（计算机应用技术专业论文）高温超导磁悬浮车悬浮高度测量仪的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在高温超导磁悬浮车运行过程中，要实时检测其悬浮高度，必须选用 合适的传感器，进行快速非接触式距离测量。 针对悬浮高度检测的强磁场环境，分析了多种菲接触式距离传感器( 超 声波传感器、涡流传感器、光电传感器) 的特点，选用了廉价的c m o s 摄 像头，用图像测距方式实现悬浮高度的快速测量。 通过两束激光定标，利用凸透镜成像原理中焦距和物高固定情况下， 像高和物距成反比关系的原理来实现距离测量。用图像传感器采集轨道平 面上包含两个激光点的像的图像，用a r m 处理器处理图像数据，识别激 光点像并计算像高，根据像高得到轨道与测量仪间的距离。 通过需求分析把整个测量仪划分为成像模块、数据处理模块、控制模 块、通信模块、i o 模块。在模块设计与调试的基础上最终完成了整个测 量仪的装配、调试和标定。 试验结果表明测量仪分辨率为0 2 5 m m 。根据试验数据确定测量范慝 为4 5 m m 7 0 m m 。每秒钟可测量4 次。整个系统成本5 0 0 元左右。 论文较详细地介绍了系统硬件、软件的设计方法，提供了全部原理图 和部分程序清单，对系统调试中各种故障的分析处理作了较详细说明。 测量仪还存在一些不足之处，如测量精度不高，测量速度不够快，通 信模块软件没有实现。论文最后提出了测量仪改进措施，这些改进措施在 技术上没有难度，只要适当增加投入，就能使测量仪达到实用要求。 关键词：悬浮高度，距离测量，激光定标，a r m 处理器，l p c 2 1 1 9 ， m t 9 v 0 l l 西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t w h e n h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a g l e vv e h i c l ei sr u n n i n g ，t h e l e v i t a t i o ng a pm u s tb ed e t e c t e dq u i c k l y t od ot h a t ，as u i t a b l ed i s t a n c e m e a s u r i n gs e n s o r i sn e e d e d t h e r ei sas t r o n gm a g n e t i cf i e l da r o u n dt h er a i l ，a i m e da tt h i sp o i n t ，a f e wk i n d so fd i s t a n c em e a s u r i n gs e n s o r si n c l u d i n gu l t r a s o n i cs e n s o r ，e d d y c u r r e n ts e n s o ra n dp h o t o e l e c t r i c i t ys e l l s o ra r ea n a l y z e d a tl a s t ，c m o s i m a g e s e n s o ri sc h o s e nt om e a s u r et h ed i s t a n c eb e c a u s eo fi t sl o wc o s t u s i n gt w ol a s e rl e d sa n d t h et h e o r yo f f o r m i n ga ni m a g eb yc o n v e x l e n s ，w ec a nc o m p m et h el e v t a t i o ng a pi fk n o wd i s t a n c eo ft w ol a s e rd o t s i m a g e su n d e r t h ec o n d i t i o no f t h ed i s t a n c eo ft w ol a s e rd o t si sn o tc h a n g e da t a n y t i m e t h e s y s t e mw a s d i v i d e df i v es u b m o d u l e s ，t h e y a r ei m a g i n gm o d u l e ， d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，c o n t r o lm o d u l e ，c o m u n i c a t i o nm o d u l ea n di 0 m o d u l e a f t e ra l lm o d u l e sw e r ed e s i g n e da n dd e b u g g i n gf i n i s h e d ，t h ew h o l e i n s t r u m e n tw a s a s s e m b l e d ，d e b u g g e d i nt h et e x t ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r