基于电磁感应传感器的智能车系统设计（直立双驱动）

基于电磁感应传感器的智能车系统设计（直立双驱动) 毕 业 论 文（设 计）题 目：基于电磁感应传感器的智能车系统设计 （直立双驱动) （英文)：Intelligen Vehicle Systems Based On Electromagnetic Induction Sensors Design(Upright Dual-drive) 院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 1基于电磁感应传感器的智能车系统设计（直立双驱动)摘 要本设计运用Freescale XS128单片机控制模型车自动沿着导线赛道完成比赛。本设计主要包括智能车的组装、机械机构的调整、系统方案和控制策略的选定、硬件电路和软件控制的设计等几部分。工作方式简介：首先是根据陀螺仪测出的角速度信号和MMA7260加速度传感器的电压信号，经过AD转换，在逻辑处理器中使用特定的算法，输出电机信号使直立小车保持平衡。使用电磁传感器电感采集跑道信号，把信号传送到MC9S12XS128主芯片进行处理，运用控制策略识别出赛道的导线和路况，控制转速和转向，使小车顺利完成比赛，在此基础上，再提高小车速度，对小车行驶路径进行优化。关键词：智能车；电感；XS128；陀螺仪；MMA7260;直立平衡Intelligent Vehicle Systems Based On Electromagnetic Induction Sensors Design(Upright Dual-Drive)AbstractThe use of design Freescale XS128 single-chip control model car automatically track along the wire to finish the race. The design includes the assembly of the smart car to mechanical agencies, system solutions and control strategies selected, the hardware circuit and software control design parts.Introduction of the work: first, the gyroscopes measure the angular velocity signal and the the MMA7260 acceleration sensor voltage signal after AD conversion, the specific algorithms used in the logical processor, output motor signals to the upright car to maintain a balance. Electromagnetic sensors Inductive acquisition runway signals, the signal is sent to MC9S12XS128 the main chip for processing, use of control strategies to identify the circuit wires and road conditions, speed control and steering, so the car to the successful completion of the game, on this basis, a further increase car speed car traveling path optimization.Keywords: Inductance; XS128; gyroscope; MMA7260; upright balance目录1 引言11.1 概述11.2课题设计的研究意义21.3 整车设计思路41.3.1 控制系统41.3.2 整车布局41.3.3 电磁车主要特点51.4 本章小结72 硬件系统设计82.1 传感器方案设计82.1.1 传感器的选择82.1.2 传感器的布局82.2 倾角传感器方案92.2.1 加速度传感器92.2.2 角速度传感器-陀螺仪122.3 主板电路设计152.3.1 电源模块152.3.2 放大模块162.3.3 驱动模块182.3.4 速度检测182.3.5 各模块接口212.4 最小系统板212.4.1 MC9S12XS128B最小系统设计212.4.2 时钟电路222.4.3 串行口的RS-232驱动电路232.4.4 电源电路232.4.5 复位电路242.4.6 BDM接口242.4.7 