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)計上，我們采用了模塊化的設(shè)計思想。將整個系統(tǒng)分為最小系統(tǒng)板、電源模塊、驅(qū)動模塊、圖像采集模塊等假設(shè)干模塊。每個模塊只負(fù)責(zé)完成特定的功能，與其他模塊之間相對獨(dú)立。這種“分而治之〞的模塊化硬件設(shè)計思想，把復(fù)雜的系統(tǒng)分為假設(shè)干功能模塊，方便了小組內(nèi)進(jìn)展分工設(shè)計。同時，由于進(jìn)展了模塊化劃分，電路規(guī)模也相對變小了，減小了出錯的幾率，增大了成功率。在前期開發(fā)階段，可以對各個模塊進(jìn)展單獨(dú)測試。保持各模塊間接口定義不變，各模塊可以單獨(dú)升級換代，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*一模塊出故障或需要升級，可以馬上替換，不會出現(xiàn)因一點小故障導(dǎo)致調(diào)試工作無法進(jìn)展的問題。這也保證了我們的調(diào)試進(jìn)度。比方：我們針對驅(qū)動模塊、電源模塊在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，對這兩個模塊進(jìn)展了改良；此外，對數(shù)字?jǐn)z像頭模塊也進(jìn)展過改良，提高了圖像的質(zhì)量。這些改動都沒有對我們的調(diào)試進(jìn)度產(chǎn)生大的影響。對于系統(tǒng)軟件的設(shè)計，我們也力圖使軟件模塊化、層次化。在程序中，有一個專門的.h和.c文件負(fù)責(zé)和硬件的接口。如果在調(diào)試中改動了硬件，只需改變這兩個文件中的局部設(shè)置，其他局部程序不需要改動。這樣的設(shè)計方便了我們調(diào)試軟件，提高了代碼的可重用性，也減小了出錯的幾率。1.3系統(tǒng)整體設(shè)計構(gòu)造圖按照預(yù)先的設(shè)計，我們設(shè)計了整個系統(tǒng)的構(gòu)造圖。系統(tǒng)力求簡單高效，在滿足比賽要求的情況下，使硬件構(gòu)造最簡單，減少因硬件而出現(xiàn)的問題。圖1.1智能車系統(tǒng)構(gòu)造圖2機(jī)械構(gòu)造的調(diào)整與設(shè)計為了使車能夠更穩(wěn)定的高速運(yùn)行，我們對這個車進(jìn)展了系統(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*圍內(nèi)改造車模，提高車模整體精度是很必要的。另外，我們在實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，前輪的束角和主銷傾角對車的高速運(yùn)行下的穩(wěn)定性影響很大。高速運(yùn)行下舵機(jī)的轉(zhuǎn)動速度對車轉(zhuǎn)向的靈活程度也起到了根本性的作用。所以，在整車的機(jī)械構(gòu)造方面我們進(jìn)展了三方面改良：轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)改良、前輪束角調(diào)整、底盤高度調(diào)整。2.1機(jī)械安裝構(gòu)造調(diào)整由于在比賽時硬件局部對賽車的速度有很大的影響，所以對賽車的機(jī)械安裝局部的調(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)加長其傳動桿，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前方，以便減少賽車前方的盲區(qū)，對小車的控制十分有利。2.4測速碼盤的安裝圖2.3測速安裝方式在測速方面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候，足以滿足我們的測量要求，具有很高的性價比。2.5前輪傾角的調(diào)整我們在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)：由于前輪軸和車輪之間的間隙較大，對車高速轉(zhuǎn)向時的重心影響較大，會引起高速轉(zhuǎn)向時車的轉(zhuǎn)向缺乏。而且這里又是規(guī)則中嚴(yán)禁改動的局部，所以為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機(jī)負(fù)載，我們對前輪的安裝角度，即前輪定位進(jìn)展了調(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。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回正。角度越大前輪自動回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱。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)后自動恢復(fù)到原來的中間位置上。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騎車轉(zhuǎn)向自動回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時后傾的回正作用大，低速時內(nèi)傾的回正作用大。前輪外傾角對汽車的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向平安性和轉(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外八字角度，這個角度約在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。前輪在滾動時，其慣性力會自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動時的偏斜方向就會抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會減少。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)彎時可以更加穩(wěn)定、快速。我們在前路上增加了組委會提供的兩個黃色墊片，將賽車前端的中心降低了1.5MM。2.7齒輪傳動機(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，由競賽主辦方提供。電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動比為9:38〔電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后輪軸傳動輪齒數(shù)為76〕。齒輪傳動機(jī)構(gòu)對車模的驅(qū)動能力有很大的影響。