基于MC9S12XSl28微控制器的智能車(chē)硬件設(shè)計(jì)

摘要：以“飛思卡爾”杯智能車(chē)大賽為研究背景，采用MC9S12XSl28作為核心處理器，通過(guò)對(duì)比各個(gè)模塊不同設(shè)計(jì)方案的性能，完成智能車(chē)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(guò)大量的實(shí)驗(yàn)調(diào)試完成了智能車(chē)的組裝與機(jī)械部分調(diào)整，使得智能車(chē)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(chē)硬件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能良好。
關(guān)鍵詞：電源設(shè)計(jì)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；圖像采集；二值化電路；MC9S12XSl28

    隨著汽車(chē)電子業(yè)的迅猛發(fā)展，智能車(chē)作為電子計(jì)算機(jī)等最新科技成果與現(xiàn)代汽車(chē)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”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)比賽在此背景下產(chǎn)生，競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定。賽車(chē)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(chē)硬件不斷創(chuàng)新以適應(yīng)小車(chē)的速度要求。本文以MC9S12XSl28為核心處理器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較智能車(chē)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(chē)功能設(shè)計(jì)
    根據(jù)大賽規(guī)則，智能車(chē)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)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(chē)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(chē)進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，為了精確控制賽車(chē)的速度，在智能車(chē)后軸上安裝光電編碼器，采集車(chē)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(chē)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(chē)的硬件設(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(xiàn)抄表(數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)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(chē)模、驅(qū)動(dòng)器MC33886、MOSFET管等組成。圖1為其整體結(jié)構(gòu)框圖。

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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(kāi)發(fā)，支持μCOSⅡ。此開(kāi)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(kāi)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(xiàn)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)寫(xiě)入用戶(hù)程序和隨時(shí)修改Flash存儲(chǔ)內(nèi)容。同時(shí)在線(xiàn)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(chē)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(chē)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(xiàn)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(xiàn)性集成電路，專(zhuān)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(kāi)關(guān)，可輸出1．5 A的開(kāi)關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開(kāi)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(chē)速度的最關(guān)鍵因素是驅(qū)動(dòng)力?！膀?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(chē)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(guò)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。[!--empirenews.page--]
    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(zhuān)門(mén)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(guò)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?。欢鳰OSFET管啟制動(dòng)較慢，但驅(qū)動(dòng)電流大，適合直道行駛，功耗小。考慮到能耗問(wèn)題，實(shí)際小車(chē)設(shè)計(jì)中采用MOSFET管驅(qū)動(dòng)方法。
    舵機(jī)用來(lái)控制前輪的轉(zhuǎn)向，配合后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使車(chē)體能夠自由行駛。在智能車(chē)上，舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角通過(guò)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(chē)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(chē)速達(dá)到3 m／s時(shí)，檢測(cè)會(huì)發(fā)生問(wèn)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(guò)后輪軸上的齒輪與電機(jī)相連，車(chē)輪每轉(zhuǎn)1圈，速度傳感器轉(zhuǎn)過(guò)2．75圈。
2．4 圖像采集及處理模塊設(shè)計(jì)
    針對(duì)智能車(chē)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(xiàn)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(guò)(62．5／7)+1=9個(gè)。若使用分辨率為640線(xiàn)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(guò)(3l／7)+l=5個(gè)。可見(jiàn)，分辨率越高，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(xiàn)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(mǎn)足賽車(chē)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(lái)代替A／D采樣方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

3 結(jié)論
    圍繞MC9S12XSl28單片機(jī)完成全國(guó)智能車(chē)大賽小車(chē)的硬件電路設(shè)計(jì)。通過(guò)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(guò)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(guò)比較常用的兩種驅(qū)動(dòng)電路的性能，選擇出適合智能車(chē)競(jìng)賽的電路。實(shí)驗(yàn)表明整個(gè)小車(chē)驅(qū)動(dòng)性能良好，圖像采集快速，行駛穩(wěn)定。該智能車(chē)在智能車(chē)大賽中表現(xiàn)良好。