单片机并行口及驱动能力242.5 其它外设252.6 本章小结263 机械设计273.1 传感器的安装273.2 车模的机械调校273.2.1 底盘高度273.2.2 差速调整273.2.3 后轮机械调节283.3 车模安装293.4 本章小结294 软件设计304.1 主流程序304.2 DSC的硬件资源配置324.3 算法框图与控制函数关系334.4 主要控制函数说明344.4.1 AngleCalculate：角度计算函数344.4.2 AngleControl: 直立控制函数364.4.3 SpeedControl: 速度控制函数364.4.4 DirectionControl:方向控制函数384.4.5 MotorOut:电机输出函数394.4.6 中断服务程序404.5 本章小结425 开发与调试435.1 开发环境的应用435.2 BDM调试器的使用455.2.1 Hiwave初始参数设置455.2.2 程序下载475.3 程序调试475.4 本章小结49总结50参考文献51致谢52附录A53附录B631 引言1.1 概述智能车又称轮式移动机器人 ,集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体 ,集中地运用到自动控制、模式识别、传感器技术、电气、计算机、机械等多个学科 ,是典型的高新技术综合体。目前它已成为世界众多发达国家重点发展的智能交通体系中的重要组成部分，也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。 合适的控制核心是智能汽车实现自主驾驶的重要问题。智能车在运行过程中自主辨识道路信息，并作出控制决策传递给车辆的执行机构以实现自动驾驶，所以控制器是智能车整体性能的关键。我国学者郭孔辉院士在研究人一车一路闭环系统的基础上基于经典的控制理论提出了“最优曲率模型”，该方法的思路是分别对预期轨道和被控汽车建立数学模型，然后通过对整个系统的稳定性、实时性等性能指标进行分析建立驾驶员模型。这种方法为研究人一车一路闭环系统提供了个很好的思路。而由于汽车动力学系统具有较强的非线性特性，对其建立准确的数学模型是很困难的，同时这种方法的计算工作量也比较大，因此在实际应用中受到了一定的限制。近年来，随着模糊控制、神经网络等智能控制理论的发展，这些先进的控制技术也逐渐被应用于智能汽车的研究上6。飞思卡尔公司为汽车智能化提供了很多技术支持，功能越来越完善。其中用HCS12芯片控制的智能汽车竞赛已经成功的举办了六届，汽车在规定的跑道上行走，所用的时间最短者即可获胜，现在智能车的速度有了很大的提高，在弯道处和上下坡时的速度自动控制方面的软件和硬件技术都大大加强，路径识别和信号处理的速度也比以前快很多。而且在第四屇智能汽车竞赛中，又加入创意赛这个项目，全国赛时一共有10支队伍参赛，这个项目的比赛规则限制很少，参赛队伍可以充分发挥创新能力，使这个比赛向智能机器人的方向延伸。第五屇智能汽车竞赛采用了新车模，新车模与现实中的汽车更为接近，并且采用双横臂式独立悬架，使比赛在机械结构上更有发挥空间2。串行接口通信在智能车信号采集和相关控制方面已经得到了广泛应用，可以利用 VC + +6. 0等软件都可以实现串口数据的获取，同时也可以用基于 MATLAB的串行接口通信 ,实现车速数据的采集、处理以及实时控制。 随着比赛难度的增加，增加了电磁组的比赛，对磁、机、电三方面的要求更高，同时随着经验的积累和技术的成熟，车子对行走要求更高，必须达到高速而平稳，对机械结构的要求是简单而高效。智能汽车发展趋势是采用低重心紧凑型设计，信号处理速度快，抗干扰能力强等。 该设计方案最大特别之处在于:在控制车竖立的平衡下，只对电机的控制实现转向和运动。主要任务是基于飞思卡尔单片机控制的自动寻迹小车的设计方案，包括智能车的硬件电路设计、软件系统设计、机械结构设计三大部分。在小车竖立平衡前提下，通过在多个点布置不同方向的检测传感器获取道路信息，利用所获取的信号进行处理，实现对小车转向、速度进行控制。 同时，本设计加强在电源管理、噪声抑制、驱动优化、整车布局等方面的研究工作，使智能车能够满足高速运行下的动力性和稳定性需求，获得了良好的综合性能。本技术报告将针对我们的传感器信号处理设计安装、底盘参数选择、电路设计、HCS12控制软件主要理论、控制算法等方面进行阐述，并列出了模型车的主要技术参数。整个设计过程涵盖了电工与电子技术、编控制程、传感技术（如速度传感、光电传感等）、信号处理、模式识别、制图、计算机、机械、电子通讯等多门学科。1.2 课题设计的研究意义1、刺激汽车销售市场增长点。目前对智能车辆的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。