智能车硬件系统的设计与PCB板制作[谷风软件]

1、学号编号研究类型应用研究分类号TP242.6 HUBEI NORMAL UNIVERSITY学士学位论文Bachelors Thesis论文题目智能车硬件系统的设计与PCB板制作 研究与应用作者姓名 指导教师 所在院系机电与控制工程学院专业名称电气工程及其自动化完成时间2012年5月1日湖北师范学院学士学位论文（设计）诚信承诺书中文题目： 智能车硬件系统的设计与PCB板制作 外文题目： Intelligent car the design of the system hardware and PCB production学生姓名学 号院系专业机电与控制工程学院电气工程及其自动化班 级学 生 承

2、 诺我承诺在毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，本人毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况。如有违规行为，我愿承担一切责任，接受学校的处理。 学生（签名）：年 月 日指导教师承诺我承诺在指导学生毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，经过本人核查，该生毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为该生本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。 指导教师（签名）： 年 月 日 智能车硬件系统的设计与PCB板制作（湖北师范学院机电与控制工程学院，湖北 黄石 435002）摘要

3、: 本文以第六届飞思卡尔全国大学生智能车竞赛为基础，介绍了智能车的硬件设计和PCB制板。根据我院各参赛小组小车车模的制作要求，和各小组对硬件的要求完成相应的硬件电路设计，由于本设计需要同时兼顾电磁、光电、摄像头三个小组的硬件资源所以本设计采用吸取各组硬件资源的公共部分，而对于各组的特有部分则是留出相应的硬件接口供各组扩展；完成硬件设计后将硬件电路用PROTEL 99 SE完成PCB制板。关键词：PCB板制作；智能车；飞思卡尔。中图分类号: TP242.6 Intelligent car the design of the system hardware and PCB production （

4、College of Electrical and Control Engineering，Hubei Normal University，Huangshi 453002，China）Abstract: In this paper the sixth freescale national college students intelligent car competition as the foundation, this paper introduces the hardware design of the intelligent car and PCB board system. Acco

5、rding to the present our group of car models make requirements, and the team of hardware required to perform the corresponding hardware circuit design, because this design need both the electromagnetic, photoelectricity, camera three groups of hardware resources so this design USES the learn from ea

6、ch group the public portion of the hardware resources, and to each of the special part is set aside the corresponding hardware interface for each extension; The hardware design will finish after the hardware circuit with PROTEL 99 SE finished PCB board system Key word: PCB production; Intelligent ca

7、r; freescaleit软件#1.前 言22 . 选题背景32.1 课题来源及背景32.2 课题研究的目的和意义42.3 国内外现状及趋势42.4 主要内容和主要工作43. 系统介绍53.1 相关芯片的介绍53.2 单片机最小系统模块84 智能车硬件的设计与实现94.1硬件电路的设计104.1.1电源系统的设计104.1.2 H桥电机驱动模块114.1.3 无线传输模块介绍124.1.4 串口模块145 赛道介绍146 开发平台及工具介绍156.1. 硬件仿真平台157. PCB板制作平台167.1 Protel99SE软件的使用177.1.1PCB板的分类177.1.2 PCB板电源线、

8、地线的设计187.1.3 模拟电路印制电路板信号线的合理布局187.1.4 印制电路板设计应充分考虑到焊盘的孔径大小217.2PCB板器件排布和布线规则227.2.1 元件布局基本规则 227.3 PCB 板的布局：237.4. 放置小器件。237.5 印制线路板的走线：248 总结与展望278.1 总结278.2 展望279. 参考文献28 智能车通用PCB板的制作（指导老师 ）（湖北师范学院 机电与控制工程学院 湖北 黄石 435002）1.前 言智能车是一种集环境感知、决策规划、自动行驶等功能于一体的综合智能系统，智能车集中地运用了自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、

9、机械等多个学科的知识。随着控制技术、计算机技术和信息技术的发展，智能车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色。国外上世纪80年代开始研究，最初是军方做特殊用途。近几年随着城市化得进展和汽车的普及，交通运输问题日益严重。这种背景下，装备着智能交通系统的智能车成为许多国家研究的重要对象。车辆、载体的安全辅助驾驶、工厂、码头、仓库的巡逻、监视物料的自动运输、危险、有毒有害场所的监控、值守、排障、维修等场合，智能车都可以发挥作用。目前，智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无人驾驶，这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别，通过推理判断模仿人工驾驶进行