齒輪傳動局部安裝不恰當(dāng)，會增大電機(jī)驅(qū)動后輪的負(fù)載；齒輪配合間隙過松則容易打壞齒輪，過緊則會增加傳動阻力。所以我們在電機(jī)安裝過程中盡量使得傳動齒輪軸保持平行，傳動局部輕松、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)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機(jī)。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時阻力小的車輪會打滑，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，不會有遲滯或者過轉(zhuǎn)動情況發(fā)生。判斷齒輪傳動是否調(diào)整好的一個依據(jù)是，聽一下電機(jī)帶動后輪空轉(zhuǎn)時的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動中有撞齒現(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，并且不會有碰撞類的雜音。3硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)3.1硬件電路設(shè)計方案從最初進(jìn)展硬件電路設(shè)計時我們就定了系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)：可靠、高效、簡潔，在整個系統(tǒng)設(shè)計過程中嚴(yán)格按照規(guī)*進(jìn)展。可靠性是系統(tǒng)設(shè)計的第一要求，我們對電路設(shè)計的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)展了電磁兼容性設(shè)計，做好各局部的接地、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)工作的可靠性到達(dá)了設(shè)計要求。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方面實現(xiàn)的：1、采用運(yùn)算放大器制作的比擬器實現(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機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動器，該驅(qū)動器的額定工作電流可以輕易到達(dá)100A以上，大大提高了電動機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。簡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，降低車體重心位置，應(yīng)使電路設(shè)計盡量簡潔，盡量減少元器件使用數(shù)量，縮小電路板面積，使電路局部重量輕，易于安裝。我們在對電路進(jìn)展詳細(xì)、徹底地分析后，對電路進(jìn)展了大量簡化，并合理設(shè)計元件排列和電路走線，使本系統(tǒng)硬件電路局部輕量化指標(biāo)都到達(dá)了設(shè)計要求。3.2硬件電路的實現(xiàn)整個智能車控制系統(tǒng)是由三局部組成的：S12為核心的最小系統(tǒng)板、主板、電機(jī)驅(qū)動電路板。最小系統(tǒng)板可以插在主板上組成信號采集、處理和電機(jī)控制單元。為了減小電機(jī)驅(qū)動電路帶來的電磁干擾，我們把控制單元局部和電機(jī)驅(qū)動局部分開，做成了兩塊電路板。以S12為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)板使用MC9S12DG128單片機(jī)，80引腳封裝。MC9S12DG128是Freescale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S12CPU,片內(nèi)總線時鐘頻率最高可25MHz；片內(nèi)資源包括8KBRAM、128KBFLASH、2KBEEPROM;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*圍選擇邏輯始終頻率；它還提供2個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)型捕捉定時器，并支持背景調(diào)試模式〔BDM〕.下面主要介紹S12系列的特點、根本構(gòu)造、引腳功能、操作模式、振蕩電路、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視、實時中斷、復(fù)位電路等。〔1〕S12的核心：-16位S12CPU：20位ALU,指令隊列，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〔BKP〕;-背景調(diào)試模塊〔BDM〕?！?〕CGR時鐘和復(fù)位發(fā)生器：-鎖相環(huán)〔PLL〕；-看門狗〔COPwatchdog〕；-實時中斷〔RTI〕；-時鐘監(jiān)視器〔CM〕?！?〕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)?！?〕存儲器：-128KBFLASH；-2KBEEPROM；-8KBRAM。〔5〕2個8通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器：-10位精度；-外部觸發(fā)轉(zhuǎn)變功能?！?〕3個1Mbps的CAN總線模塊，兼容CAN2.0A/B：-5個承受緩沖器，3個發(fā)送緩沖器；-4個獨(dú)立的中斷通道，分別是發(fā)送中斷、承受中斷、錯誤中斷和喚醒中斷；-低通濾波器喚醒功能?！?〕增強(qiáng)型捕捉定時器：-16位計數(shù)器，7位預(yù)分頻功能；-8個可編程輸入捕捉或輸出比擬通道；-4個8位或2個16位脈沖累加器?！?〕8個PWM通道：-每個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)中心對稱或左對齊輸出；-可編程時鐘選擇邏輯；-緊急事件關(guān)斷輸入；-可作為中斷輸入。〔9〕串行口：-2個異步串行通信接口〔SCI〕；-2個同步串行設(shè)備接口〔SPI〕；-Byteflight模塊。〔10〕I2C總線：-兼容I2C總線標(biāo)準(zhǔn)；-多主I2C總線模塊?！?1〕LQFP-112和QFP-80封裝選擇：-5V輸入和帶驅(qū)動能力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。MC9S12DG128系統(tǒng)構(gòu)造大致可分為MCU核心與MCU外設(shè)兩局部。