智能车辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通系统当中。可见，智能的综合水平越来越成为世界各国竞争的关键，加大力度对智能车的投入，全面提高技术水平，为一个汽车公司的保持销售量的关键，也是提升一个国家汽车领域的智能车竞争力的焦点12。2、集成化、智能化、自动化水平高。智能车涉及到的专业知识有自动控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对控制及汽车电子学科水平的提高，具有良好的长期推动作用。智能汽车的行驶控制一直以来是自动化、汽车等学科研究的目标，以高科技的嵌入式系统为软件基础，可调试系统以适应各种不同的恶劣的坏境，增加适应能力，体现了智能化水平。人们对人工智能与机器人技术，汽车技术，自动控制技术各方面都进行了更广泛、更深入的研究，自动化水平高，这样无疑对学术研究和生产应用都有很强的实际意义。3、辅助人员驾驶，减少交通事故。通过对车辆智能化技术的研究和开发，可以提高车辆的控制与驾驶水平，保障车辆行驶的安全畅通、高效。对智能化的车辆控制系统的不断研究完善，相当于延伸扩展了驾驶员的控制、视觉和感官功能，能极大地促进道路交通的安全性智能车辆的主要特点是以技术弥补人为因素的缺陷，使得即便在很复杂的道路情况下，也能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物，沿着预定的道路轨迹行驶，这对未来的车辆智能技术的发展具有重大的意义。 4、智能车有着极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适巡航并把车开得开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；他也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外他还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来撞车就不会发生了。1.3 整车设计思路1.3.1 控制系统智能车的工作模式如下图所示：陀螺仪测得的角速度和MMA7260测得角加速度，把其信号输入XS12控制核心，分别对信号积分和微分进行叠加得出输出控制信号，控制电机使车实现平衡。通过测速传感器获得实际速度，信号输入XS12，可在平衡的前提下是小车静止或以某个速度运动，这一点在整个设计至关重要。电磁传感器获取道路某点电磁特性，信号输入到S12控制核心，进行进一步处理以获得赛道信息；通过片上AD检测电池电压。电机转速控制采用PID控制，通过PWM控制驱动电路调整电机的功率。 控制芯片 XS128 角度量陀螺仪、加速度计 调整电机 速度检测驱动电路速度量方向量 电磁传感器 图1.1 小车控制总思路图1.3.2 整车布局 鉴于小车和道路的特点，并且车模不变，今年在整车布局上仍延续基本布局的思路，基本设计要求方向：重心尽量低、重量尽量轻、结构尽量紧凑、简单。采用低重心紧凑型设计，为调整整车重心位置，采用碳杆支撑电磁传感器，减小转动惯量。 在降低整车重心方面采用了低位主板的布局，同时设计了强度高质量轻的电磁传感器安装架，减轻信号采集电路板重量，降低电池架高度，降低小车前方底盘高度。 图1.2 整车布局 1.3.3 电磁车主要特点 1. 直立平衡和转向控制 若不对直立的小车不加任何控制，去掉支承力之后必定倒下。而该设计要求不得使用舵机控制转向，也就是转向的实现是通过电机的差速来得到。当左边电机的转速大于另有边的时候，小车左转；反之，则右转。总设计方案综合得下图所示：图1.3 平衡和转向控制 2.传感器信号为模拟值 电磁车需要检测的信号为大小100mA，频率为20KHz 的方波信号，道路由导线铺成，导线周围分布着交变的电磁场，由于道路的各种形状，使得磁场发生叠加，不同的赛道形状形成不同的特征磁场，如下图为十字线附近的磁场。道路信息相对于传统黑白线具有信号可以提供模拟信息的优势，我们利用电磁道路这种优势，完善小车控制算法，达到了较好的控制效果。 图1.4 导线周围磁场 3. 传感器信号具有方向性 磁场是矢量，在空间的分布为具有方向性，所以传感器检测到的信号也具有特定的方向性。在实际检测的时候发现，不同方向传感器的变化规律有很大的不同，这也和磁场的分量变化规律相一致。比如，磁场垂直分量变化的比较早， 但是受相邻道路的影响较大，而磁场的水平分量恰好相反。1.4 本章小结1、确定总体控制思路图2、掌握信号分布情况2 硬件系统设计 2.1 传感器方案设计2.1.1 传感器的选择 电磁传感器以线圈最为合适。19常用的电感线圈有色环电感、工字电感，并且可以按照需求进行电感订做。但是，为了简化起见，该设计选择工字电感和色环电感作为检测线圈。