10、操作。本文所述智能车就是一种自动导引小车,通过对指定赛道进行信号（载流导线空间磁场分布、赛道中心黑线分布情况）采集，由主控CPU对采集到的信号进行参数分析处理进行路径识别方案等方面的研究，探索利用单片机自动处理进行路径自动识别的方案，使之能够在给定的区域内沿着轨迹自动进行行进。 2 . 选题背景2.1 课题来源及背景 全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜,大赛根据导航原理的不同分为电

11、磁组、光电阻和摄像头组。电磁组赛道中心线下铺设直径0. 12-0. 3 mm 漆包线,其中通有f = 20 kHz , I = 100 mA 的交变电流,频率范围(20 2) kHz ,电流范围(100-150) mA ,要求电磁组不允许通过获取道路的光学信息进行路径检测,摄像头组和光电组在赛道中心设有连续或断续的黑线，小车通过光学原理寻黑线行驶；本课题就是以本赛事为平台展开研究的。2.2 课题研究的目的和意义本课题设计需要学会使用PROTEL 99 SE绘制一般的电路原理图和相应的PCB板。充分了解电磁组、摄像头组、光电组的信号采集方案，和信号处理方法，理解各组小车的硬件结构，综合出他们的共

12、同部分，和不同部分，将共同部分的完整电路直接绘制在PCB板上，不同部分则应在单片机上引出相应的输入、输出接口，这样可以增强所绘制的PCB板的通用性。对所绘制的PCB板进行分析，反复改变PCB板上的器件分布，和走线总结出一般的器件分布和走线经验，为以后进一步学习和使用PROTEL 99 SE做基础。2.3 国内外现状及趋势 目前，高性能，高复杂性，高质量是现代电器产品的发展趋势，而随着电路的复杂性提高，电路的质量要求的提高，PCB制板技术的到了广泛的应用。纵观市场上的电器设备，不论电器大小几乎全部都应用到了PCB制板技术，应用PCB制板可以提高电器产品的可靠性、可以提高生产商的生产效率，便于大批

13、量生产。所以目前几乎所有的电器生产公司都会应用到PCB制作技术。2.4 主要内容和主要工作 智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，由大赛组委会统一提供。通过设计基于Freescale 公司开发的MC9S12XS128MAA单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行。自动控制器是以单片机MC9S12XS128MAA为核心，配合有传感器，舵机，电机，电池及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。智能车竞赛要求参赛队伍设计一辆以组委会提供的车模为主体的可以在赛道上自主寻线的模型车，比赛成绩为单圈最好成绩。设计自动控制器是制作智能车的核心环节

14、。可靠性是取得成绩的有力保障。在提高车速的同时保证智能车的稳定性。同时尽量简化电路设计，提高灵活性。 由于主控芯片是别人做好了的单片机最小系统所以我的主要工作是在PCB板上作出相应的电源供应系统、 舵机接口电路、电机控制和供电电路、传感器信号接口电路以及信号指示电路。同时为了提高所绘制的PCB板的通用性，我在PCB班上还引出了单片机的所有引脚，为了方便调试还在PCB板上加上了USB接口来给系统供电，加上了无线通讯系统是小车能和单片机随时随地进行通讯。 3. 系统介绍 参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进

15、行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试。 “飞思卡尔”智能车主要硬件包括：车轮、车模、舵机、驱动电机、电池、主控板、驱动电路、状态显示灯、赛道识别传感器以及调试用的无线传输模块等。3.1 相关芯片的介绍 1） MC9S12XS128的介绍 MC9S12XS128是一个以16位中央处理器为核心的16位微控制器，128K的字节的Flash EEPROM存储器，8K字节的RAM，2K字节的EEPROM，两个异步串行通信接口（SCI），两个串行外围接口（SPI），两个8通道模拟数字转换器（ADC），1个8通道脉宽调制模块，两个兼容CA

16、N2.0A/B协议的控制器，1个Byteflight模块和内部集成电路总线。 HCS12的核心：16位HCS12CPU：20位ALU，指令队列，增强型索 引寻址；多种外部总线接口（MEBI）；模块映射控制机制（MMC）；中断控制（INT）；断点（BKP）；背景调试模块（BDM）。 时钟和复位发生器（CRG）：锁相环；看门狗；实时中断（RTI）；时钟监视器（CM）。 带中断功能的8位和4位端口：可编程的上升沿或下降沿触发。 存储器：128K Flash EEPROM；2K byte EEPROM；8K byte RAM。 2个8通道A/D转换器：10位精度；外部触发转变功能。 3个1 Mb/s的