ee x p o u n d e d d e t a i l e d l ya n d a l lt h e o r yf i g ，p a r to f p r o g r a ml i s ta r eg i v e n t h et e s tr e s u l t s h o wt h a tt h ei n s t r u m e n tc a nm e a s u r ed i s t a n c ef r o m4 5 m mt o7 0 m m t h e r e s o l v i n gp o w e r i s0 2 5 r a m i tc a nm e a s u f ef o u rt i m e se v e r ys e c o n d t h e c o s to f t h ei n s t r u m e n ti sa b o u t5 0 0 y u a n b u tt h e r ea r es o m ed e f e c t s f i r s t ，t h e r e s o l v i n gp o w e ri s t o o l o w s e c o n d ，t h es p e e do f m e a s u r i n g i sn o t h i g h t h i r d ，t h es o f t w a r eo f c o m m u n i c a t i o ni sn o tf i n i s h e d i fh i 曲r e s o l v i n gp o w e r i m a g es e n s o ra n d h i 鲈s p e e dp r o c e s s o r w e r eu s e d ，t h o s ed e f e c t sc a r lb e c o n q u e r e d ，b u t t h ec o s t o f t h ej n s t r u m e n tw i l lr i s e k e yw o r d s ：l e v i t a t i o ng a p ，d i s t a n c em e a s u r e ，d i s t a n c em e a s u r i n g i n s t r u m e n t ，l a s e rs c a l e ，a r m p r o c e s s o r ，l p c 2 1 1 9 ，m t 9 v 0 1 1 西南交通大学硕士研究生学t e , - 沦文第t 页 1 1 课题背景 第1 章绪论 高温超导磁悬浮试验车是西南交通大学在“九五”期间的8 6 3 项目研 究成果。该车目前还只能在很短的轨道上以很低的速度往复直线运动，车 上没有自动检测系统，不能在运动过程中自动检测悬浮高度、运动速度和 加速度等参数。 “十五”期间，国家8 6 3 重点项目( 高温超导磁浮车的研究与开发) ， 要求新的磁悬浮车应当在较长的轨道上以较高的速度运行，并能对磁悬浮 车进行实时控制，能在运行过程中自动检测车体的各种参数，为高温超导 磁悬浮车的工程设计提供试验数据和理论依据。 根据目前的设计方案，自动检测系统应当在磁悬浮车运行过程中检测 和显示车体悬浮高度、运行速度、加速度、车体绝对位置、车体振动状态、 导向力、杜瓦瓶液氮的液面高度等参数。 本课题主要研究磁悬浮车在高速运行状态下车体悬浮高度的检测方 法，在此基础上设计制作了悬浮高度测量仪。 1 2 国内外现状 目前西南交通大学研制的高温超导载人磁悬浮车走在世界前列。但目 前悬浮高度的检测还没有实现自动化，悬浮高度的测薰是在车体静止悬浮 时人工进行的。 上海浦东的常导磁悬浮列车，全套引进德国技术，其悬浮高度较低 ( 8 r a m 左右) 。悬浮高度作为列车主要控制参数，实现了实时检测与控制。 日本的低温超导磁悬浮列车时速已经超过5 8 0 k m h ，其悬浮高度较高，达 到1 0 0 m n o 左右，并实现了实时检测。但目前没有查阅至0 相关资料。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 3 论文主要内容和主要工作 论文主要研究了悬浮高度的检测方法、介绍了系统硬件、软件设计及 其实现和整个系统调试过程，给出了试验结果。 作者完成的主要工作如下： 1 悬浮高度检测方法研究。 2 系统总体设计，包括需求分析、软硬件结构设计等。 3 硬件设计及其实现包括器件选型、各器件问接口设计、原理图绘 制、p c b 板图绘制、器件购买和焊接等。 4 软件设计及其实现。 5 系统调试，系统标定，误差分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 1 悬浮高度 第2 章悬浮高度测量方法研究 高温超导磁悬浮车底部安装有两排杜瓦瓶，杜瓦瓶中摆放了定数量 的高温超导块材。轨道由磁场强度很高的永磁体构成，左右两条永磁轨道 正对着磁悬浮车的两排杜瓦瓶。将杜瓦瓶中注满液氮，超导块材被冷却到 液氮温度( 约7 7 k ) ，进入超导状态。由于超导块材的完全抗磁牲口i 。磁力 线不能穿过超导块材，超导块材要把磁力线全部排挤出去，因此超导块材 和永磁轨道之间就会产生很大的排斥力。