我们选用10mH 电感作为检测传感器。10mH 电感有多种规格，常见的规格有6x8、8x10、10x12，表示的意思就是电感直径和高度。直径越大高度越高，在直导线同一位置获得的电磁能量就越大，传感器获得的信号就越强，但是太大的电感会增加传感器重量，引起机械结构问题。在经历众多选型之后，我选择了色环电感，100mA 直导线电流时它能检测到峰峰值为40mV 左右的电压值，能够满足设计的要求。另外，色环电感重量轻，不但减轻了小车的重量，而且在检测过程中更为稳定，为小车实现灵敏的转向至关重要。色环电感的实物图所示15： 图 2.1 色环电感2.1.2 传感器的布局 电磁传感器测出的信号为当前所在位置的某个方向的磁场信息，所以传感器的布局至关重要。通过实验发现，当传感器相距较大，视角宽，得到的赛道信息量大。所以，采用尽量架宽主要传感器的方式，以获得丰富的赛道信息，并且提前预知道路形状17。 图 2.2 传感器的布局2.2 倾角传感器方案 车模倾角传感器电路主要是将陀螺仪信号进行放大滤波。由于加速度传感器采用是低g值得传感器MMA7260，它的的输出信号很大，不需要进行放大。2.2.1 加速度传感器 加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。规则规定如果车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器。该系列的传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小，重量轻。它的基本原理如图2.3所示。6mm6mmMMA72603轴加速度传感器图2.3 加速度传感器原理 通过微机械加工技术在硅片上加工形成了一个机械悬臂。它与相邻的电极形成了两个电容。由于加速度使得机械悬臂与两个电极之间的距离发生变化，从而改变了两个电容的参数。通过集成的开关电容放大电路量测电容参数的变化，形成了与加速度成正比的电压输出。MMA7260是一款三轴低g半导体加速度计，可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号，如图2.4所示。 图2.4 MMA7260三轴加速度传感器 通过设置可以使得MMA7260各轴信号最大输出灵敏度为800mV/g，这个信号无需要在进行放大，直接可以送到单片机进行AD转换。实际上，飞思卡尔公司还有更多系列低g值的加速度传感器，特别是具有数字接口的传感器可以方便单片机接口设计。 只需要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出车模倾角，比如使用Z轴方向上的加速度信号。车模直立时，固定加速度器在Z轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号。当车模发生倾斜时，重力加速度g便会在Z轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压变化。变化的规律为 （2.1）式中，为重力加速度；g为车模倾角；为加速度传感器灵敏度系数系数。当倾角k比较小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比。 似乎只需要加速度就可以获得车模的倾角，再对此信号进行微分便可以获得倾角速度。但在实际车模运行过程中，由于车模本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在上述测量信号上使得输出信号无法准确反映车模的倾角，如图2.5所示。 图2.5 车模运动引起加速度信号波动 下图是实际测量安装在车模上MMA7260的Z轴信号。车模倾角在两个角度位置过渡，看到除了角度变化信号之外，还存在由于运动引起的电压波动，这个电压波动随着车模运动速度增加会变得很大。 图2.6 实际测量MMA7260Z轴信号 下面简单分析运动所产生的干扰信号。加速度传感器安装在车模上，距离车轴高度为。车模转动具有角加速度h，运动加速度。那么在加速度传感器Z轴上出现由于车模运动引起的加速度为h+，如图2.9所示。为了减少运动引起的干扰，加速度 传感器安装的高度越低越好，但是无法彻底消除车模运动的影响。图2.7 车模运动引起加速度Z轴信号变化 车模运动产生的加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动。这些波动噪声可以通过数据平滑滤波将其滤除。但是平滑滤波一方面会使得信号无法实时反映车模倾角变化，从而减缓对于车模车轮控制。另一方面也会将车模角速度变化信息滤掉。上述两方面的滤波效果使得车模无法保持平衡。因此对于车模直立控制所需要的倾角信息需要通过另外一种器件获得，那就是角速度传感器-陀螺仪。