17、CAN总线模块，兼容CAN2.0 A/B：5个接收缓冲器，3个发送缓冲器；4个独立的中断通道（发送中断、接收中断、错误中断和唤醒中断）；低通滤波器唤醒功能。 增强型捕捉定时器（ECT）：16位计数器，7位预分频功能；8个可编程输入捕捉或输出比较通道；4个8位或2个16位脉冲累加器。 8个PWM通道：每个通道的周期和占空比由程序决定；8个8通道或16个4通道；各通道独立控制；脉冲在周期内中心对称或左对齐输出；可编程时钟选择逻辑；紧急事件关断输入；可作为中断输入。 串行口、总线：2个同步串行设备接口（SPI）；2个异步串行通信接口（SCI）。兼容总线标准；多组总线模块。 LQFP-112和QFP-

18、80封装选择：5 V输入和带驱动能力I/O； 5 V A/D转换器输入；50 MHz系统频率相当于25MHZ总线频率；单线背景调试模块；片上硬件断点。控制用到的引脚说明:EXTAL，XTAL：振荡器引脚，晶振电路或外部时钟引脚。EXTAL 、XTAL分别是振荡器的输入和输出引脚。RESET：外部复位引脚，低电平有效，为双向控制信号。当输入低电平有效时，将MCU初始化成默认状态；MCU内部功能引起复位时，可作为输出信号。TEST：测试引脚，仅有输入功能，专为测试预留。测试引脚在所有应用中必须和VSS连一起用。XFC：锁相环滤波器引脚。BKGD/ /MODC ：背景调试引脚，指令高字节执行标记，在

19、扩展模式下有效，模式选择端子。该引脚在背景调试中作为通信引脚。在复位中作为MCU操作模式的选择引脚，在 信号的上升沿这个引脚状态锁入MODC位。此引脚有一个固定的上拉电阻，并且一直使能。PAD14:8/AN14:8 和 PAD6:0/AN6:0：通用输入引脚；模数转换器的模拟输入引脚。PB7:0/ADDR7:0/DATA7:0：通用输入引脚；在MCU扩展操作模式中，这些引脚可作为数据总线。PE6/MODB/IPIPE1：通用输入或输出引脚；在复位时，作为MCU操作模式的选择引脚，此引脚的状态在 信号的上升沿被锁入MODB位；此引脚同时也是指令队列状态输出信号IPIPE1。仅当 为低电平有效时，

20、此引脚是带下拉电阻的输入。PE5/MODA/IPIPE0：通用输入或输出引脚；在复位时，作为MCU操作模式的选择引脚，此引脚的状态在 信号的上升沿被锁入MODA位；此引脚同时也是指令队列状态输出信号IPIPE0。仅当 为低电平有效时，此引脚是带下拉电阻的输入。PE4/ECLK: 通用输入或输出引脚；并能配置驱动内部总线时钟ECLK。PE1/ ：通用输入或输出引脚；可屏蔽异步中断请求输入信号 ，可以将MCU从停止或等待模式中唤醒。PE0/ ：通用输入或输出引脚；不可屏蔽异步中断请求输入信号 ，提供一种应用于异步中断请求的方法，可以将MCU从停止或等待模式中唤醒。PS3/TXD1：通用输入或输出引

21、脚；可作为串行通信接口1的发送引脚。PS2/RXD1：通用输入或输出引脚；可作为串行通信接口1的接收引脚。PS1/TXD0：通用输入或输出引脚；可作为串行通信接口0的发送引脚。PS0/RXD0：通用输入或输出引脚；可作为串行通信接口0的接收引脚。PT7:0/IOC7:0：通用输入或输出引脚；可作为增强型捕捉定时器(ECT)的输入捕捉或输出捕捉比较引脚IOC7IOC0。 VDDX,VSSX：I/O驱动的外部电源和接地引脚。为满足信号快速上升的要求，电源应能提供瞬时大电流，因此应使用高频旁路电容，并尽可能放在MCU旁边，旁路要求取决于MCU引脚的负载大小。 VDDR, VSSR：I/O驱动的外部电

22、源和接地引脚及内部电压调节器的输入。为满足信号快速上升的要求，电源应能提供瞬时大电流，因此应使用高频旁路电容，并尽可能放在MCU旁边，旁路要求取决于MCU引脚的负载大小。 VDD1, VDD2, VSS1, VSS2：电源通过VDD和VSS给MCU供电，为满足信号快速上升的要求，电源应能提供瞬时大电流，因此应使用高频旁路电容，并尽可能放在MCU旁边。这个2.5V电压来自于内部电压调节器。这些引脚不能悬空。如果VREGEN接地，则内部电压调节器将被关闭。 VDDPLL, VSSPLL：为振荡器和锁相环提供操作电压和接地。这个2.5V电压来自于内部电压调节器。 VREGEN：使能内部52.5V的电

