基于飛思卡爾MC9S12X-Sl28單片機(jī)的智能車
合肥工業(yè)大學(xué) 劉偉
摘要： 圍繞MC9S12XSl28單片機(jī)完成全國(guó)智能車大賽小車的硬件電路設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)比較各個(gè)模塊電路的特點(diǎn),，選擇性能較好的方案,。通過硬件二值化電路完成對(duì)CCD攝像頭圖像采集與二值化的處理，節(jié)約了微處理的時(shí)間,。通過比較常用的兩種驅(qū)動(dòng)電路的性能，選擇出適合智能車競(jìng)賽的電路,。實(shí)驗(yàn)表明整個(gè)小車驅(qū)動(dòng)性能良好,，圖像采集快速，行駛穩(wěn)定,。該智能車在智能車大賽中表現(xiàn)良好,。
Abstract：
Key words :
以“飛思卡爾”杯智能車" title="智能車">智能車大賽為研究背景，采用MC9S12XSl28" title="MC9S12XSl28">MC9S12XSl28作為核心處理器,，通過對(duì)比各個(gè)模塊不同設(shè)計(jì)方案的性能,，完成智能車電源、驅(qū)動(dòng),、圖像采集,、測(cè)速等模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過大量的實(shí)驗(yàn)調(diào)試完成了智能車的組裝與機(jī)械部分調(diào)整,，使得智能車結(jié)構(gòu)更為合理,。實(shí)驗(yàn)及實(shí)際比賽表現(xiàn)表明，該智能車硬件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,，性能良好,。
隨著汽車電子業(yè)的迅猛發(fā)展，智能車作為電子計(jì)算機(jī)等最新科技成果與現(xiàn)代汽車工業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物,，因其具有的智能特點(diǎn)而成為研究重點(diǎn),。“飛思卡爾" title="飛思卡爾">飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車比賽在此背景下產(chǎn)生，競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定,。賽車在設(shè)定的賽道上能夠自主行駛,，并以最短的時(shí)間跑完全程者獲勝,。因此，智能車硬件不斷創(chuàng)新以適應(yīng)小車的速度要求,。本文以MC9S12XSl28為核心處理器,，通過實(shí)驗(yàn)比較智能車各個(gè)模塊電路設(shè)計(jì)方案，從而設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定的硬件電路,，經(jīng)大賽實(shí)際檢驗(yàn)性能良好穩(wěn)定,。
1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
1．1 智能車功能設(shè)計(jì)
根據(jù)大賽規(guī)則，智能車應(yīng)具有路徑識(shí)別,、方向控制,、速度控制、狀態(tài)檢測(cè)等功能,，設(shè)計(jì)采用大賽指定的飛思卡爾16位微控制器MC9S12X-Sl28單片機(jī)" title="單片機(jī)">單片機(jī)作為核心控制單元,，利用CCD攝像頭作為識(shí)別路徑的傳感器，經(jīng)MC9S12XSl28 MCU的I／O端口處理,，控制賽車的運(yùn)動(dòng)決策,，同時(shí)內(nèi)部ECT模塊發(fā)出PWM波，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)及舵機(jī)對(duì)智能車進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制,，為了精確控制賽車的速度,，在智能車后軸上安裝光電編碼器，采集車輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào),，經(jīng)MCU捕獲后進(jìn)行PID自動(dòng)控制,，完成智能車速度的閉環(huán)控制。設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的原則：重心盡可能低,、體積盡可能小,、驅(qū)動(dòng)盡可能大、結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單,。
1．2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