2.2.2 角速度传感器-陀螺仪陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。竞赛允许选用村田公司出品的ENC-03系列加速度传感器。它利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。ENC-03角速度传感器以及相关参考放大电路如图2.8所示。图2.8 角速度传感器及参考放大电路 在车模上安装陀螺仪，可以测量车模倾斜角速度，将角速度信号进行积分便可以得到车模的倾角。如图2.9所示。图2.9 角速度积分得到角度 由于陀螺仪输出的是车模的角速度，不会受到车体运动的影响，因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。 由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号，如图2.10所示。图2.10 角速度积分漂移现象 如何消除这个累积误差呢？ 一种简单的方法就是通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正。通过对比积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度。如图2.11所示。 图2.11 通过重力加速度来矫正陀螺仪的角度漂移 在上述方案中，利用加速度计所获得的角度信息g与陀螺仪积分后的角度进行比较，将比较的误差信号经过比例1/Tg放大之后与陀螺仪输出的角速度信号叠加之后再进行积分，对于加速度计给定的角度g，经过比例、积分环节之后产生的角度必然最终等于g。 写出图2- 22系统的传递函数，可以看出输出角度包含了两个一阶惯性环节。其中第一项是重力加速度Z轴对应的角度，第二项是陀螺仪加速度经过惯性环节的数值。系统不再存在纯积分环节，所以陀螺仪的角速度微小的偏差不会形成积累误差。其中参数Tg决定了这两个惯性环节的时间常数。Tg越大，角度输出跟踪Z轴输出越慢，但可以有效抑制重力加速度计上的噪声。Tg过大，就会放大陀螺仪输出误差。 为了避免输出角度跟踪时间过长，可以采取以下两个方面的措施： （1）仔细调整陀螺仪的放大电路，使得它的零点偏置尽量接近于设定值，并且稳定。（2）在控制电路和程序运行的开始，尽量保持车模处于直立状态，这样一开始就使得输出角度与g相等。此后，加速度计的输出只是消除积分的偏移，输出角度不会出现很大的偏差。 使用加速度计来矫正陀螺仪的积分漂移只是其中一种方法。还可以通过测量车模的运行速度和加速度来矫正陀螺仪的积分漂移，这样就可以省略加速度器件。这种控制方法在后面速度控制中给出。电路如下所示：图 2.12 倾角计算电路2.3 主板电路设计 主板上主要包括电源模块、电机驱动、信号检测电路、各模块的接口。 2.3.1 电源模块 由于各个模块，有：控制芯片、速度检测、放大电路、倾角传感器电路等模块均需要稳定的+5V供电。集成三端稳压器主要有两种：一种是线性稳压芯片，另外一种是开关型稳压芯片。线性稳压芯片输出纹波小，电路简单，但是功耗较大，效率较低，典型芯片为LM7805；开关稳压芯片则功耗小，效率高，但是输出纹波大，电路复杂，典型芯片为LM2596。 对于单片机来说，单片机本身功耗低，但是它对电源要求相对较高。经过选型实验比对，LM2940 和LM1086 性能较优。LM1086 为低压差线性稳压器件，最大输出电流1.5A，并且有1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、3.45V、5V 稳压输出选择。另外LM1086-ADJ 为输出可调稳压器件。LM2940 为最大输出1A 低压差线性稳压器件。最后我们选择LM2940 作为单片机主要供电稳压芯片，LM1086为备用稳压芯片。因为电路中存在感性负载，存在大电流，为了最大限度降低各个部分对单片机的干扰，而其他需要5V 供电的模块则采用另一片LM2940 进行供电。 TPS7350是微功耗低压差线性电源芯片，具有完善的保护电路，包括过流、过压、电压反接保护。使用这个芯片只需要极少的外围元件就能构成高效稳压电路。与前两种稳压器件相比，TPS7350具有更低的工作压降和更小的静态工作电流，可以使电池获得相对更长的使用时间。由于热损失小，因此无需专门考虑散热问题。 经过以上对比可发现最后的结论为：芯片单独由LM2940供电，陀螺仪、加速度、测速共用一个LM2940，放大电路单独有TPS7350供电，实现各电路模块协调最稳定。总稳压电路如下所示18：图 2.13 稳压电路总图2.3.2 放大模块 使用10mH电感和6.8nF电容并联谐振，来感应20KHz的磁场信号，经放大电路放大后，得到正弦波，再用AD采样，得到正弦波的峰值，以判断传感器离导线的距离，从而定位导线。