磁悬浮车在该排斥力作用下悬浮 于永磁轨道一卜。悬浮高度就是指车体在悬浮状态下，杜瓦瓶下表面到轨道 上表面的距离，一般在1 5 m m 3 0 m m 之间随车体的自重、载蕈量、轨 道磁场强度等因素而变化。 杜瓦瓶中的液氮会渐渐挥发，当液面低于超导块材时，超导块材就由 超导态转为正常态( 失超) ，失去抗磁性。这时车体与轨道间的排斥力也消 失了，悬浮高度迅速下降，车体很快与轨道接触。因此对悬浮高度进行实 时检测是必需的。与轮轨式列车相比，磁浮车没有和轨道间的接触，在水 平轨道上运行时只需要克服空气阻力，用很小的牵引力就可以获得很高的 速度。因此磁浮车可在较高的速度下运行，如上海的磁悬浮列车最高时速 可以达到4 0 0 多公里。在这样高速运动的条件下，必须实时检测悬浮高度。 只要悬浮高度小于安全值就报警并立即启动制动装置，停止运行，以避免 车体与轨道接触，发生事故。 2 2 悬浮高度测量方法 悬浮高度检测实质是距离测量，但其又具有自身的特点。不仪要能在 车体静止或低速对检测悬浮高度，而且在车体高速运行时也要缝实现悬浮 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 高度的检测。被测量很小，悬浮高度在1 5 m m 3 0 m m 间变化。测量精度 要求高，不能犬于0 1 m m 。 就目前距离检测的方法来看，距离测量的主要方法有接触式测量和非 接触式测量。磁悬浮车不允许采用接触式测量方法来检测悬浮高度，因此 只能采用非接触式方法检测。非接触式距离测量的主要方法有利用超声波 传感器测量、利用涡流传感器测量和利用光电传感器测量等几种。 超声波具有沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强等特点。超声 波遇到杂质或分界面时会产生反射波，利用这一特性可构成距离测距仪。 涡流传感器的工作原理是涡流效应。当正弦交变电流通过传感器内部线圈 时会产生正弦交变磁场。把被测物放置于这个磁场中，被测物中就会产生 涡流。涡流产生的磁场与传感器产生的磁场相互作用，从而导致线圈的电 感量、阻抗等发生变化。根据这些变化量就可以计算出传感器与被测物体 间的距离。 高温超导磁悬浮车的轨道由磁场强度很大的永磁体构成，其周围的磁 场强度很大。磁电式传感器在这种环境下工作会受到很强的干扰，从而导 致测量误差很大或测量失效。因此涡流传感器不适合用来测量悬浮高度。 超声波的传播速度比较慢( 3 4 0 r e s ) ，而试验车最高设计时速较高，因此在 高速运行试验车时，可能出现超声波传感器发射出去的声波反射回来后， 传感器已经随车体前移一段距离的情况，从而导致传感器接收不到反射回 来的超声波，造成测量失效。因此超声波传感器也不寅用来测量悬浮高度。 光电传感器具有测量精度高、反应速度快、抗电磁干扰能力强等优点。目 前市售的激光测距仪价格昂贵( 5 万元人民币以上) ，适合于远距离，高精度 距离测量。为降低成本，采用了激光管和c m o s 图像传感器构成廉价的近 距离测量仪来实现高温超导磁悬浮车悬浮高度的检测。 2 3 激光定标测距原理 在凸透镜成像原理中，透镜焦距、物距、物高和像高之间存在一定的 几何关系。在焦距和物高不变的情况下，像高与物距之间成反比关系。焦 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 距、物距、物高、像高之间的几何关系见图2 1 。 卜、 ； | 1 。 ，i r h r 7 - - 、 二f f | 凸透镜 图2 1 凸透镜成像原理中几种要素间的相互关系 在图2 1 中，0 0 为透镜主轴、f 为透镜前焦点，f a 为焦距、p 日为 物高、p i - i 为尸日的像。由图2 1 可知p t t = i b ，且z k p h f z a b 4 f 。由 相似三角形性质可知： p hh f 爿曰j ； 且 p h = a b 所以有： 嚣=丝(2npf a ) 、h t 。 由式( 2 1 ) 可得： h f = 嚣尉 ( 2 2 ) p h 、。 通过式( 2 2 可知，在焦距f a 和物高帮一定的情况下，只要知道像高， 就可以计算出前焦点f 到物体所在平面的距离。 激光定标测距原理就是在凸透镜成像原理中，在焦距和物高不变的情 况f ，利用式( 2 2 ) ，测定像高，计算出物距。示意图见图2 2 。 用两只激光l e d 管进行定标，两束平行激光垂直投射到轨道上，在轨 道j 二形成两个边界清晰，容易识剐的亮点，这两个亮点相当于在被测对象 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 卜设定了一个标尺，标尺长度为两个光点之间的距离，也既是物高。物高 a b 固定不变，就相当十式( 2 2 ) 中p 日固定不变。焦距对于选定的镜头来说 也是固定值。通过凸透镜得到轨道平面上的图像，该图像中有两个激光点 的像。由式( 2 2 ) 可知f d 的变化会引起4 曰的变化，且它们之间成反比变 化关系。当f d 增大时a b 减小，反之亦然。因此只要知道a b 就可以计 算出f d ，肋加上一个常数c 就是悬浮高度。设悬浮高度为d ，则有： d ：罢。加+ c( 2 3 ) 一b 、 激光曾1 a孰道平藤b 光管2 图2 2 激光定标测距原理示意图 物高a b 和焦距f o 虽然为常数，但对a b 和f o 的大小有一定要求。 