23、压调节器。如果此引脚连到低电平，则VDD1、VDD2和VDDPLL必须由外部供电。 操作模式: MC9S12DT128有八种操作模式。在复位信号 的上升沿，MODC, MODB, 和 MODA引脚上的数据锁进MODE寄存器的相应位，用来决定操作模式，如表1所列。MODE寄存器的MODC, MODB, 和 MODA位在运行期间指示当前操作模式。在复位信号的上升沿，ROMCTL 引脚数据锁存，送入MISC 寄存器中的ROMON位，ROMON位决定内部Flash在内存映像中是否可见。ROMON = 1说明Flash在内存映像中可见。3.2 单片机最小系统模块 图3.2 最小系统图将系统控制要用到的单

24、片机资源用排针引出备用，系统用的是16Mhz的无源晶振。还有就是程序下载端口BDM的引出，将最小系统单独制作一块小的PCB板，便于安装和更换。 图3.3 单片机最小系统图4 智能车硬件的设计与实现智能车的设计包括机械结构设计、智能车电路设计和相应软件的设计等。智能车的电路设计在整个设计过程中占有相当重要的分量，稳定合理的电路是智能车高速运行的必要条件。在遵循电路简单可靠，功能强大，方便调试的原则下，本智能车电路系统包含以下几个部分：1. 电源模块 2. 单片机最小系统及外围模块3. 感器模块 4. 测速编码器模块5. H桥电机驱动模块 6. 干簧管起跑线检测模块7. 无线传输模块 电路系统框图

25、如下： 图 3.1 智能车电路系统框图以上模块中单片机最小系统为官方提供的，所以不需要设计而各组小车的传感器各不相同所以本设计中指引出了传感器的供电接口，和单片机相应的信号输入接口；测速编码器模块需要在PCB板上留出相应的接口；为了方便各小组软件设计和系统调试我还在PCB板上添加了USB供电和串口通讯模块以及无线收发模块。4.1硬件电路的设计 4.1.1电源系统的设计 （1）、单片机最小系统电源 图4.1 单片机最小系统电源图 单片机是系统的核心控制器，给它供电的电源一定要稳定，而且供电质量有严格的要求，电源的纹波要非常小，不然容易导致程序跑飞，或者系统自动复位。通过测试比较，选择了三端稳压芯

26、片LM2940-5。它是一款高电流低压差的芯片，功耗较LM7805要大一些。（2）、舵机电源 图4.2 舵机电源图舵机是小车方向的执行器，舵机供电的质量也非常关键。正常舵机供电是6V，单片机通过级联P0、P1组成16位的PWM输出口来控制舵机。为了备用，也将P2、P3引出备用。由于舵机对电源的纹波要求不高，所以选择功耗低一些的LM7806供电。（3）、传感器电源 图4.3 摄像头电源图传感器供电是要求电源模块纹波小，电压的稳定性要好。所以单独设计一个LM2940-5的5V供电模块，用一跟其他电源模块隔开，从而免受其他模块的影响。4.1.2 H桥电机驱动模块电机驱动部分的电路原理图如图3.8所示

27、。图3.8 电机驱动原理图4.1.3 无线传输模块介绍由于小车是动态运行的，为了做到在线测量一些数据，我们设计了一种以NRF2401（图2.14）为核心的无线通信模块，来实现单片机和PC 之间的无线通信，将要查看的参数信息实时传送回来，从而我们可以掌握单片机的运行状态，还可以实时传输智能车行驶的信息，例如传感器探测到的信号、车行驶的速度、某些寄存器的数值等。通过掌握这些信息使调试过程更加简便， 缩短了调试周期。图3.9 NRF24L01无线通信模块我们采用两块无线通讯模块之间点对点通讯，示意图如下图2.15所示， 图3.10 无线通讯模块连接示意图PCB设计中的原理图电路如下 PCB原理图设计

28、中的无线收发模块4.1.4 串口模块图 4.9 串口通信电路串口模块的电路很常见，在这里就不多说了。这个模块在我的这个系统中主要是用来对舵机进行调试，测试舵机的转角，再就是将传感器的值实时的传输出来，并在PC机上显示出来。这对我们的调试起到了很大的作用。5 赛道介绍 比赛赛道有举办方提供，赛道路面用专用白色基板制作，宽度=50cm,跑道表面位白色，中心有黑色作为引导线（光电组和摄像头组用），黑线宽255mm。黑色引导线下铺设有直径0.1-0.8mm的漆包线，其中通有20KHz，100mA的交变电流，频率范围为201K，电流范围为10020mA。跑道可以有交叉，交叉角为90，弯道最小曲率半径不小