由于官方给出的三极管放大电路不易调节放大倍数，检波电路信号变化速度较慢，我们决定使用运放放大直接由AD采样。电路图如下。运放使用了TL082双运放，能够将信号放大几千倍，可以满足探测的需要。最后选择方案二，个方案电路图如下：8 图 2.14 放大电路选择2.3.3 驱动模块 电机作为智能车的“手脚”，直接影响着智能车的运动，为了能使智能车快速“行走”，电机驱动模块必须能使电机快速反应，以下是电机驱动模块几个方案的比较11。方案一：采用集成电机驱动芯片MC33886。 优点：外围电路简单，可以实现全桥驱动； 缺点： 驱动能力不强，发热较严重，成本较高；方案二： 采用BTS7970 驱动芯片。 优点：驱动能力强，成本较低，外围电路简单，不容易发热。 经过比较，最终选择BTS7970 作为电机驱动模块的驱动芯片,驱动电路如图2.16所示：图 2.15 驱动电路2.3.4 速度检测 为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行，除了控制前轮转向舵机以外，还需要控制车速，使模型车在转弯时不会因为速度太快而冲出赛道。因此，在模型车上安装测速装置是很有必要的。测速的方式有很多，比如采用霍尔传感器和磁钢、采用测速发电机、转角编码盘、反射式光电检测和霍尔传感器检测等等。方案一：采用霍尔传感器和磁钢将霍尔传感器和磁钢分别安装在车架和车轴的适当位置，小车行驶时，每转动一圈，霍尔传感器产生开关信号，通过在单位时间对其计数可计算出车辆行驶的瞬时速度，累计开关信号可计算出小车行驶的距离。但是这种方法要求在轴上嵌入磁钢，实现复杂，并且不可能放太多磁钢所以精度不高。方案二：测速发电机原理是将旋转机械能转化成电信号，适合于测量速度较高的旋转物体的速度。采用电磁感应的原理。但市场上测速发电机应用于低压市场的比较少，而且都比较重，不适用于模型车，并且要将侧速发电机安装到电动车上需要对电动车模型进行较大改动，由于其质量较重，可能会严重影响电动车的机动性能，除非自制。方案三：采用红外对管和编码盘将一个带有孔的编码盘固定在转轴上，然后由红外对管检测编码盘的孔对红外线的阻通。原理和霍尔开关很接近，但在实际的硬件的实现上很简单，我们在圆形的薄PCB(0.3mm)板上转了24个孔再固定在塑料轮子与转轴的接口处，在电路上也只有一个电流电压转换电阻，该电阻上的逻辑电压由S12的内部定时器检测出速度，电路实现很简单，灵敏度较高。以上三种方案都是比较可行的转速测量法案。最后因为材料和安装方便的原因采用反射式光电检测，光电式脉冲编码器的结构如图2.16，电路图如2.17所示20。图2.16 光电式脉冲编码器结构图2.17 光电式脉冲编码器电路另外，由于该设计选择C车模，并且是电机双驱动，需要两个内部计数器，但是FREESCALE提供的XS128内部只有一个计数器，所以需要外部另外增加一个外部计数器，以保证准确地测出实际的电机速度，对接下来的速度控制提供真实的数据。 图 2.18 外部计数器 2.3.5 各模块接口 包括最小系统板接口、传感器接口、人机界面接口、测速编码器接口、舵机接口，主要由插针等接插件组成。 2.4 最小系统板 单片机使用S12XS128，最小系统板实物图，如下图所示。 图 2.19 最小系统板2.4.1 MC9S12XS128B最小系统设计以MC9S12XS128B芯片为核心的最小系统，如图2.21所示。该系统主要包括以下几个部分：时钟电路、串口电路、BDM接口、供电电路、复位电路和调试用LED灯。各部分的功能分别如下：（1）时钟电路为单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振。（2）串口的RS-232驱动电路可实现TTL电平与RS-232之间的转换。（3）BDM接口允许用户通过该接口向单片机下载和调试程序。（4）供电电路主要是给单片机提供+5V的电源。（5）复位电路是通过一个复位芯片给单片机一个复位信号。（6）调试用的LED灯和单片机的PORTB口相连，供程序调试使用7。图2.20 最小系统图2.4.2 时钟电路 时钟电路是单片机系统可靠运行的关键之一。如果时钟电路在设计上存在问题，会造成时钟电路不稳定，且时钟电路的高频响应噪声会引起系统的兼容性下降，会成为系统永久的隐患。这种不稳定因素带来的不可靠性会给整个系统的调试工作带来极大的困难，设计人员一般很难发现会是由于时钟电路设计不合理或辅助元器件参数有问题造成的。因此，在辅助元器件参数的选择、印刷电路板的布线等方面给予很大的重视。在设计时钟电路时，可以使用有源振荡器作为外部时钟，并且振荡器的频率不必太高，积累足够的经验后再使用频率更高的晶振。若使用无源石英晶振时，也可以不使用内部锁相环倍频电路。