考虑悬浮高度的变化范围和仪器安装位置，要求透镜到轨道上表面的距离 应该在5 0 m m 1 0 0 m m 以内。因此f o 和a b 的值不能过大，要保证a 和b 两个光点在悬浮高度变化范围内时都能在透镜的视场角以内。 最后采用查表法得到距离，而不是用式( 2 3 ) 计算距离。首先让悬浮高 度为一个已知距离，该距离对应一个像高，再改变悬浮高度，又可以对应 一个像高。利用悬浮高度与像高间的反比关系，就可以得到一张像高与悬 浮高度对应表，测量时根据像高直接查表得到悬浮高度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 3 1 系统结构设计 第3 章系统总体设计 悬浮高度测量仪由成像模块、数据处理与控制模块、i 0 模块、通信 模块、以及电源模块构成。各模块之间的关系见图3 1 。 图3 1 系统总体结构框图 要获得轨道上激光点的像，成像模块是必需的。成像模块由透镜和固 像传感器构成。 数据处理与控制模块是整个系统的核心，该模块负责处理由成像模块 得到的图像数据，并控制各模块协调工作。 通信模块负责接收上位机的命令并送出测量结果。悬浮高度检测只是 高温超导磁悬浮试验车检测系统中很小的部分，整个车上还有检测其它参 数的系统，如速度，加速度等。就整车而言，这些检测装置又必须要协调 工作，因此用一个上位机来统一管理这些检测系统。下位机必须有与上位 机通信的功能，所以通信模块是必需的。 i 0 模块为调试而设置。在没有与上位机联机前，只有用j o 设备来发 出命令和显示测量结果，以实现人机对话。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 2 系统硬件结构 根据总体结构设计的结果来搭建硬件平台。硬件结构框图见图3 2 。 图3 2 系统硬件结构框图 镜头加图像传感器构成测量仪成像模块。图像传感器接收m c u 发出 的命令，采集到图像数据后向m c u 传送。 m c u 处理图像数据并控制整个系统协调工作。 通信端r 】接收上位机命令并送出测量结果。可用c a n 总线，4 8 5 总线， r s 2 3 2 串口等通信接口实现。 显示器可用l e d 数码管或点阵l c d 显示模块。l e d 数码管只能显示 数字，点阵l c d 显示模块不仅可以显示数字，还可以显示图形等其它信息。 键盘主要是用于调试过程中向m c u 发送命令。目前试验条件还无法 实现与上位机的联机调试。只有通过键盘发送命令进行调试。 复位电路管理整个系统的复位，包括上电复位和手动复位。 3 3 软件结构 测量仪可在两种模式下_ t 作。一种是主动模式，即不在上位机控制f 工作；一种是从动模式，即在上位机控制下工作。在主动模式下，测距仪 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 不断采集图像数据，识别像点，计算像高，查表得到距离并刷新显示结果。 软件结构框图见图3 3 。 f开始l | 测量距离| l 1 。一j 1 意i 图3 1 3 主动模式下软件框图 在从动模式下，测距仪也不断测量距离，并把测量结果缓存起来，且 不断刷新缓冲区中的结果，在收到命令后，送出当前缓冲区内的结果，这 样可以保证送出去的测量结果都是最新的数据。软件框图见图3 4 。 图3 4 从动模式下软件框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 4 1 器件选型 第4 章硬件设计 器件选取的基本原则是能满足设计要求，容易购买，价格便宜。 4 1 1 图像传感器与镜头的选取 作为成像模块的主要部件，镜头和图像传感器的选取直接影响成像质 量和后续数据处理的方式。 图像传感器有c c d 和c m o s 两种。他们各有优缺点，c c d 图像传感 器成像质景好，但控制复杂，价格较高，c m o s 图像传感器成像质量不如 c c d ，但其控制相对简单，价格便宜。在本测量仪中，由于对图像的处理 只是识别两个激光点的像的位置，对其它图像信息并不关心，因此选择 c m o s 图像传感器。 比较几款c m o s 图像传感器，发现分辨率为6 4 0 x 4 8 0 的c m o s 图像 传感器比较容易购买，且价格便宜，零售价在五十元以内。收集相关信息， 发现美光半导体公司的m t 9 v 叭1 图像传感器比较适合。该传感器分辨率 为6 4 0 4 8 0 ，通过l o 位数据总线向m c u 传送图像数据，用，2 c 总线与 m c u 接口以接收控制信息和送出状态信息，且其输出数据速度可调，以 适应m c u 的处理速度。基于上述特点，图像传感器最终选择了m t 9 v 0 1 1 。 该图像传感器的主要性能参数见附录2 。 镜头用来成像，只要焦距不超过2 0 m m 且能在图像传感器上形成清晰 的图像就满足要求。m t 9 v o l l 主要是用在p cc a m e r a 上，且一般p cc a m e r a 镜头的焦距一般都在2 0 m m 以内。因此p cc a m e r a 的镜头就能满足要求， 且该种镜头可以调节透镜到图像传感器问的距离，以便得到最清晰的图像。