基于MC9S12XSl28微控制器的智能車硬件設(shè)計

摘要：以“飛思卡爾”杯智能車大賽為研究背景，采用MC9S12XSl28作為核心處理器，通過對比各個模塊不同設(shè)計方案的性能，完成智能車電源、驅(qū)動、圖像采集、測速等模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。通過大量的實驗調(diào)試完成了智能車的組裝與機械部分調(diào)整，使得智能車結(jié)構(gòu)更為合理。實驗及實際比賽表現(xiàn)表明，該智能車硬件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能良好。
關(guān)鍵詞：電源設(shè)計；電機驅(qū)動；圖像采集；二值化電路；MC9S12XSl28

    隨著汽車電子業(yè)的迅猛發(fā)展，智能車作為電子計算機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而成為研究重點?！帮w思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車比賽在此背景下產(chǎn)生，競賽規(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，通過實驗比較智能車各個模塊電路設(shè)計方案，從而設(shè)計出性能穩(wěn)定的硬件電路，經(jīng)大賽實際檢驗性能良好穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計
1．1 智能車功能設(shè)計
    根據(jù)大賽規(guī)則，智能車應(yīng)具有路徑識別、方向控制、速度控制、狀態(tài)檢測等功能，設(shè)計采用大賽指定的飛思卡爾16位微控制器MC9S12X-Sl28單片機作為核心控制單元，利用CCD攝像頭作為識別路徑的傳感器，經(jīng)MC9S12XSl28 MCU的I／O端口處理，控制賽車的運動決策，同時內(nèi)部ECT模塊發(fā)出PWM波，驅(qū)動直流電機及舵機對智能車進行速度控制和轉(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，經(jīng)MCU捕獲后進行PID自動控制，完成智能車速度的閉環(huán)控制。設(shè)計中應(yīng)注意的原則：重心盡可能低、體積盡可能小、驅(qū)動盡可能大、結(jié)構(gòu)盡可能簡單。
1．2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    智能車的硬件設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，只有在系統(tǒng)硬件設(shè)計可行、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(主控)、CCD攝像頭(圖像采集)、旋轉(zhuǎn)編碼器(速度檢測)、SD卡(大量數(shù)據(jù)存儲)、無線抄表(數(shù)據(jù)的無線收發(fā))、直流電機(速度控制)、舵機(方向控制)、電源(5 V／6 V／7 V／3．3V／9 V／12 V)、車模、驅(qū)動器MC33886、MOSFET管等組成。圖1為其整體結(jié)構(gòu)框圖。

1．3 MC9S12XSl28單片機簡介
    本設(shè)計選用飛思卡爾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，具有擴展接口，可進行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，如程序的下載和運行、斷點設(shè)置、內(nèi)存顯示等。還可利用MC9S12XSl28的Flash在線編程技術(shù)實現(xiàn)在線寫入用戶程序和隨時修改Flash存儲內(nèi)容。同時在線實時仿真和監(jiān)測自編程序。根據(jù)實際設(shè)計需要分配控制器內(nèi)部單元，如表l所示。

2 各功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
    智能車硬件系統(tǒng)主要包括電源、電機驅(qū)動、測速、舵機、圖像采集與處理等部分。
2．1 電源模塊設(shè)計
    根據(jù)智能車的設(shè)計需求，需提供5 V電源為單片機、SD卡、測速模塊、PCB板上電路、無線通訊模塊等供電：6 V電源供給舵機，CCD攝像頭需12 V的工作電壓。其中的難點是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 電機及舵機驅(qū)動模塊設(shè)計
    影響智能車速度的最關(guān)鍵因素是驅(qū)動力?！膀?qū)動力”不僅包括驅(qū)動電機，還包括電機驅(qū)動電路。電機驅(qū)動電路要能為賽車提供強大的動力，同時自身的功耗要小，能夠保證在長時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)速電機驅(qū)動電路的性能指標(biāo)。在實際制作過程中，主要采用以下兩種方案：1)采用MC33886級聯(lián)組成驅(qū)動電路；2)采用MOSFET搭建H橋電路。
    考慮到MC33886輸出電流有限，不能提供較為強勁的驅(qū)動力，因此專門獨立設(shè)計采用MOSFET搭建的H橋驅(qū)動電路。網(wǎng)3是直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖。TD340和MOSFET管組成H橋驅(qū)動電路。TD340是N溝道功率MOSFET管驅(qū)動器。適合于直流電機控制。

    通過實驗比較這兩個方案設(shè)計的電路加速、制動、頻繁啟制動能力，發(fā)現(xiàn)兩個電路各有其特點。MC33886級聯(lián)組成驅(qū)動電路驅(qū)動電流上升快，適合起制動，但能耗大且穩(wěn)定電流小；而MOSFET管啟制動較慢，但驅(qū)動電流大，適合直道行駛，功耗小?？紤]到能耗問題，實際小車設(shè)計中采用MOSFET管驅(qū)動方法。
    舵機用來控制前輪的轉(zhuǎn)向，配合后輪的驅(qū)動電機，使車體能夠自由行駛。在智能車上，舵機的輸出轉(zhuǎn)角通過連桿傳動控制前輪轉(zhuǎn)向。舵機的輸出轉(zhuǎn)角介于-45°～+45°之間，在使用前需先測出各個角度所對應(yīng)的PWM波的占空比。
2．3 測速模塊設(shè)計
    作為實現(xiàn)對智能車閉環(huán)控制的光電一個重要環(huán)節(jié)，測速功能不可缺少。常用的測速方法有光電管測速法和光電編碼器測速法。
    實踐證明，光電管檢測方法成本低廉，容易實現(xiàn)。但精度較低，可靠性較差，容易受環(huán)境光影響，當(dāng)車速達到3 m／s時，檢測會發(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電機速度。
    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
    針對智能車比賽的實際環(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單片機的A／D轉(zhuǎn)換時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，則單行視頻信號持續(xù)的時間約20 ms／320=62．5μs，A／D轉(zhuǎn)換器對單行視頻信號采樣的點數(shù)將不超過(62．5／7)+1=9個。若使用分辨率為640線的攝像頭，則單行視頻信號持續(xù)的時間約20 ms／640=31 μs，A／D轉(zhuǎn)換器對單行視頻信號采樣的點數(shù)將不超過(3l／7)+l=5個?？梢?，分辨率越高，單行視頻信號持續(xù)的時間就越短，A／D轉(zhuǎn)換器對單行視頻信號所能采樣的點數(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，但會減少單片機A／D采樣單行信號的點數(shù)，削弱橫向分辨率。
    攝像頭的分辨率通常在300線以上，所以單行視頻信號的持續(xù)時間最多20 ms／300=66μs，則A／D采樣每行視頻信號的點數(shù)最多(66／7)+1=10個(不超頻)，這不滿足賽車定位要求。所以采用A／D采集圖像時，攝像頭分辨率不應(yīng)太高。為保證采集圖像點的準(zhǔn)確性同時為圖像處理留出更多時間，這里采用比較器實現(xiàn)二值化來代替A／D采樣方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

3 結(jié)論
    圍繞MC9S12XSl28單片機完成全國智能車大賽小車的硬件電路設(shè)計。通過實驗比較各個模塊電路的特點，選擇性能較好的方案。通過硬件二值化電路完成對CCD攝像頭圖像采集與二值化的處理，節(jié)約了微處理的時間。通過比較常用的兩種驅(qū)動電路的性能，選擇出適合智能車競賽的電路。實驗表明整個小車驅(qū)動性能良好，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。