标准的MC9S12XS128单片机的时钟电路，通过吧一个16MHz的外部晶振接到单片机的外部晶振输入接口EXTAL和XTAL上，然后利用MC9S12XS128内部的压控振荡器（VCO）和锁相环（PLL）把这个频率提高到25MHz，使之作为单片机工作的内部总线时钟。值得注意的是，MC9S12XS128单片机的外时钟电路既可以使用串联振荡电路，也可以使用并联振荡电路。使用串联振荡电路时，XCLKS引脚即PE7引脚要拉低，而使用并联振荡电路或外部有源振荡器时，该引脚要拉高。因此，在最小系统的设计中，通常会设计一处跳线，方便选择外部有源振荡器还是串联振荡电路。图所示是最小系统外接无源晶振的接口电路。若直接使用有源振荡器，则可以接一个16MHz的外部有源晶体振荡器，经单片机内部分频后得到一个8MHz的总线时钟。由于EXTAL的输入电压为2.5V，故有源晶体振荡器输出的时钟信号必须经分压后才可以和EXTAL连接。对于锁相环模块，需要加上一个如图2.22所示的滤波电路。其中，VDDPLL引脚由单片机内部提供2.5V电压，XFC端是压控振荡器（VCO）的电压控制器，通过给锁相环电路编程，以数字方式锁定VCO的控制端电。而Cs，Cp和Rs的取值与晶振、REFDV寄存器和SYNR寄存器有关，需要通过计算得出，若其参数选择不当，会是VCO的控制端电压抖动，导致系统工作不正常。图2.21 最小系统外接无源晶振的接口电路 图2.22 锁相环滤波电路2.4.3 串行口的RS-232驱动电路通过串口驱动电路中的RS-232电平转换芯片，单片机可以利用异步通信协议与PC机通信。RS-232电平转换芯片可以实现TTL电平与RS-232电平之间的转换，然后再通过9芯串行口与PC进行串口通讯。142.4.4 电源电路HCS12单片机的芯片内部使用3V电压，而I/O端口的外部供电电压为5V。通常需要采用滤波电路改善系统的电磁兼容性，降低系统对电源的高频干扰。2.4.5 复位电路复位电路的作用是产生一个低电压信号给MC9S12XS128的RESET端，使系统上电启动。在最小系统中，通常使用低电压复位芯片MC34064，使上电复位更加可靠。而在设计系统目标板时，也可以只用一只0.1F的电容替代电路中的MC34064。同时，在系统目标板上通常添加一个手动复位按钮，以方便调试时使用。2.4.6 BDM接口BDM接口是连接BDM调试工具，其中BDMIN接口是接BDM调试工具，向MC9S12XS128单片机下载程序用的。若下载相应的BDM调试工具软件到目标板后，这块板就具有了BDM调试器功能。BDMOUT接口是当开发上的应用程序为BDM调试器程序时，此接口可以用做BDM调试器的输出口。如果不打算将这块目标板用作BDM调试器，可以不引出BDMOUT接口，从而有更多的I/O口可供用户的应用程序使用。2.4.7 单片机并行口及驱动能力并行口模块是单片机中最简单的I/O模块，其他功能模块如SCI，SPI，PWM，CAN等在不作为相应功能模块使用时，也可以作为并行口模块使用。如果在单片机的并行口上连接一些发光二极管(LED)可用于调试时显示系统的应用程序的某些状态。S12单片机的引脚共有92个，都可以当做I/O引脚使用。特别是A口、B口、K口常用于CPU总线扩展时的总线接口，它们不用做中线扩展是只能作为并行口使用。并行I/O口上有一个方向寄存器，他控制并行I/O口时用于输入还是输出。若方向寄存器相应位清零，表示该位用于输入；往方向寄存器相应位写1，表示改位用于输出。为安全考虑，单片机的I/O口在复位时，方向寄存器是清零的，即复位后所有I/O口都默认为输入口。并行I/O口在初始化时，要往相应的方向寄存器位写1，才能将改口定义为输出。对于定义为输出口的单片机引脚，可输出逻辑1或逻辑0，在5V供电的情况下，逻辑1不低于4.2V，逻辑0不高于0.8V。如果不作特别说明，一般单片机的I/O口的驱动能力相当于一个TTL晶体管的驱动能力。TTL晶体管导通时，输出为0，相当于输出端接地，允许流过晶体管的典型电流为4mA;TTL晶体管截止时，输出端通过片内的上位电阻保持输出端高电平。当作为高电平输出用时，与高电平可能的输出电流相比，低电平有较强的吸收电流的能力，不能指望有单片机向外提供功率，也不能指望单片机输出的高电平可以直接点亮一个LED灯，而要利用晶体管的导通，靠外部供电来驱动输出设备。这样，当单片机的引脚输出高电平，晶体管截止，相当于开路，LED熄灭。S12单片机的I/O接口有较强的电流吸收能力，各I/O接口可以允许10mA吸收电流，此时输出端仍能保证不高于0.8V。2.5 其它外设 包括人机界面、测速编码器、串口蓝牙、无线模块nRF2401等。 人机界面由一个数码管和两个按键构成，可以实现对赛车各种参数的修改，虽然简单，但完全满足人机交流需要，如图所示。 图2.23 人机界面串口蓝牙和无线模块nRF2401，能方便同PC的数据传输，主要用于调试。 