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 4 1 2m c u 选取 m c u 不仅要有足够的数据处理能力，并且还要有较强的控制能力。 在数据处理能力要求不高的场合可以考虑5 1 系列单片机，但在这里用5 1 系列单片机是不合适的。首先5 1 系列单片机是8 位处理器，而图像传感器 每个象素的数据位宽是1 0 位。并目+ 图像传感器产生的数据量很大，而5 l 系列单片机执行一条指令要好几f 个时钟周期，且：【作时钟频率低。用 a r m 处理器是比较合适的。它是3 2 位处理器，可以很容易与图像传感器 接口。a r m 处理器是r i s c 处理器，指令执行速度可达0 9 m i p s m h z ，数 据处理能力较强。 结合具体硬件总体设计，选择了p h l l i p s 公司的l p c 2 1 1 9 微控制器。 该微控制器c p u 核为a r m 7 t d m i s ，内部集成了1 2 8 k f l a s h 程序存储 器，1 6 k 数据存储器。虽然它的总线没有开放，不能外部扩展程序存储器 和数据存储器，但其内部集成的存储器已经能满足设计需求。无需外部扩 展存储器，减少了外部连线，可以提高系统可靠性。它具有标准，2 c 接口， 可以直接与图像传感器m t 9 v 0 1 1 接口，以设置m t 9 v 0 1 1 和读取其状态信 息。该处理器还具有两个全双工的串口和两个c a n 总线接口，能够方便 构建4 8 5 总线和c a n 总线，以实现与上位机通信的功能。l p c 2 1 1 9 的通 用i o 口最多可以达到4 6 个，完全能够满足与m t 9 v 0 1 1 、键盘、显示器 等通信的需求。l p c 2 11 9 最高工作频率可达6 0 m h z ，能够满足数据处理要 求。基于l p c 2 1 1 9 的上述特点，最终选择了p h i l i p s 公司的l p c 2 1 1 9 微 控制器。该微控制器的主要性能参数见附录1 。 4 2 系统原理图及各模块设计 4 2 1 系统原理图 根据系统硬件设计结果，绘制了系统原理图。由于测量仪结构的需要 西南交通大学硕士研究生学位论文第l2 页 需要3 块p c b 板。分别为l p c 2 1 1 9 板，m t 9 v 0 1 l 板，以及连接它们的主 p c b 板。l p c 2 1 1 9 板用于安装l p c 2 1 1 9 ，把它的引脚用插针引出，并改变 引脚间的顺序，以方便主板布线。m t 9 v 0 1 1 板用于安装m t 9 v 0 1 l 和镜头。 l p c 2 1 1 9 板原理图见图4 1 ，m t 9 v 0 1 1 板原理见图4 2 ，主板原理图见图 4 3 。由于在原理图中全部使用连线连接会使引脚间的连接关系不方便查 看，凶此用网络标号代替连线，如果引脚间有相同的网络标号表示它们逻 辑上是相连接的。 雕誉 图4 1l p c 2 1 1 9 板原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 c o n l l e a s e r c o n 2 l e a s e r 锰v 2 8 弱氟 u 1 d 03 d 0 v a a 1 2v 2 粤 d l2 d lv a a p i x 1 41 d 22 7 d 2v d d 11 d 32 6 d 3d g n d 2 8 1 d 42 5 d 4a g n d 1 6 ”e s e ti d 52 4 d 5a g n d d 62 3 d 72 2 d 6 d 82 1 d 7 d 92 0 d 80 eb a r f r a m6 d 9 s 1 a n d b y i r 范7 f r m r s e t d a t a5 l 刖e 1 0_ j 气 c u c4 d a l s c a ne n s d a9 c l k s d an c s c l81 81 s c i ，n c m t 9 v 0 1 图4 2m t 9 v 0 1 1 板原理图 =一睁m l匝一限u m 鬟一 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 4 2 2 电源模块 图4 3 主板原理图 电源是整个系统工作的基础，稳定的电源是整个系统稳定 作的前提 条件。根据选定器件，需要3 3 v 、1 8 v 、2 8 v 三种电源。m t 9 v 0 1 l 工作 电压为2 8 v ，l p c 2 1 1 9 内核工作电压为1 8 v ，外设工作电压为3 3 v 。由 此设计了图4 4 所示电源方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 r 一一1 i oy 1 8 v 电源芯片r i 习 i f 酽百h 型型堕 i 王：圣! 皇堡莶苎医习 i ，一 图4 4 电源模块示意图 7 8 0 5 是5 v 稳压电源模块，输入电压可以在8 v 1 8 v 内波动，输出都 可以稳定在5 v 。在7 8 0 5 输入输出端都并联了4 7 u f 和0 1 u f 两个滤波电 容，以便能得到更稳定的电源。整个系统设计了4 位静态l e d 数码管。每 个数码管最大消耗电流为8 0 m a ，数码管最大消耗电流3 2 0 m a 。