MCU核心該局部包括MCU的3種存儲器〔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；程序存儲器的頁面模式控制；具有中斷識別、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)展的分時復(fù)用總線端口，其中A口、B口可作為外擴(kuò)存儲器或接口電路時的分時復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線，E口的局部可作為控制總線。MCU外設(shè)S12外設(shè)局部包括：A/D轉(zhuǎn)換器〔ATD0、ATD1〕，增強(qiáng)型定時捕捉模塊〔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)議接口是只針對平安臨界〔SafetyCritical〕應(yīng)用的時間控制協(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)動車輛中的平安臨界應(yīng)用。該系統(tǒng)應(yīng)用在BMW7系列汽車中，主要用于平安氣囊系統(tǒng)中的時間臨界〔TimeCritical〕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，而且在需要實現(xiàn)高實時性、高傳輸速率以及在惡劣的電磁環(huán)境中保證傳輸無故障等領(lǐng)域都大有用武之地。為減少電路板空間，我們設(shè)計的板上僅將本系統(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。其他局部還包括電源濾波電路、時鐘電路、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)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)3.2.2主板主板上裝有組本錢系統(tǒng)的主要電路，它包括如下部件：電源穩(wěn)壓電路、視頻同步別離電路、攝像頭接口、舵機(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動電路、測速接口、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。為整個智能模型車自動控制系統(tǒng)中除后輪驅(qū)動電機(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3.3TPS7333電源穩(wěn)壓電路由于整個系統(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)動電機(jī)工作時，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，但是其線性調(diào)整工作方式在工作中會造成較大的熱損失，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/DC電源穩(wěn)壓電路。DC/DC是開關(guān)型穩(wěn)壓電路，它的優(yōu)點是電路構(gòu)造簡單，對電源的高頻干擾有較強(qiáng)的抑制作用、效率高，輸入電壓的*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，如體積大，本錢較高，紋波電壓相對理論值較大，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，可以使電池獲得相對更長的使用時間。由于熱損失小，因此無需專門考慮散熱問題。圖3.4DC-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3.5TPS7350電源穩(wěn)壓電路整個系統(tǒng)中只有攝像頭采用9V電壓，因為自己設(shè)計的可調(diào)的電源穩(wěn)壓電路使用的元器件比擬多，在設(shè)計PCB電路板的時候會占用很大的空間，所以我們使用了比擬簡單的方法，直接用DC-DC為攝像頭供電，電路圖和3.4一樣，只是采用的是0509的型號。輸入電壓一樣，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。因此我們設(shè)計了6V的工作電壓，并保存了電池電壓的接口。6V的電壓采用TPS7350芯片，在接地端串聯(lián)兩個二極管，使端電壓太高1V。電路圖不再重復(fù)。舵機(jī)的控制信號〔PWM信號〕由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比擬，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停頓轉(zhuǎn)動。圖3.6PWM占空比對舵機(jī)的控制2.視頻采集電路視頻采集模塊由攝像頭、1881視頻信號別離芯片以及S12的AD模塊構(gòu)成。視頻信號是AD采集的根底，下面先簡要介紹視頻信號的特征，然后再逐步展開。攝像頭分黑白和彩色兩種，根據(jù)賽道特點可知，為到達(dá)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局部，但該芯片要配以適宜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〞。假設(shè)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。攝像頭通常有三個端子：電源端、地端和視頻信號端〔有的還多出一個端子，那是音頻信號端〕。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。視頻信號的電壓一般位于0.5V-2V之間。攝像頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點，當(dāng)掃描到*點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。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，該電壓信號的上下起伏反映了該行圖像的灰度變化。當(dāng)掃描完一行，視頻信號端就輸出一個低于最低視頻信號電壓的電平〔如0.3V〕，并保持一段時間。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像信號之后會有一個電壓“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〔因為攝像頭是隔行掃描的〕，開場掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的視頻信號，接著會出現(xiàn)一段場消隱區(qū)。