29、于50cm。赛道有一个长为1m的出发区，如下图所示，计时起点两边分别有一个长度为10cm的黑色计时起始线（电组和摄像头组用），赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者结束时刻。在黑色计时起始线中间安装有永久磁铁（用于电磁组起跑线检测），每一边各三只。磁铁参数：直径7.5-15mm，高度1-3mm，表面磁场强度3000-5000Gs。 图 3.4 赛道起跑线示意图 图 3.5 赛道的整体图 6 开发平台及工具介绍6.1. 硬件仿真平台 在传感器设计上面，我们使用了Protues 软件作为主要仿真平台。Protues 是英国Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于WINDOWS

30、 操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。该软件简单、高效、易用。主要特点如下： 1. 实现了单片机仿真和SPICE 电路仿真相结合。 2. 实现了单片机仿真和SPICE 电路仿真相结合。 3. 支持主流单片机系统的仿真。提供软件调试功能。 4. 具有强大的原理图绘制功能。Protues 软件运行界面如下图所示。 图3.6 Protues软件运行界面 利用虚拟示波器可以很方便、很直观的查看信号波形，并且示波器面板模拟实际示波器面板，简单易用。如图下图所示。 图3.7 Protues 软件示波器使用 7. PCB板制作平台随着计算机技术的飞速发展，集成电路被广泛应用，电路

31、越来越复杂，集成度越来越高，加之新型元件层出不穷，使得越来越多的工作已经无法用手工来完成，因此计算机辅助电路板设计已经成为电路板设计制作的必然趋势。Protel 99SE具有丰富的设计功能，能进行原理图的设计、印制电路板的设计、PCB板的设计等功能，现对其进行介绍：Protel 99SE采用数据库的管理方式。Protel 99SE软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。新增的3D功能让您在加工印制版之前可以看到板的三维效果。增强的打印功能，使您

32、可以轻松修改打印设置控制打印结果。Protel 99SE容易使用的特性还体现在“这是什么”帮助，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。Protel 99SE附件安装方法非常简单，只需双击光盘目录下的Install.exe即可。 其使用界面如图2.10所示。 图3.8 PROTEL 99 SE原理图绘制界面7.1 Protel99SE软件的使用7.1.1PCB板的分类印制电路板（PCB）的常见结构可以分为单层板（single Layer PCB）、双层板（Double Layer PCB）和多层板（Mult

33、i Layer PCB）三种。1、单层板single Layer PCB 单层板（single Layer PCB）是只有一个面敷铜，另一面没有敷铜的电路板。元器件一般情况是放置在没有敷铜的一面，敷铜的一面用于布线和元件焊接。 2、双层板Double Layer PCB 双层板（Double Layer PCB）是一种双面敷铜的电路板，两个敷铜层通常被称为顶层（Top Layer）和底层（Bottom Layer），两个敷铜面都可以布线，顶层一般为放置元件面，底层一般为元件焊接面。 3、多层板Multi Layer PCB 多层板（Multi Layer PCB）就是包括多个工作层面的电路板，

34、除了有顶层（Top Layer）和底层（Bottom Layer）之外还有中间层，顶层和底层与双层面板一样，中间层可以是导线层、信号层、电源层或接地层，层与层之间是相互绝缘的，层与层之间的连接往往是通过孔来实现的。7.1.2 PCB板电源线、地线的设计 电源线应该足够宽，以保证低电阻和小电感，但是，电容藕合将随着宽度的增加而增加。在同一块印制电路板上，模拟电路和数字电路的地线网络应该严格分开。同样的，参考电压通常对于地电平的波动很敏感，应该从电源线中分离出来，直接接到印制电路板的输入端，并且它的地线应该独立地连接到设备中一个稳定的参考地端。实际生活中，地线既有电阻又有电感，还有未知的电流流过，

35、并且当电流流过电阻时会产生电压降。印制电路板CAD 程序在地线设计方面有很大的不足，因为它们将所有导线设计得尽可能细，以便保存铜箔的面积，这样就会有很高的地电阻。有一种显而易见的方法可取代细的地线一一将印制电路板覆铜面的所有地线连接在一起，形成一个连续的接地面。由于0.001 in (0. 025mm)铜的电阻大约是O. 67m/in2 ，通常情况下，这样就足够了，但也不都如此。7.1.3 模拟电路印制电路板信号线的合理布局 在模拟电路印制电路板中，信号线能完成各种功能，如信号输入、反馈、输出以及提供基准信号等。因此，对于不同的应用，信号线都必须以各种方式进行优化。但是，有一个公认的准则就是在