还有l c d 显示器背光灯，消耗电流也比较大。此外还有两只激光l e d 管，每只消耗 电流2 0 m a 。加上系统其它电阻和芯片消耗的电流，总电流在5 0 0 m a 8 0 0 m a 。因此没有选择体积较小但最大只能提供5 0 0 m a 电流7 8 m 0 5 ，而 剧了最大电流为1 5 a 的7 8 0 5 。 为得到3 3 v 、2 8 v 、1 s v 三种电源，选用了三款t i 公 石：j 的低压差稳 鹾电源芯片，它们的输入电压都是5 v 。其中3 3 v 电源稳压芯片有两款， 分别为7 6 3 3 3 和t p s 7 9 6 3 3 。它们输出电压都是3 3 v ，但负载能力不同， 7 6 3 3 3 最大提供1 5 0 m a 电流，t p s 7 9 6 3 3 最大提供1 a 电流。整个系统中大 功率的器件大部分工作电压是3 3 v ，因此3 3 v 电源芯片必须能够提供较 大的电流。故选择t p s 7 9 6 3 3 作为3 3 v 电源芯片。 1 s v 电源芯片采用t i 公司的7 6 3 1 8 ，稳定输出1 8 v 电压，最大输出 电流1 5 0 m a 。 2 8 v 电源芯片采用1 1 公司的7 6 3 0 1 ，输出电压可调。该芯片有一个反 馈输入端，在该端上的反馈电压不同就可以得到不同的电压输出，通过两 只电阻调节反馈电压。其输出电压可根据式( 4 1 ) 计算。 圪。，= 0 9 9 5 1 1 9 2 ( 1 + ) ( 4 1 ) 2 其中1 1 9 2 为内部参考电压。 只要合理选择r 和风就可以得到2 ，8 v 电压。根据7 6 3 0 1 典型应j 村电 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l6 页 路，确定r i 和月2 分别为2 2 0 k f l 和1 6 0 k f l 。 整个系统电源部分原理图见图4 5 ，为方便作图，图中器件编号可能与 图4 3 中器件编号不同，以后各模块原理图都是如此。 刊1 萝? i 争_ i l t 盛 p ； 嚼一 茜e nn c u t f b 季 卜一。w o宁；1 l 盥2 _ - 上品下占 7 6 3 1 8 u 3 图4 5 系统电源原理图 二：极管作用是保护电源芯片，当输入电源正负极接反时，也不至于损 坏器件。 4 2 3 复位电路 系统共有四处需要复位信号。分别为l p c 2 1 1 9 、m t 9 v 0 1 1 、l c d 控制 器、j t a g 接口，它们都是低电平复位。为提高复位可靠性选用了专用复 位i c 。复位i c 选用了美信公司的m a x 7 0 8 s ，这款器件可提供上电复位和 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 手动复位信号。系统复位电路原理图见图4 6 。 图4 6 系统复位电路原理图 上述需要复位信号的几个地方中，j t a g 接口中的丽信号只需要上 电复位，而不需要手动复位，因此此处复位信号没有共享m a x 7 0 8 s 产牛 的复位信号，而用了r c 复位电路。 m t 9 v 0 1 1 既需要上电复位，也需要与m c u 一起手动复位。但存在电 平匹配问题。m t 9 v 0 1 l 工作电压为2 8 v ，最高可承受电压为3 ，0 5 v ，在正 常工作状态一fm a x 7 0 8 s 复位信号输出端电平为3 3 v ，如果直接把3 _ 3 电 平直接接到m t 9 v 0 1 1 复位端可能损坏m t 9 v 0 1 1 。因此m t g v 0 1 l 也没有 共享m a x 7 0 8 s 的复位信号，采用r c 复位。整个系统的复位按键只有一 个，按下该键时系统所以器件都应该能够复位，所以m a x 7 0 9 s 必须与 m t 9 v 0 1 1 共享一个按键。在没有按下复位键时m t 9 v 0 1 1 复位端和 m a x t 0 8 s 的m r 端保持2 8 v ，2 8 v 在3 3 v 的c m o s 器件中识别为高电 平。因此图4 6 所示电路能正常工作。 液晶模块工作电压为3 3 v 与l p c 2 1 1 9 都是低电平复位，因此它们可 以共享m a x 7 0 8 s 产生的复位信号。 4 2 4 成像模块 成像模块由图像传感器加镜头构成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 m t 9 v 0 1 1 与l p c 2 1 1 9 需要交换两类信息，一是l p c 2 1 1 9 对m t 9 v 0 1 1 的控制信息和m t 9 v 0 1 1 的状态信息，二是m t 9 v 0 1 1 获取的图像数据信息。 控制信息和状态信息通过标准，2 c 总线传递。数据信息通过1 91 2 1 交换。 m t 9 v 0 1 l 产生的数据信号有以下几种： 象素点的r g b 值，数据位宽1 0 位。 2 场有效信号，此管脚上的高电平表示一帧图像数据开始输出。 3 行有效信号，此管脚上的电平变化表示一帧数据中的某一行数据开 始输出，可通过程序控制此信号的输出格式。 4 。象素数据有效信号，此管脚上的高电平表示1 0 位数据线上的数据 有效。 