智能車的硬件設(shè)計(jì)" title="硬件設(shè)計(jì)">硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),，只有在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可行、穩(wěn)定,、可靠的前提下,，其他控制方案才能得以繼續(xù)。系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)(主控),、 CCD攝像頭(圖像采集),、旋轉(zhuǎn)編碼器(速度檢測(cè))、SD卡(大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)),、無(wú)線抄表(數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)),、直流電機(jī)(速度控制)、舵機(jī)(方向控制),、電源(5 V／6 V／7 V／3．3V／9 V／12 V),、車模,、驅(qū)動(dòng)器MC33886、MOSFET管等組成,。圖1為其整體結(jié)構(gòu)框圖,。
1．3 MC9S12XSl28單片機(jī)簡(jiǎn)介
本設(shè)計(jì)選用飛思卡爾MC9S12XSl28微控制器作為控制單元。該系統(tǒng)板具有MCU核心系統(tǒng),，支持串口調(diào)試下載,，具有擴(kuò)展接口，可進(jìn)行2次開發(fā),，支持 μCOSⅡ,。此開發(fā)板兼容性較高，監(jiān)控程序功能強(qiáng)大,，可提供各種基本的開發(fā)和調(diào)試功能,，如程序的下載和運(yùn)行、斷點(diǎn)設(shè)置,、內(nèi)存顯示等,。還可利用 MC9S12XSl28的Flash在線編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線寫入用戶程序和隨時(shí)修改Flash存儲(chǔ)內(nèi)容。同時(shí)在線實(shí)時(shí)仿真和監(jiān)測(cè)自編程序,。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要分配控制器內(nèi)部單元,，如表l所示。
2 各功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
智能車硬件系統(tǒng)主要包括電源,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、測(cè)速,、舵機(jī),、圖像采集與處理等部分。
2．1 電源模塊設(shè)計(jì)
根據(jù)智能車的設(shè)計(jì)需求,，需提供5 V電源為單片機(jī),、SD卡、測(cè)速模塊,、PCB板上電路,、無(wú)線通訊模塊等供電：6 V電源供給舵機(jī)，CCD攝像頭需12 V的工作電壓,。其中的難點(diǎn)是12 V DC-DC升壓電路,。這里使用MC34063A搭建由7．2 V升壓到12 V的升壓電路。MC34063A是單片雙極型線性集成電路,，專用于直流一直流變換器控制,，內(nèi)置占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān),，可輸出 1．5 A的開關(guān)電流,。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器,，降壓式變換器和電源反向器。圖2為DC-DC升壓電路原理圖,。
2．2 電機(jī)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
影響智能車速度的最關(guān)鍵因素是驅(qū)動(dòng)力,。“驅(qū)動(dòng)力”不僅包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要能為賽車提供強(qiáng)大的動(dòng)力,，同時(shí)自身的功耗要小，能夠保證在長(zhǎng)時(shí)間大電流輸出的情況下不升溫且持續(xù)穩(wěn)定工作,。
根據(jù)PWM調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的性能指標(biāo),。在實(shí)際制作過程中，主要采用以下兩種方案：1)采用MC33886級(jí)聯(lián)組成驅(qū)動(dòng)電路,；2)采用MOSFET搭建H 橋電路,。
考慮到MC33886輸出電流有限，不能提供較為強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力,，因此專門獨(dú)立設(shè)計(jì)采用MOSFET搭建的H橋驅(qū)動(dòng)電路,。網(wǎng)3是直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖。TD340和MOSFET管組成H橋驅(qū)動(dòng)電路,。TD340是N溝道功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)器,。適合于直流電機(jī)控制。
通過實(shí)驗(yàn)比較這兩個(gè)方案設(shè)計(jì)的電路加速,、制動(dòng),、頻繁啟制動(dòng)能力，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電路各有其特點(diǎn),。MC33886級(jí)聯(lián)組成驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電流上升快,，適合起制動(dòng)，但能耗大且穩(wěn)定電流??；而MOSFET管啟制動(dòng)較慢，但驅(qū)動(dòng)電流大,，適合直道行駛,，功耗小?？紤]到能耗問題,，實(shí)際小車設(shè)計(jì)中采用MOSFET管驅(qū)動(dòng)方法。