該區(qū)中有假設(shè)干個復(fù)合消隱脈沖，其中有個遠(yuǎn)寬于〔即持續(xù)時間遠(yuǎn)長于〕其它的消隱脈沖，稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標(biāo)志。場同步脈沖標(biāo)志著新的一場的到來，不過，場消隱區(qū)恰好跨在上一場的結(jié)尾和下一場的開場局部，得等場消隱區(qū)過去，下一場的視頻信號才真正到來。攝像頭每秒掃描25幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，故每秒掃描50場圖像。奇場時只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時則只掃描偶數(shù)行。圖3.7攝像頭視頻信號攝像頭有兩個重要的指標(biāo)：分辨率和有效像素。分辨率實際上就是每場行同步脈沖數(shù)，這是因為行同步脈沖數(shù)越多，則對每場圖像掃描的行數(shù)也越多。事實上，分辨率反映的是攝像頭的縱向分辨能力。有效像素常寫成兩數(shù)相乘的形式，如“320*240〞，其中前一個數(shù)值表示單行視頻信號的精細(xì)程度，即行分辨能力；后一個數(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控制系統(tǒng)中使用黑白全電視信號格式CMOS攝像頭采集賽道信息。攝像頭視頻信號中除了包含圖像信號之外，還包括了行同步信號、行消隱信號、場同步信號、場消隱信號以及槽脈沖信號、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。因此，假設(shè)要對視頻信號進(jìn)展采集，就必須通過視頻同步別離電路準(zhǔn)確地把握各種信號間的邏輯關(guān)系。要能有效地對視頻信號進(jìn)展采樣，首先要處理好的問題是如何提取出攝像頭信號中的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖。這里有兩種可行的方法。第一，直接通過單片機(jī)AD進(jìn)展提取。因為行同步脈沖、消隱脈沖或場同步脈沖信號的電平低于這些脈沖以外攝像頭信號的電平，所以據(jù)此可設(shè)定一個信號電平閾值來判斷AD采樣到的信號是否為上述三類脈沖。第二，就是給單片機(jī)配以適宜的外圍芯片，此芯片要能夠提取出攝像頭信號的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖以供單片機(jī)作控制之用。我們使用了LM1881芯片對黑白全電視信號進(jìn)展視頻同步別離，得到行同步、場同步信號。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。攝像頭視頻信號端接1881的視頻信號輸入端，同時也接入S12的一路AD轉(zhuǎn)換端口〔選用AD0〕。1881的行同步信號端〔引腳1〕接入外部中斷引腳〔IRQ〕，同時將LM1881的場同步信號和奇-偶場同步信號輸入到ECT模塊中〔選用PT1，PT2〕，這樣，既可以采用查詢方式獲取奇偶場信號跳變，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)提供了多種選擇的時機(jī)，使程序更加靈活。圖3.8視頻同步別離電路其中，引腳2為視頻信號輸入端，引腳1為行同步信號輸出端〔如圖3.9中的b〕。引腳3為場同步信號輸出端，當(dāng)攝像頭信號的場同步脈沖到來時，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-偶場同步信號輸出端，當(dāng)攝像頭信號處于奇場時，該端為高電平，當(dāng)處于偶場時，為低電平。事實上，不僅可以用場同步信號作為換場的標(biāo)志，也可以用奇-偶場間的交替作為換場的標(biāo)志。圖3.9LM1881信號時序圖3.2.3電機(jī)驅(qū)動電路第一代驅(qū)動電路采用一片組委會提供的MC33886驅(qū)動電機(jī)。33886作為一個單片電路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,及低讀選通(on)金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(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)10千赫一個故障狀態(tài)輸出可以報告欠壓,短路,過熱的情況。兩路獨(dú)立輸入控制兩個半橋的推拉輸出電路的輸出，兩個無效輸入使H-橋產(chǎn)生三態(tài)輸出(呈現(xiàn)高阻抗)。33886制定的參數(shù)*圍是-40°C≤TA≤125°C、5.0V≤V+≤28V。集成電路也可以工作在40V通過降低規(guī)定的定額值。集成電路能夠在外表安裝帶散熱裝置的電源組件。特點?與MC33186DH1類似的增強(qiáng)特性?5.0v至40v連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)?120mΩRDS(ON)H橋MOSFETs?TTL/CMOS兼容輸入?PWM的頻率可達(dá)10千赫?通過內(nèi)部常定時關(guān)閉對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?故障狀況報告33886簡化內(nèi)部構(gòu)造圖:圖3.10MC33886芯片內(nèi)部封裝圖芯片的封裝：圖3.11MC33886芯片外部引腳的封裝圖各個引腳的功能：表3-1MC33886引腳對應(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，反向制動后這種情況更為嚴(yán)重。第二代驅(qū)動電路改用兩片MC33886并聯(lián)，使用兩片MC33886將堵轉(zhuǎn)時通過電流的極限值提升了，這需要在設(shè)計PCB板時采用合理的布線方案，以提高整個驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計PCB時還要為MC33886添加散熱盤，降低其工作時的溫度；為增強(qiáng)驅(qū)動能力，我們設(shè)計了第三代驅(qū)動電路。第三代電機(jī)驅(qū)動板為一個由分立元件制作的直流電動機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動器，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易到達(dá)70A以上，相對與MC33886能提供的最大6A的電流來說，大大提高了電動機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動器主要由以下局部組成：PWM信號輸入接口、功率MOSFET管柵極驅(qū)動電路、橋式功率驅(qū)動電路等。功率MOSFET管的驅(qū)動芯片為TD340。