36、所有模拟电路印制电路板中，信号线应尽可能的短，这是因为信号线越长，电路中的感应和电容捐合就越多，这是不希望看到的。现实情况是，不可能将所有的信号线都做成最短，因而，布线时首先要考虑的就是最容易产生干扰的信号线。特别是在下列电路中信号线的布线需格外引起注意:1)高频放大器/振荡器;2) 多级放大器，特别是输出功率较高的放大器;3) 高增益直流放大器;4) 小信号放大器;5) 差动放大器。1.高增益直流放大器 高增益直流放大器通常用于小信号放大。当晶体管或直流放大器等器件被焊接在印制电路板上时，就会在铜筒和器件引脚的连接处形成热电偶，从而产生不同的交变电压，对放大器形成一个干扰信号。为了使直流放大

37、器输入级周围的温度变化率达到最小，并且保持恒定，建议将输入级用一个隔离装置包围起来，以避免其周围空气流动所造成的影响。2. 差动放大器差动放大器只对两个信号的差值进行放大，而对其公共的电压信号将不予放大。如果差动放大器和印制电路板设计不合理，当信号电平较低时，公共电压就会产生一个小的差动干扰信号。差动放大器的输入阻抗高，输入端任何参数的不平衡都会给电路造成很大的干扰。所以，在印制电路板设计时必须确保放大器在物理结构上完全对称。 在差动放大器的输入端存在一个确定的漏电阻，它可以造成不平衡的电压偏移。这个问题可以通过在输入电路增加防护装置加以解决，如图4-1 所示。防护装置将信号线包围，如果它能和

38、两个输入信号线的低电平端保持相同的电压，就会引起有效电阻的增加。这种装置能够确保信号源终端和防护体与信号源的低电平端电平相同。图4-2 为如何在印制电路板上安装信号线防护装置。防护线要形成一个圈，将信号线从输入端到放大器的输入连接点都包围起来，并且和设备的防护装置相连，这对于处理低电平差动信号是一种行之有效的方法。另外，小信号差动放大器的印制电路板基材更适合使用环氧玻璃材料，这有助于减小漏电流。3. 微小信号放大器 该信号放大器处理的是微小信号，包括以下两种类型。(1)高阻抗(低电流)放大器这种放大器中，两个相邻的信号线间存在电容藕合，这会严重影响电路的性能，甚至导致低电平信号被覆盖。 高阻抗

39、电路中，两导线间的电容藕合如图4-3 所示。为了减小藕合，建议在高阻抗的信号线之间，以及其他干扰信号之间保持足够的距离。一般情况下，该距离至少为信号线宽度的40 倍。 无论如何，低电平信号线的对地电容应该很高，以便减小耦合电压。这就是说，低电平信号导线应当靠近地线。如果不能保证低电平信号线之间有足够的宽度，可在它们之间布一条地线，以降低藕合。 当放大器使用光电池或化学电池作为电源时，电源阻抗可达到数百万甚至是数亿欧姆。如果蚀刻后印制电路板没有进行充分地清理，残留在电路板表面的电解液就会在邻近的导线间产生较大的电阻，甚至即使电路板完全清理干净了，仍有不大于10 12 0 的漏电阻存在。而且，这些

40、电阻不可能是等方性分布的，以致于两条邻近导线间的电阻可能比距离较远的两条导线间的电阻更高。因此，低电平I1 V (电流/电压)转换器的输入应当在印制电路板两面都用防护环路保护起来(见图4-5) ，防护环路应连接到与总的连接点等电位的点上。如果做到这些，漏电阻的精确值就不那么重要了，因为加在它上面的差值电压己很小了。高阻抗放大器印制电路板不能使用镀通孔。印制电路板材料的体积电阻率比表面电阻率更低，在基板上很难安装防护环。最好的方法就是把高阻抗放大器的终端连接到聚四氟乙烯绝缘体上，而不是印制电路板导线上。(2) 低阻抗(低电压)放大器 在低阻抗电路中，有可能产生感应电压，这是因为电路中有感应藕合或

41、磁场存在。这种干扰可通过以下方法减小到一定程度:1)将高电平交流信号线与低电平信号线保持足够的距离;2) 在信号线附近布设地线;3) 避免形成接地环路，以防外部磁场干扰低电平信号。4. 高频放大器/振荡器 如果高频放大器印制电路板布线不合理，就会导致放大器带宽的降低，如图4-7 所示。这是因为两条靠近的地线和信号线之间会形成一个大电容，这个电容与输出电阻一起构成一个低通滤波器。这个低通滤波器使放大器带宽降低。同时，如果输入信号线和输出信号线彼此接近，反馈信号就会引起振荡。为了避免这些问题的产生，上述导线之间应该留有足够的空间间隔 。 电子电路设计者通常都有这样一个共同的经历，那就是如果设计一个