m t 9 v 0 1 1 的数据输出时序见图4 7 。 场有效信号一l 一 厂 厂一 行有效信争= = _ _ 一一 l l 数据有效信号_ jul jl 劐积激l 绷黯激 捌翰激i 期腩效i 一 l t i rt1一一 麟 9 ：o ld o 9 ：o o l d ：o jjj。 图4 7m t 9 v 0 1 1 数据输出时序 从图4 7 可以看出，行与行之间的数据输出是有间隔的，一行数据输 出结束后，需要等待一段时间下一行数据才开始输出。一帧图像数据与下 一帧图像数据之间也存在类似间隔。 m t 9 v 0 1 1 与l p c 2 1 1 9 的接口主要考虑如何完整地接收一帧图像数据。 l p c 2 1 1 9 不仅要负责处理m t 9 v 0 1 1 传送过来的数据，还要控制整个系统， 所以不宜采用查询方式来接收图像数据，采用中断方式比较合理。可用场 有效信号或行有效信号来触发外部中断。场与场之间的间隔时间比行与行 之间间隔时间长，如果用行有效信号来触发l p c 2 1 1 9 的外部中断，则产生 中断频率较高，花费在中断响应和中断返回上的时间较多，且帧与帧之间 的界限不明显，不容易得到一帧完整的数据。用场有效信号产生中断，就 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 是以一帧图像数据为处理单位，这样比较容易得到一帧完整的图像数据， 且不会频繁产生中断，处理效率较高。在中断服务程序中查询行有效信号 和象素数据有效信号进行数据接收。 因场有效信号保持高电平时间较长，中间间隔也相对较长，所以应采 用场有效信号的上升沿触发中断，而不是采用电平触发中断，这样既可以 保证一帧数据的完整性，又可以避免重复产生中断。l p c 2 1 1 9 有4 路外部 中断，每个外部中断引脚均可设置为电平触发或边缘触发。l p c 2 1 1 9 有多 个引脚可配置为同一外部中断引脚，电平触发可以随意配置其中一个为该 外部中断，边缘触发这只能用i o 口号最低的管脚配置为该外部中断。 由以上分析司知，m t 9 v 0 1 1 需要占用l p c 2 1 1 9 的，2 c 总线接口， 个外部中断口，十：个i o 口( 十位数据线，行有效信号，象素数据有效信 号1 。m t 9 v 0 1 1 与l p c 2 1 1 9 间的接口原理图见图4 8 。 囊霉 苛k 爿1 6 li lr e s t 1 5 占i 图4 8m t g v 0 t 1 与l p c 2 1 1 9 间的接口原理图 #薹l剥蛋辎一 西南交通大学硕士研究生学位论文第20 页 4 2 5 显示模块 设汁了两种显示设备，一种是l e d 数码管，一种是点阵型l c d 显示 模块。在只需要显示数字结果时，可用数码管显示；需要显示图形及其它 信息时可用l c d 显示模块显示。 设计了四位数码管来显示测量结果，其中小数占2 位。为减轻m c u 负担，提高处理速度，没有采用扫描方式显示，四位数码管都设计为静态。 显示时，m c u 不需要执行扫描操作，只需要把显示数据传送给数码管。 数码管的驱动芯片选用7 4 h c 5 9 5 ，它具有数据锁存功能，驱动能力较强， 每个输出管脚的驱动能力为2 0 m a ，整个芯片驱动能力为7 0 m a ，完全 能够驱动l e d 数码管。数据输入为串行，数据输出为并行，因此在与m c u 接口时占用i o 口少。旦价格便宜，是一种性价比较高的芯片。 l c d 显示模块不仅可用来显示数字结果还可以显示其它信息，如菜单 等。l c d 显示模块选用1 m 1 2 8 6 4 w c c w u g ，点阵大小为1 2 8 6 4 ，控制 器为三星公司的$ 6 8 0 7 2 4 ，数据输入方式为串行。工作电压为3 3 v ，不存 在与系统电平匹配问题，背光灯工作电压为5 v 。 虽然系统设计了两套显示装置，一是l e d 数码管，一是l c d 显示模 块，但不会同时使用它们，且数据输入都是串行的。因此共用两个i o 口 向两个显示设备发送数据，利用跳线来选择不同的显示设备。l e d 数码管 显示器是四位的，还必须为每一一位分配一个i o 口，以选择其中位数码 管接收数据。7 4 h c 5 9 5 具有串行输出功能，l p c 2 1 1 9 可串行读回发送给 7 4 h c 5 9 5 的数据，实现这一功能需占用一个i o 口。l c d 显示模块不仅需 要两个“o 口来得到数据，还需要一个i o 曰来区分得到的数据是需要显 示的数据还是命令。综上所述，四位l e d 数码管需要占用l p c 2 1 1 9 七个 i o 口，l c d 显示模块需要三个i o 口。 l p c 2 1 1 9 的p 0 4 、p 0 5 、p 0 6 可配置为通用o ，也可配置为标准s p i 接口，而显示设备数据输入都是串行的。因此把l p c 2 1 1 9 的p 0 4 、p 0 5 、 p 0 6 分配给显示设备。可以用标准s p i 接口向显示设备发送数据，也可以 用i o 口模拟s p i 口向显示设备发送数据。