由功率MOSFET管搭建的驅(qū)動電路原理如下列圖：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型構(gòu)造形式。圖中,4個MOSFET管的基極驅(qū)動電壓分為兩組,其中Q2L和Q1H為一組,當(dāng)Q2L接收PWM信號導(dǎo)通時,Q1H常開;而Q2H和Q1L截止。這時,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)是一個感性負(fù)載,當(dāng)MOS關(guān)斷時,電機(jī)中的電流不能立即降到零,所以必須給這個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)時道理一樣。TD340的模擬輸入控制電路如圖3.13所示。圖3.13TD340的模擬輸入控制電路TD340驅(qū)動器芯片是ST微電子公司推出的一種用于直流電機(jī)的控制器件,TD340芯片是N溝道功率MOS管驅(qū)動器,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)展速度和方向控制而且功耗很低,同時具有過壓(>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)(0～25kHz)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)局部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的信號來控制。其中速度由PWM來控制,當(dāng)然,也可以承受外部的PWM信號。當(dāng)TD340的CF端通過電容接地時,0～5V的模擬輸入即可產(chǎn)生PWM輸出。實際上,當(dāng)CF端直接接地時,輸入TD340的數(shù)字信號就可直接產(chǎn)生PWM信號。圖3.14TD340的電壓-占空比特性曲線本文所設(shè)計的直流電機(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)點是開關(guān)速度快,通路電阻低和電壓門信號低,適合于大電流和低電壓運(yùn)行。當(dāng)加上一個足夠的門信號電壓時,功率MOSFET的通路電阻小于常規(guī)二極管；而在沒有門信號電壓的情況下,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,電機(jī)正轉(zhuǎn);開關(guān)向下時,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,同時給MOSFET的門極施加開關(guān)驅(qū)動信號并通過調(diào)節(jié)占空比的大小來調(diào)節(jié)直流電機(jī)M的轉(zhuǎn)速。電阻R1～R4用于控制MOS門的升降時間,也有利于防止門電壓的振蕩,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。R1～R4的值通常為10～100Ω。電容C6用于存儲能量并對通過電橋的電壓進(jìn)展濾波。在電壓上升和下降期間,為了保證系統(tǒng)的可靠性,可在兩個低端MOS管的門極各接一個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,因為電荷泵不能為其提供必要的電流。圖3.16直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖經(jīng)試驗證明，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,裝配本錢低等優(yōu)點。此電路可靠性高、控制方便,具有較高的實用價值。3.2.4攝像頭在選擇攝像頭時，我們參照上屆比賽的經(jīng)歷和前兩屆比賽各參賽隊的攝像頭選擇，對目前可選的各種攝像頭進(jìn)展了比擬和實驗。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。CCD攝像頭具有比照度高、動態(tài)特性好的優(yōu)點，但需要工作在12V電壓下，對于整個系統(tǒng)來說過于耗電，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)過實驗論證之后我們決定采用CMOS攝像頭。對于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，我們在預(yù)賽之后選用了OV7620進(jìn)展實驗，對數(shù)字?jǐn)z像頭的可行性進(jìn)展論證。實驗之后，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，使主板硬件電路的簡化成為可能，且能夠到達(dá)60幀/S的幀速率，但需要對其內(nèi)部存放器進(jìn)展適當(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：0.5LU*0.01LU*；輸出制式：PAL制式標(biāo)準(zhǔn)視頻信號；鏡頭及視角：3.6mm92°；供電電壓/消耗功率：9V20mA；3.2.5速度傳感器由于我們在東北預(yù)賽中考慮到智能車在實際速度控制中對反響車速的控制信號波形要求不是太高，因此在滿足比賽要求的根底上盡量簡化電路，使用自制的光電編碼器來測速。我們使用線切割在直徑為30mm的圓盤周圍加工出20個細(xì)縫，使用紅外光電對射管作為采集碼盤脈沖可鑒向的傳感器。速度傳感器實物圖如圖2.3所示：3.2.6加速度傳感器由于決賽的賽道增加了坡道，而賽車在通過坡道時由于車體上仰，攝像頭有一定時間無法掃描到賽道，這段時間內(nèi)很難對舵機(jī)做出正確的控制，因此在高速通過坡道時很有可能會出現(xiàn)跌落坡道的危險；同時，如果通過坡道速度過快，賽車會飛離賽道，當(dāng)賽車再次回到賽道時產(chǎn)生的劇烈震動會對賽車狀態(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，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)確識別坡道和窄賽道，我們采用了加速度傳感器MMA7620Q。圖3.18MMA7260Q引腳圖及推薦電路我們設(shè)計的電路圖如下列圖所示:圖3.19加速度傳感器電路MMA7620芯片能夠以模擬信號方式輸出*、Y、Z三個方向上的加速度，可通過撥碼開關(guān)選擇適宜的量程。在賽車通過坡道和窄賽道時，會在Z方向上產(chǎn)生一個比擬明顯的加速度信號，通過檢測這個信號就可以比擬準(zhǔn)確地識別賽道，從而在通過時適當(dāng)減速，確保賽車能夠平安平穩(wěn)地通過。3.2.7去抖動電路理想開關(guān)在外部敞勵作用下瞬時發(fā)生狀態(tài)改變，導(dǎo)通電阻為零，當(dāng)然，這種開關(guān)在實際應(yīng)用中是找不到的。