舵機(jī)用來控制前輪的轉(zhuǎn)向,，配合后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī),，使車體能夠自由行駛。在智能車上，舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角通過連桿傳動(dòng)控制前輪轉(zhuǎn)向,。舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角介于 -45°～+45°之間,，在使用前需先測(cè)出各個(gè)角度所對(duì)應(yīng)的PWM波的占空比。
2．3 測(cè)速模塊設(shè)計(jì)
作為實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車閉環(huán)控制的光電一個(gè)重要環(huán)節(jié),，測(cè)速功能不可缺少,。常用的測(cè)速方法有光電管測(cè)速法和光電編碼器測(cè)速法。
實(shí)踐證明,，光電管檢測(cè)方法成本低廉,，容易實(shí)現(xiàn)。但精度較低,，可靠性較差,，容易受環(huán)境光影響，當(dāng)車速達(dá)到3 m／s時(shí),，檢測(cè)會(huì)發(fā)生問題,。采用光電編碼器成本雖然較高，但精度高,，穩(wěn)定性好,。因此綜合考慮，采用光電編碼器檢測(cè)電機(jī)速度,。
采用OMRON公司生產(chǎn)的E6A2-CSl00型光電編碼器,。它由5～12V的直流供電，速度傳感器通過后輪軸上的齒輪與電機(jī)相連,，車輪每轉(zhuǎn)1圈,，速度傳感器轉(zhuǎn)過2．75圈。
2．4 圖像采集及處理模塊設(shè)計(jì)
針對(duì)智能車比賽的實(shí)際環(huán)境狀況,，常用的圖像數(shù)據(jù)采集方法有：A／D轉(zhuǎn)換采集方法和比較器的硬件二值化方法,。
MC9S12XSl28單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間在不超頻的情況下最短為7μs，若選用分辨率為320線的攝像頭,，則單行視頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間約20 ms／320=62．5μs,，A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)單行視頻信號(hào)采樣的點(diǎn)數(shù)將不超過(62．5／7)+1=9個(gè),。若使用分辨率為640線的攝像頭,，則單行視頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間約20 ms／640=31 μs，A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)單行視頻信號(hào)采樣的點(diǎn)數(shù)將不超過(3l／7)+l=5個(gè),?？梢姡直媛试礁?，單行視頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間就越短,，A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)單行視頻信號(hào)所能采樣的點(diǎn)數(shù)就越少。如前所述，攝像頭的分辨率越高,，雖然可提高縱向分辨能力,，但會(huì)減少單片機(jī)A／D采樣單行信號(hào)的點(diǎn)數(shù)，削弱橫向分辨率,。
攝像頭的分辨率通常在300線以上,，所以單行視頻信號(hào)的持續(xù)時(shí)間最多20 ms／300=66μs，則A／D采樣每行視頻信號(hào)的點(diǎn)數(shù)最多(66／7)+1=10個(gè)(不超頻),，這不滿足賽車定位要求,。所以采用A／D采集圖像時(shí)，攝像頭分辨率不應(yīng)太高,。為保證采集圖像點(diǎn)的準(zhǔn)確性同時(shí)為圖像處理留出更多時(shí)間,，這里采用比較器實(shí)現(xiàn)二值化來代替A／D采樣方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。
圍繞MC9S12XSl28單片機(jī)完成全國(guó)智能車大賽小車的硬件電路設(shè)計(jì),。通過實(shí)驗(yàn)比較各個(gè)模塊電路的特點(diǎn),，選擇性能較好的方案。通過硬件二值化電路完成對(duì)CCD攝像頭圖像采集與二值化的處理,，節(jié)約了微處理的時(shí)間,。通過比較常用的兩種驅(qū)動(dòng)電路的性能，選擇出適合智能車競(jìng)賽的電路,。實(shí)驗(yàn)表明整個(gè)小車驅(qū)動(dòng)性能良好,，圖像采集快速，行駛穩(wěn)定,。該智能車在智能車大賽中表現(xiàn)良好,。
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