显示模块与l p c 2 1 1 9 接口原理 图见图4 9 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2l 页 4 2 6 键盘电路 图4 9 显示模块与l p c 2 1 1 9 接口原理图 键盘设计思想是：一个按键对应一个i 0 口，在没有键按下时与键盘 接口的i 0 口都保持高电平，如果有键按下，与该键对应的i 0 【_ _ _ | 被拉低。 同时所有键的电平经过一个与非门得到一个信号，在没有键按下时，由于 所有键产生的都是高电平，经与非门后就得到了低电平，如果有键按下， 与非门就会输出高电平，用此高电平可触发中断，在中断服务程序中在读 取各键对应的i o 口，以确定那个键按下了。因此，可通过查询和中断两 种方式来得到键值。键盘电路原理图见图4 1 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第22 页 制划 骥l 墓 至 叠星 l p c 2 11 9 p p l l 2 2 4 3 p l2 5 p 0 2 0 e i n 乃 。n 寸暑品篙高 呈星星星星星 ；州= 刚 图4 1 0 键盘电路原理图 设计了6 个按键，由于7 4 h c 3 0 是8 输入与非门，所以有2 路输入一 直保持高电平，其它6 路输入分别对应6 个按键。只要有一个或一个以上 键按下，7 4 h c 3 0 的输出端就会输出高电平，可用此电平触发中断。 4 2 7l e d 指示灯 l e d 指示灯的设置是为了调试的需要。设计了4 只l e d 指示灯，需 要占用4 个i o 口，用一片7 4 h c l 2 6 驱动。电路原理图见图4 1 1 。 如烈丝捌髂鹱靖譬 西南交通大学硕士研究生学位论文第23 页 4 2 8 通信模块 图4 1 1l e d 指示灯原理图 由于l p c 2 1 1 9 集成了两路c a n 总线控制器，且c a n 总线比较适合 用于车载系统构建局域网，所以构建了c a n 总线通信模块，用于与上位 机通信。此外l p c 2 1 1 9 提供了两个全双工的串v i ，考虑到整个系统的资源 分配，只利用了其中一个串口构建r s - - 2 3 2 接口来实现与上位机通信。 l p c 2 11 9 已经集成了c a n 总线控制器，只需要外加两只c a n 总线收 发器就可构成c a n 总线通信模块。c a n 总线收发器选用了p h i l i p s 公司 的t j a l 0 4 0 ，这是较常用的一款c a n 总线收发器。 t j a l 0 4 0 有两种工作模式，通过s t b 引脚上的电平来选择工作模式。 所以一路c a n 总线收发器除需要接收和发送口外，还需要占用一个i o 口 以选择工作模式。 l p c 2 1 1 9 的p o 2 3 、p o 2 4 可配置为c a n 2 接收和发送端口，p o 2 5 可 配置为c a n l 的接收端口。c a n l 发送端口有一个专用引脚t d i ，此引脚 不能配置为通用i o 口。把i o 口p o 2 l 、p 0 2 2 分别分配给c a n 2 和c a n l 的s t b 2 、s t b l ，用于t j a l 0 4 0 t 工作模式的选择。 l p c 2 1 1 9 的p 0 0 、p 0 1 可配置为串| 1 ，用这两个端口与m a x 3 2 3 2 接 l 构成r s - - 2 3 2 串i _ _ _ 】电路。通信模块原理图见图4 1 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第24 页 2 i 斟l 寮i 毫i 葛i 蕞i 篓l 斡徽 x - “4 。“a - l p c 2 1 1 9 p o2 2 p o2 4 ：r d 2 p 0 2 3 p 0 r d 2 2 l 主；i ；i ； ：阱阱附 饕rd210 3 1 6l t d v c c s t bc 谶a n h 轻型b ! 毫蓬崩撅蒜至亟三- 4 3p c b 板设计 图4 1 2 通信模块原理图 p c b 板设计是在测量仪外形尺寸确定的情况下进行的。首先在电子市 场选购了外形尺寸为1 5 0 x1 2 0 x 4 2 ( 单位m m ) 的塑料盒子。在此基础上设计 p c b 板，最后把p c b 板与盒子装配在一起，成为测量仪。整个测量仪p c b 板由三部分构成。是安装l p c 2 1 1 9 的p c b 板，二是安装m t 9 v 0 1 1 以及 镜头的p c b 板，三是连接前两者的主p c b 板。测量仪p c b 板设计成町分 离结构考虑到以下几个因素： l p c 2 1 1 9 与主板分离是为方便调试和提高互换性。l p c 2 1 1 9 目前没有 d i p 封装和p l c c 封装，在设计电路时不可能保证一次就能满足设计要求， 有时可能要改动好几次才能达到设计要求。把l p c 2 11 9 单独安装在一块小 p c b 上，通过插针、插座与主板连接。如果主板出现问题需要重新设计， 西南交通大学硕士研究生学位论文第25 页 l p c 2 1 1 9 可以继续使用。且在小范围内修改电路时，可拔下l p c 2 1 1 9 ，防 止焊接时静电损坏l p c 2 1 1 9 。 m t 9 v 0 1 1 与主板分离是装配的需要。主板安装在盒子底部，尺寸为 1 4 6 l o t ( 单位m m ) ，m t 9 v 0 1 1 及镜头安装在盒子前面，前方尺寸