實際開關(guān)都有一定大小的電阻，通常稱之為接觸電阻，阻值隨時間、開關(guān)次數(shù)的增加而變大。新的開關(guān)，其接觸電阻*用通常為：50m歐姆～lOOm歐姆，具體阻值大小與開關(guān)的觸點材料、流過電流大小、環(huán)境條件及使用場合都有關(guān)系一開關(guān)改變開、合狀態(tài)時，都要經(jīng)歷幾個不穩(wěn)定周期，即“接觸抖動〞才能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。在開關(guān)閉合瞬間會產(chǎn)生比穩(wěn)態(tài)時高出2-9倍的浪涌電流，抖動現(xiàn)象在開關(guān)的斷開和閉合過程中都會出現(xiàn)，產(chǎn)生的電弧會導(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，也會發(fā)生這種情況。因此為復(fù)位開關(guān)加上一個去抖動電路顯得很有必要。在經(jīng)過反復(fù)比擬之后，我們選用了MA*IM公司生產(chǎn)的MA*6816芯片，如下列圖所示圖3.20去抖動電路MA*6816是一個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)斷開時提供邏輯高電平輸出信號，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以上的時間后，OUT端大的狀態(tài)才改變，消除了開關(guān)抖動的影響。由于開關(guān)負(fù)載是內(nèi)部一個63kW的阻性負(fù)載，保證了開關(guān)使用壽命。而且，有研究結(jié)果說明，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，比方，兩個物體相互摩擦?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因為輪胎和KT板的摩擦產(chǎn)生很多的靜電。防止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*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。MA*6816允許的輸入信號電壓*圍高達(dá)±25V，同時具有±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)計與實現(xiàn)4.1軟件系統(tǒng)構(gòu)造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前后臺系統(tǒng)對于基于芯片的開發(fā)來說，應(yīng)該程序一般為一個無限的循環(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，這局部可以看成后臺行為。中斷效勞處理異步事件，這局部看成前臺程序。時間相關(guān)性很高的關(guān)鍵操作一定是靠中斷效勞程序保證。其后臺系統(tǒng)的有點為不需要額外芯片的ROM/ROM的開銷、CPU負(fù)荷以及內(nèi)核的費(fèi)用，缺點為應(yīng)用程序的設(shè)計和擴(kuò)展不容易，增加新的功能比擬難。2實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)(RTOS)是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行在RTOS之上的各個子任務(wù)，RTOS根據(jù)各個任務(wù)的要求，進(jìn)展系統(tǒng)管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度及異常處理。RTOS優(yōu)點：應(yīng)用程序的設(shè)計和開發(fā)變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能。通過經(jīng)應(yīng)用程序劃分為假設(shè)干獨(dú)立的任務(wù)模塊，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為簡化；而對實時性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的處理。RTOS的缺點：需要額為的ROM/RAM開銷、CPU額外負(fù)荷以及內(nèi)核的費(fèi)用。通過對兩種系統(tǒng)構(gòu)造的優(yōu)缺點的比擬，和實際智能車控制系統(tǒng)的要求選擇了前后臺系統(tǒng)。這是因為智能車控系統(tǒng)相比來說是一個比擬小的系統(tǒng)，且ＭＣ９Ｓ１２芯片資源有限，如用ＲＴＯＳ則需要而外的芯片資源消耗，所以選擇了第一種構(gòu)造。4.2軟件主流程本設(shè)計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CodewarriorforHCS12，其包括集成環(huán)境IDE、處理器專家?guī)臁⑷酒抡?、可視化參?shù)顯示工具、工程工程管理器、C穿插編譯器、匯編器、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)語言采用HCS12C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，在主程序中對各個模塊進(jìn)展調(diào)用及控制。程序構(gòu)造清晰、可移植性好。主程序流程圖如下圖。4.3端口分配MC9S12DG128的片上資源十分豐富，對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IC/OC,以及豐富的接口協(xié)議，如IIC、SPI、CAN等。在該智能車系統(tǒng)的設(shè)計中，所使用的單片機(jī)口線分配如表1下:表1端口分配MC9S12DB128端口Input/Output作用PAD00Input視頻輸入信號/*IRQInput場同步信號PT0Input行同步信號PT1Input速度信號PWM23Output舵機(jī)控制PWM01Output驅(qū)動電機(jī)PWM67Output剎車T*D0Output串口輸出R*D0Input串口輸入PORTBOutput光電管顯示PBInput參數(shù)設(shè)置4.4底層驅(qū)動程序設(shè)計在整個系統(tǒng)設(shè)計中，用到了8個單片機(jī)根本功能模塊：時鐘模塊、PWM輸出模塊、外部中斷模塊、實時中斷模塊、ECT模塊、AD模塊、串口通信模塊以及普通IO模塊。據(jù)系統(tǒng)實際需求，對各個模塊進(jìn)展了初始化配置，通過對相應(yīng)數(shù)據(jù)存放器或狀態(tài)存放器的讀寫，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。