42、高频放大器，实际上它却会产生振荡。在振荡器的布局中也会遇到类似的问题，它不按照所设计的频率振荡。这种问题的产生是由于信号线之间存在电容藕合，因此，在印制电路板布局时很重要的一点就是减小信号线之间的藕合电容。5. 具有高功率输出的多级放大器 如果电源线和地线太长，多级放大器很容易产生低频振荡。由于导线自身具有电阻率，由高功率输出引起的大电流将会流过这些导线。在电源和地之间加一个足够大的电容，形成电源去藕电路，就可以解决这个问题(见图4-8 )。或者，对于不同的放大级分别提供独立的电源和地线，这样就不会有公共的电源和地线通路了。7.1.4 印制电路板设计应充分考虑到焊盘的孔径大小 按照焊盘要求进行

43、设计是为了达到最小的直径，该直径至少比焊接终端小孔凸缘的最大直径大0.5mm。 必须按照ANSI/IPC 2221 要求为所有的节点提供测试焊盘。节点是指两个或多个元器件之间的电气连接点。一个测试焊盘需要一个信号名(节点信号名)、与印制电路板的基准点相关的x-y 坐标轴以及测试焊盘的坐标位置(说明测试焊盘位于印制电路板的哪一面)。需要为SMT 提供固定装置的资料，还需要印制电路板装配布局的温合技术，以在在电路测试固定装置或通常被称为钉床固定装置的帮助下促进在电路中的可测试性。为了达到这个目的，需要:1)专门用于探测的测试焊盘的直径应该不小于0.9mm 。2) 测试焊盘周围的空间应大于0.6mm

44、 而小于5mm 。如果元器件的高度大于6. 7mm，那么测试焊盘应置于该元器件5mm 以外。3) 在距离印制电路板边缘3mm 以内不要放置任何元器件或测试焊盘。4) 测试焊盘应放在一个网格中2.5mm孔的中心。如果有可能，允许使用标准探针和一个更可靠的固定装置。5) 不要依靠连接器指针的边缘来进行焊盘测试。测试探针很容易损坏镀金指针。6) 避免镀通孔-印制电路板两边的探查。把测试尖端通过孔放到印制电路板的非元器件/焊接面上。这种方式可以允许使用可靠的、较便宜的装置。不同的孔尺寸的数量要维持在最低。镀通孔的纵横比对于制造商在镀通孔内进行有效电镀的能力方面有着重要的影响，同样在保证PTH/PTV

45、结构的可靠性方面也很重要。当孔的尺寸小于基本电路板厚度的1/4 时，公差应增加0.05mm。当钻孔直径为0.35mm 或更小时，纵横比为4:1 或更大时，制造者都应该使用合适的方式遮住或堵住镀通孔以防止焊料的进入。一般而言，印制电路板厚度与镀通孔间距的比率应该小于5 : 1 。7.2PCB板器件排布和布线规则7.2.1 元件布局基本规则1. 按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开2.定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm 内不得贴装元、器件，螺钉等安装孔周围3.5mm（对于M2.5）、4mm（对于M3）内不得贴装

46、元器件。3. 卧装电阻、电感（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路。4. 元器件的外侧距板边的距离为5mm。5. 贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm。6. 金属壳体元器件和金属件（屏蔽盒等）不能与其它元器件相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于2mm。定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其它方孔外侧距板边的尺寸大于3mm。7. 发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均衡分布8. 电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。特别应注意不要把电源插座及其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊

47、接及电源线缆设计和扎线。电源插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔。9. 其它元器件的布置所有IC 元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一印制板上极性标示不得多于两个方向出现两个方向时，两个方向互相垂直。10、板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状铜箔填充，网格大于8mil(或0.2mm)。11、贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。重要信号线不准从插座脚间穿过。12、贴片单边对齐，字符方向一致，封装方向一致。13、有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致。7.2.2 元件布线规则1、画定布线区域距PCB板边1mm的区域内，以及安装孔周围1mm内，禁止

48、布线2、电源线尽可能的宽，不应低于18mil；信号线宽不应低于12mil；cpu入出线不应低于10mil（或8mil）；线间距不低于10mil3、正常过孔不低于30mil4、双列直插：焊盘60mil，孔径40mil 1/4W电阻： 51*55mil（0805表贴）；直插时焊盘62mil，孔径42mil 无极电容： 51*55mil（0805表贴）；直插时焊盘50mil，孔径28mil5、 注意电源线与地线应尽可能呈放射状，以及信号线不能出现回环走线 7.3 PCB 板的布局： 一. 印制线路板上的元器件放置的通常顺序： 1.放置与结构有紧密配合的固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接