图2.24 串口蓝牙图 图2.25 无线模块 nRF24012.6 本章小结1、 采用陀螺仪ENC-03和加速度计MMA7260传感器控制平衡2、 采用运算放大器TL082构成的放大电路3、 使用TPS7350、LM2940作为稳压器4、 使用7970作为全桥驱动5、 采用XS128B为核心控制芯片6、 使用光电测速编码器3 机械设计 车模的机械部分的设计对车模的行驶性能影响很大，同等控制能力的情况下，机械的性能会直接影响小车稳定性，所以这部分需要精心地调教。虽然规则限制了对车模的改装，但是仍有许多可以注意的地方。3.1 传感器的安装 电磁传感器测出的信号为当前所在位置的某个方向的磁场信息，所以传感器的布局至关重要。通过实验发现，当传感器相距较大，视角宽，得到的道路信息量大。所以，采用尽量架宽主要传感器的方式，以获得丰富的赛道信息，并且提前预知道路形状9。 图3.1 传感器的安装3.2 车模的机械调校 3.2.1 底盘高度 一般来说，底盘的高度越低，车的转向性能越好，行驶稳定性越佳。前高后低的布置会比较有利于转向。所以我们将前后底盘的高度都降低到5mm左右。加强车的机械强度，同时减轻重量，在车模撞击赛道和墙壁是能够很好经受住考验。 3.2.2 差速调整 车在转弯时后轮的速度会不同，所以需要差速器。而C车不具有差速器，无法使用一般的差速方法，但是可以通过控制两个电机的速度，产生一个速度差，使小车在弯道上稳定的转弯和行驶，速度差越大，转弯角度越大，反之，则越小。电机差速的调整对小车完整地跑完具有重要意义9。 3.2.3 后轮机械调节1、传动齿轮的调节齿轮传动对模型车驱动能力有很大影响，因此对其加速性能也有很大影响。如果齿轮配合过紧会增加动力负担，导致加速变缓；过松将无法带动小车，甚至打坏齿轮。可以肉眼刚能看得到间隙为基本状态，逐步调节，直到运动时不发出撞齿声，同时也不出现闷响（这种状态说明齿轮过于紧）为佳。传动齿轮的调节见图3.24。 图3.2 差速器和齿轮配合的调节2、 后轮距的选择 模型车可通过更换后轮红色部件调整后轮距，为了增加模型车的稳定性和降低模型车侧翻和侧滑的可能性，本车采用了大轮距。3、离地间隙的调整 尽量调低底盘高度，降低重心，可以增加车模行驶的稳定性并减小侧滑。同时保持前轮底盘低于后轮底盘的状态，可以增加前轮的抓地能力，提高加速效果等。可以通过使用EX-18垫片调节底盘前半部分离地间隙，通过变换后轮卡圈来调节底盘后半部分的离地间隙。后轮高度调节如图3.3所示。4图3.3 后轮高度调节3.3 车模安装模型车底盘采用的是等长双横臂式独立悬架，两轮驱动。模型车共有3处参数可调。模型车的基本尺寸如表3.19表 3.1基本参数尺 寸后轮距 138mm/146mm车轮直径52mm传动比18/21表3.1 系统基本结构框图3.4 本章小结1、 传感器前瞻尽量远2、 底盘高度尽量低3、 机械结构紧凑、重量轻4 软件设计 系统的软件设计由三大部分组成：1、小车的平衡控制；2、信号检测；3、控制算法；4、执行动作。其中，状态信息检测部分包括道路信息检测、速度检测；道路信息检测由电磁传感器传感器采集和处理两部分组成。利用了单片机MC9S12XS128的TIM模块、PIT模块、PWM模块和SCI串口模块等。开发工具是Metrowerks的Code Warrior IDE V4.5编译器，主要用C语言进行代码的编写。调试工具使用清华大学摩托罗拉MCU应用开发中心的BDM调试套件。4.1 主流程序软件的主要功能包括有： （1）各传感器信号的采集、处理； （2）电机PWM输出； （3）车模运行控制：直立控制、速度控制、方向控制； （4）车模运行流程控制：程序初始化、车模启动与结束、车模状态监控； （5）车模信息显示与参数设定：状态显示、上位机监控、参数设定等。 上述功能可以分成两大类： 第一类包括1-3功能，它们属于需要精确时间周期执行，因此可以在一个周期定时中断里完成。第二类包括4-5功能。它的执行不需要精确的时间周期。可以放在程序的主程序中完成。这两类任务之间可以通过全局变量实现相互的通讯。在系统上电后，根据陀螺仪和角加速度的反馈的值，经过单片机的PD算法，使小车在竖立并且无任何外力的作用下，能自动调整重心分布，不轻易倒下。然后进行电感传感器信号的采集，然后对采集的数据进行处理和计算，给出控制量。当电感传感器信号采集完成后，通过逐行读取数据，进行导线的获取，计算导线的中心位置，设定为默认的中心线。根据导线位置，计算出赛道大致曲率和转向角度，结合实时检测的速度值进行控制直流电机转速从而达到控制速度的目的。比如在直到时采用加速控制，在弯道时采用减速控制，使小车更快完成全程。程序的主流程图如图4.1所示开始系统初始化陀螺仪、角加速度采集速度检测YYYYN结束程序小车是否达目的地NNN小车是否达理想速度小车是否平衡调整电机小车是否在理想位置平衡量+速度