4.4.1時鐘模塊S12單片機(jī)中有四個不同的時鐘，即外部晶振時鐘、鎖相環(huán)時鐘、總線時鐘和內(nèi)核時鐘。當(dāng)前電路板采用的是16MHz的外部晶振，因此外部晶振時鐘為16MHz；默認(rèn)設(shè)置下，鎖相環(huán)時鐘為32MHz，總線時鐘為8MHz，內(nèi)核時鐘為16MHz。鎖相環(huán)時鐘與外部晶振時鐘的倍、分頻關(guān)系由SYNR、REFDV兩存放器決定?？偩€時鐘用作片上外圍設(shè)備的同步，而內(nèi)核時鐘則用作CPU的同步，它決定了指令執(zhí)行的速度。由于采用攝像頭作為主要的尋線傳感器，為了提高AD采集性能，增加在一行視頻信號的時間內(nèi)的采樣點數(shù)，我們對單片機(jī)進(jìn)展了超頻。最終，超頻后的總線時鐘為32MHz，具體設(shè)置過程為：SYNR=7;REFDV=3;while(!(CRGFLG&0*08)){}CLKSEL_PLLSEL=1;4.4.2PWM模塊脈寬調(diào)制模塊有8路獨(dú)立的可設(shè)置周期和占空比的8位PWM通道，每個通道配有專門的計數(shù)器。該模塊有4個時鐘源，能分別控制8路信號。通過配置存放器可設(shè)置PWM的使能與否、每個通道的工作脈沖極性、每個通道輸出的對齊方式、時鐘源以及使用方式。為了提高控制精度，我們將8位通道合并為一個16位道來控制舵機(jī)和電機(jī)，這樣可使控制精度從1/255提高到1/65536。PWM模塊的初始化設(shè)置過程為PWME=0*00;PWMCLK=0b00001000;//bbaabbaa4:sa3sb0:SA,2:SBPWMPRCLK=0*00; //時鐘源A=BusClock/0=32MHZ，時鐘源B=BusClock/0=32MPWMSCLA=10;//SA=A/2/10=400KHZPWMSCLB=16;//Sb=B/2/10=1600KHZPWMCAE=0*00;//輸出左對齊PWMPOL=0b10101010; //.7正極性輸出PWMCTL=0B11110000;PWMPER01=4000;//a/4000=8kPWMDTY01=0;PWMPER67=4000;//b/4000=8kPWMDTY67=0;PWMPER23=20000; //SA/4000=100HZ10MSPWMDTY23=1415;PWME=0B10101010;///ENABLE1,3,57CHANNEL外部中斷模塊視頻信息的場同步信號相對其他信號來說優(yōu)先級最高，所以通過IRQ外部中斷引腳接入。在初始化程序中對外部中斷的捕捉邊沿，并開啟外部中斷INTCR_IRQE=1;//IRQselectedgesensitiveonlyINTCR_IRQEN=1;//e*ternalIRQenable4.4.4ECT模塊ECT模塊能實現(xiàn)輸入捕捉和輸出波形產(chǎn)生兩大功能，首先，本系統(tǒng)采用ECT的輸入捕捉功能捕捉行同步脈沖，完成數(shù)據(jù)點的采集。其初始化程序如下：TIE_C1I=0;//channel0interruptDISableTIOS_IOS1=0;//channel0inputcaptureTCTL4_EDG1A=1;TCTL4_EDG1B=0;其次，是對速度脈沖信號的采集，通過計算兩個脈沖之間的時間和測速齒輪的齒數(shù)就可以計算出智能車的速度。其初始化程序如下：TIOS_IOS0=0;///0;INTPUT1;OUTPUTTSCR2_TCRE=0;TCTL4_EDG0B=0;TCTL4_EDG0A=1;TSCR1_TFFCA=0;TSCR2_TOI=1;TSCR2_PR=5;//32/32=1M;ICOVW_NOVW0=1;TIE_C0I=1;//ENABLEINPUTCAPTUREINTERRUPTTSCR1_TEN=1;4.4.5AD模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊有8路通道，精度可設(shè)置為8位或10位。另外單次轉(zhuǎn)換時間、轉(zhuǎn)換結(jié)果類型、轉(zhuǎn)換完成是否產(chǎn)生中斷、轉(zhuǎn)換序列長度等都是可以自行設(shè)置的。本次設(shè)計中需要采集的模擬量信號為攝像頭視頻信號，通過ATD0的第0位進(jìn)展采集，其初始化程序如下：ATD0CTL2_ADPU=1;//ENABLEATDPOWERATD0CTL2_AFFC=1;//FASTCLEARFLAGALLATD0CTL2_ASCIE=1;ATD0CTL3_S1C=1; //ConversionSequenceLengthATD0CTL3_S4C=0;ATD0CTL3_S2C=0;ATD0CTL3_S8C=0;//ATD0CTL3=ATD0CTL3_S1C_MASK;//每個序列2次轉(zhuǎn)換,NoFIFO,Freeze模式下繼續(xù)轉(zhuǎn)換ATD0CTL4_SRES8=1;ATD0CTL4_PRS=0;ATD0CTL5_DJM=1;//8位精度,1個時鐘+4A/D時鐘周期,ATDClock=[BusClock*0.5]/[PRS+1];PRS=5,divider=12//AD時鐘10M ATDclock=[BusClock]/[PRS+1]*0.5ATD0CTL5_CC=0;ATD0CTL5_CA=0;ATD0CTL5_CB=0;ATD0DIEN=0*00;//制止數(shù)字輸入4.4.6串口模塊串口通信模塊設(shè)有兩個串行通信接口SCI1和SCI0，均為TTL電平輸出。使用時，可以對波特率、數(shù)據(jù)格式〔8位或9位〕、發(fā)送輸出極性、接收喚醒方式等進(jìn)展選擇。另外，發(fā)送和接收可分開使能，模塊中還提供了多種防止傳輸錯誤的選項。在本次設(shè)計，我們利用其中一個串口SCI0，通過采用無線串口裝置搭建了調(diào)試平臺，其具體設(shè)置如下：SCI0BD=208;//SCIbaudrate=SCImoduleclock/(16*BR)SCI0CR1=0*00;//normaloperation,8-bitdata,noparitySCI0CR2=0*0C;//enabletransmitter,enablereceiver4.4.7普通IO模塊S12的所有IO通過端口復(fù)用，可以實現(xiàn)諸多功能，當(dāng)然它們也可以配置成普通IO。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，普通IO的用途主要有：1、撥碼開關(guān)2、按鍵3、裝飾燈4.4.8實時中斷本系統(tǒng)通過實時中斷產(chǎn)生了一個4.096ms控制周期，對速度進(jìn)展控制。實時中斷的初始化程序如下：RTICTL=0*58;//4.096msCRGINT_RTIE=1;4.5圖像信息處理及道路識別程序設(shè)計由于圖像的格式是PAL制式，對于該制式的圖像，即將一幅圖像畫面分成兩場來掃描，第一場(奇數(shù)場)掃描1,3,5等奇數(shù)行，第二場(偶數(shù)場)掃描2,4,6等偶數(shù)行。