49、件之类，这些器件放置好后用软件的LOCK 功能将其锁定，使之以后不会被误移动； 2. 放置线路上的特殊元件和大的元器件，如发热元件、变压器、IC 等； 7.4. 放置小器件。 1. 元器件离板边缘的距离：可能的话所有的元器件均放置在离板的边缘3mm以内或至少大于板厚，这是由于在大批量生产的流水线插件和进行波峰焊时，要提供给导轨槽使用，同时也为了防止由于外形加工引起边缘部分的缺损，如果印制线路板上元器件过多，不得已要超出3mm范围时，可以在板的边缘加上3mm的辅边，辅边开V 形槽，在生产时用手掰断即可。 2. 高低压之间的隔离：在许多印制线路板上同时有高压电路和低压电路，高压电路部分的元器件与低

50、压部分要分隔开放置，隔离距离与要承受的耐压有关，通常情况下在2000kV时板上要距离2mm，在此之上以比例算还要加大，例如若要承受3000V的耐压测试，则高低压线路之间的距离应在3.5mm以上，许多情况下为避免爬电，还在印制线路板上的高低压之间开槽。 7.5 印制线路板的走线： 1. 印制导线的布设应尽可能的短，在高频回路中更应如此；印制导线的拐弯应成圆角，而直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能；当两面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；作为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间最好加接地线。

51、2. 印制导线的宽度：导线宽度应以能满足电气性能要求而又便于生产为宜，它的最小值以承受的电流大小而定，但最小不宜小于0.2mm，在高密度、高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取0.3mm；导线宽度在大电流情况下还要考虑其温升，单面板实验表明，当铜箔厚度为50m、导线宽度11.5mm、通过电流2A时，温升很小，因此，一般选用11.5mm宽度导线就可能满足设计要求而不致引起温升；印制导线的公共地线应尽可能地粗，可能的话，使用大于23mm的线条，这点在带有微处理器的电路中尤为重要，因为当地线过细时，由于流过的电流的变化，地电位变动，微处理器定时信号的电平不稳，会使噪声容限劣化；在DIP封装的IC

52、脚间走线，可应用1010与1212原则，即当两脚间通过2根线时，焊盘直径可设为50mil、线宽与线距都为10mil，当两脚间只通过1根线时，焊盘直径可设为64mil、线宽与线距都为12mil。 3. 印制导线的间距：相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压。这个电压一般包括工作电压、附加波动电压以及其它原因引起的峰值电压。如果有关技术条件允许导线之间存在某种程度的金属残粒，则其间距就会减小。因此设计者在考虑电压时应把这种因素考虑进去。在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距。

53、4. 印制导线的屏蔽与接地：印制导线的公共地线，应尽量布置在印制线路板的边缘部分。在印制线路板上应尽可能多地保留铜箔做地线，这样得到的屏蔽效果，比一长条地线要好，传输线特性和屏蔽作用将得到改善，另外起到了减小分布电容的作用。印制导线的公共地线最好形成环路或网状，这是因为当在同一块板上有许多集成电路，特别是有耗电多的元件时，由于图形上的限制产生了接地电位差，从而引起噪声容限的降低，当做成回路时，接地电位差减小。另外，接地和电源的图形尽可能要与数据的流动方向平行，这是抑制噪声能力增强的秘诀；多层印制线路板可采取其中若干层作屏蔽层，电源层、地线层均可视为屏蔽层，一般地线层和电源层设计在多层印制线路板

54、的内层，信号线设计在内层和外层。根据上面的基本概念本次设计的PCB板为双层板其板面结构如下 图3.11 电路原理图 图3.12 PCB平面结构8 总结与展望8.1 总结 可靠地硬件系统是数据采集的准确与高效的必要条件，也是制作过程中的一个难点；通过对智能车技术的深入了解，在了解原理的基础上，对智能车硬件的实现做了进一步研究。通过对往届智能车技术报告进行分析，提出了系统整体架构。在硬件方面，设计了微控制器MC9S12XS128与各部分电路的连接，完成了整板电源系统的设计。利用PROTEL 99 SE软件完成了智能车系统硬件电路的原理图和PCB的图绘制，并焊接元件，完成电路测试，并且能在小车上正常运行，能满足小车的各部分硬件要求。虽然课题已