兩場合起來才構(gòu)成一幅完整的圖像(稱為一幀)。這樣，每秒鐘內(nèi)光的重復(fù)次數(shù)是50次，可以消除人眼的不適，而實際顯示的畫面只有25幅，即電視掃描的場頻為50Hz，而幀頻為25Hz,PAL制式電視信號有625行的分辨率。但是由于S12單片機(jī)A/D采樣頻率的限制，每行圖像最多只能采集到8個點，還要預(yù)留局部時間給單片機(jī)做圖像信息的處理和控制算法的加載，再綜合路徑識別時對圖像信息精度的要求，最后我們采用的是單場數(shù)據(jù)的隔行采集，分辨率為40*40。在大量的測試過程中發(fā)現(xiàn)，這樣的分辨率也足以滿足控制的需求。其算法流程如下圖4.5.1賽道提取算法賽道上的黑線相對于真?zhèn)€賽道較窄且賽道和引導(dǎo)線顏色比照鮮明，可以采二值化或邊沿檢測法對賽道上的引導(dǎo)線進(jìn)展提取。1．二值化方法要對賽道進(jìn)展提取首先要先對圖像進(jìn)展二值化，二值化的方法有很多種，表對幾種常用的方法進(jìn)展了比照。表二值化方法分析速度適合情況類別雙峰法較快圖像需要光照均勻，有兩座明顯的雙峰全局二值化灰度平均法快圖像需要光照均勻全局二值化OSTU法較慢圖像需要光照均勻全局二值化NiBlack法非常慢圖像質(zhì)量要求相對較低局部二值化通過表的分析結(jié)合智能車視頻圖像特點，選用雙峰發(fā)對圖像進(jìn)展分割。通過雙峰法計算出閾值，對賽道圖像進(jìn)展分割，閾值計算程序如下：if(i>20)return((uchar)((ma*2+min2)/2-(uchar)(Thresholdkp1*(ma*2-min2)/100)));elsereturn((uchar)((ma*2+min2)/2-(uchar)(Thresholdkp2*(ma*2-min2)/100)));2．邊沿檢測算法由于賽道是在白色底板上鋪設(shè)黑色引導(dǎo)線，因此干擾比擬小，黑線提取較為容易。因此可以使用圖像處理算法中較為簡單的邊界提取算法。由于黑色和白色底板之間的色差較大，直接放映在圖像數(shù)據(jù)中就是數(shù)據(jù)差值大于一個閾值，此閾值可以經(jīng)過試驗確定。該算法的流程為：1從最左端的第一個有效數(shù)據(jù)點開場一次向右進(jìn)展閾值判斷，由于實際黑白賽道邊沿可能會有模糊化，導(dǎo)致閾值并不是簡單的介于相鄰的兩個點之間。找到閾值點記為start。2從strat開場尋找第二個跳變點，記為end，則黑線中心位置為start＋end/2.考慮的算法的可靠和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用了閾值分割、邊沿檢測和黑線搜索相結(jié)合的方法提取黑線。4.5.2有一定抗干擾和抗反光能力的黑線提取算法(1)原始圖像特點：在單片機(jī)采集出圖像信號后需要對其進(jìn)展處理以提取賽道信息，同時，由于雜點、穿插線、起始線的影響、光線、賽道連接處以及賽道以外圖像的干擾，圖像的效果會大打折扣，因此，在軟件上必須排除干擾因素，對有效賽道進(jìn)展識別，并提供盡可能多的信息供決策使用。我們在圖像信號處理中提取的賽道信息主要包括：〔1〕賽道中心位置〔2〕賽道寬度〔3〕賽道曲率〔4〕賽道變化幅度〔6〕賽道形式判別由于攝像頭自身特性，圖像會產(chǎn)生梯形式變形，這使得攝像頭看到的的信息不真實。所以我們利用賽道進(jìn)展測量，創(chuàng)立函數(shù)復(fù)原出了真實賽道信息原始圖像是一個將模擬圖像經(jīng)模擬電路轉(zhuǎn)換得到的二位數(shù)據(jù)矩陣，矩陣的每一個元素對應(yīng)一個像素點的閾值，圖像的第一行對應(yīng)最遠(yuǎn)處，大約150cm圖像的最底部一行對應(yīng)最近處，大約20cm。遠(yuǎn)處的圖像小，近處的圖像大，黑線為梯形狀。預(yù)賽之后在調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)，視場底部距離車體最前部越遠(yuǎn)，在通過半徑較小的270°彎道時越容易喪失黑線，在這種情況下，對十字穿插道的處理變得比擬困難。針對這個問題，隊員們討論之后，決定將攝像頭后置于電機(jī)前方附近，即將整個視場向后平移，使視場底部到車體最前部的距離在3~5cm之間。采用這個方案之后，賽車在通過小半徑彎道時根本上不會喪失黑線，在這個根底上我們就比擬好的解決了賽車通過十字穿插道容易出錯的問題。(2)黑線提取算法的根本思想：a)直接利用原始圖像逐行掃描，根據(jù)設(shè)定的閾值提取黑白跳變點；b)黑線寬度有一個*圍，在確定的黑線寬度*圍內(nèi)提取有效黑塊，這樣可以濾除不在寬度*圍內(nèi)的黑點干擾；c)利用黑線的連續(xù)性，根據(jù)上一行黑線中心的位置來確定本行求出的黑線中心是否有效；d)圖像是遠(yuǎn)處小近處大，所以黑線寬度*圍和前后行黑線中心的位置差異都要動態(tài)調(diào)整；e)求黑線中心時，因為近處的黑線穩(wěn)定，遠(yuǎn)處黑線不穩(wěn)定，所以采用由近及遠(yuǎn)的方法；f)圖像數(shù)據(jù)量大，全部掃描一遍會浪費(fèi)很多時間，利用前面已經(jīng)求出的黑線中心位置判斷出黑線的趨勢，從而推斷出下一行的黑線大概位置，確定出掃描*圍，防止整行逐點掃描，節(jié)約時間；g)提取出整場所有有效行的黑線中心后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的權(quán)重計算出黑線中心的加權(quán)平均，作為本場的黑線中心?！?〕賽車路徑的選擇根據(jù)第二屆比賽以及本屆華北區(qū)預(yù)賽的獲得的經(jīng)歷，賽車能否以最少的時間完成比賽，與賽車的速度和路徑都有著密切關(guān)系，因此，如何能夠使賽車以一個最合理、最高效的路徑完成比賽是提高平均速度的關(guān)鍵。對于賽車路徑的優(yōu)化，我們從兩方面來完成：1、增加視場的長度和寬度根據(jù)我們的分析，當(dāng)賽車采集到的圖像能夠覆蓋一個比擬完整的S彎道時，通過加權(quán)算法計算出來的黑線中心就會處于視場中央附近，此時賽車會以一個比擬好的路徑快速通過S彎道；相反，如果視場無法覆蓋一個完整的S彎道，賽車就會誤處理為普通的單向彎道，這樣賽車的速度就會大大減慢。因此，盡量增大視場的長度和寬度就很有必要了。視場的長度與單片機(jī)可以處理的圖像行數(shù)成正比。華北預(yù)賽中，我們采用的是外部AD方案，單場采集后進(jìn)展處理，由于AD轉(zhuǎn)換消耗時間較長，采集之后剩下的處理時間限制了單片機(jī)能夠處理的行數(shù)，因此預(yù)賽中的方案處理的行數(shù)過少。預(yù)賽之后，我們采用由運(yùn)算放大器制作的模擬比擬器進(jìn)展圖像二值化處理，處理速度較AD轉(zhuǎn)換有了很大提高，大大增加了單片機(jī)處理的圖像行數(shù)，最終處理行數(shù)為95行〔每隔3行處理一次〕，到達(dá)的視場長度為150cm。為了增加視場寬度，增加每行采集的圖像