智能小車(chē)計(jì)時(shí)器

摘 要：為了準(zhǔn)備第三屆“飛思卡爾杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽”，針對(duì)智能汽車(chē)比賽計(jì)時(shí)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)制作了一種單賽道智能小車(chē)計(jì)時(shí)器。采用對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)作為傳感器，巧妙地運(yùn)用MAX232的DC/DC轉(zhuǎn)換器功能，利用RS 232接口輸入脈沖信號(hào)計(jì)時(shí)，完成硬件接口電路。采用C++.NET編程，設(shè)計(jì)完成智能車(chē)計(jì)時(shí)控制程序。該計(jì)時(shí)器硬件線路簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)際應(yīng)用效果良好，可以廣泛應(yīng)用于智能賽車(chē)競(jìng)賽和性能測(cè)試研究。

關(guān)鍵詞：計(jì)時(shí)器;智能車(chē)競(jìng)賽;串行接口;光電開(kāi)關(guān)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004373X(2008)1919203

Timer for Intelligent Car

OU Yiwen1，HAN Yi2，WANG Guiping1

(1.School of Electronic and Control Engineering，Chang′an University，Xi′an，710062，China；2.School of Automobile，Chang′an University，Xi′an，710062，China)

Abstract：Preparing for the third\"Freescale Cup National Undergraduates Intelligent Car Contest\"，a timer is manufactured to solve the problem of timing.A photoelectric switch is used as a sensor to give the signal of timing pulse to computer via serial port.The Max232， which has dual charge-pump DC-DC voltage converters，C++.NET is used to programme.The timer is inexpensive and do work well.

Keywords：timer；intelligent car contest；serial port;photoelectric switch

1 引 言

為了加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神，培養(yǎng)面向未來(lái)的科技尖端人才，教育部在已舉辦全國(guó)數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4大專業(yè)競(jìng)賽的基礎(chǔ)上設(shè)立了第5項(xiàng)大學(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽——全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽。由于目前市場(chǎng)上專用的電子計(jì)時(shí)器價(jià)格較高，一般院校經(jīng)費(fèi)有限，難于購(gòu)買(mǎi)，通常采用秒表計(jì)時(shí)，由于人反應(yīng)時(shí)間的限制及秒表本身的精度不高，計(jì)時(shí)精度較差。針對(duì)智能汽車(chē)比賽計(jì)時(shí)的問(wèn)題，充分利用調(diào)試所用PC機(jī)資源，設(shè)計(jì)制作了一種價(jià)格便宜、計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的智能汽車(chē)競(jìng)賽用計(jì)時(shí)器。

該計(jì)時(shí)器巧妙地運(yùn)用MAX232的DC/DC轉(zhuǎn)換器功能和PC機(jī)RS 232接口中的CTS端輸入計(jì)時(shí)脈沖，采用C++.NET編程，設(shè)計(jì)完成單賽道智能車(chē)計(jì)時(shí)控制程序，線路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，經(jīng)實(shí)際使用性能可靠，使用方便，成本低廉。

2 硬件構(gòu)成

如圖1所示，計(jì)時(shí)器主要由光電傳感器、電平轉(zhuǎn)換電路、電源和PC機(jī)組成。由于RS 232信號(hào)的電平為：邏輯1（MARK）=-3～-15 V，邏輯0（SPACE）=+3～+15 V，而光電傳感器的輸出在0～+5 V之間，因此光電傳感器的輸出脈沖必須先經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路，再?gòu)腞S 232輸入PC機(jī)。PC機(jī)檢測(cè)到串口狀態(tài)的改變，控制計(jì)時(shí)器的開(kāi)、關(guān)。

光電傳感器采用對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)，它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)^{［2 ］}。計(jì)時(shí)器采用南海振華電子廠的PT-A光電開(kāi)關(guān)，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，當(dāng)供電10 V時(shí)，如果接收器與發(fā)射器之間沒(méi)有障礙物阻擋，輸出高電平+3.57 V，如果有障礙物阻擋，則輸出0 V。

由于光電開(kāi)關(guān)輸出負(fù)脈沖，即小車(chē)經(jīng)過(guò)計(jì)時(shí)區(qū)時(shí)的信號(hào)電平為低電平，必須利用三極管和繼電器的常閉觸點(diǎn)將負(fù)脈沖進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并轉(zhuǎn)換成串口可識(shí)別的高低電平，做為計(jì)時(shí)脈沖從RS 232的CTS針腳輸入PC機(jī)，電路連接如圖2所示，其中1為繼電器，2為光電開(kāi)關(guān)。從圖中可以看出，電路需要三種電源，分別為+5 V和±10 V。一般來(lái)說(shuō)，電路應(yīng)盡量使用單電源，考慮到串口電平的要求和電路的簡(jiǎn)單化，可以利用MAX232的DC/DC轉(zhuǎn)換器功能得到±10 V的電壓。

MAX232芯片是Maxim公司生產(chǎn)的低功耗、單5 V電源供電、雙RS 232發(fā)送/接收器，它的內(nèi)部包含了＋5 V及±10 V的兩個(gè)電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5 V轉(zhuǎn)換成RS 232所需的±10 V電壓。MAX232可以從+10 V（V+）和-10 V（V-）輸出端獲取少量的電源功率，為外部電路供電。由于V+、V-未經(jīng)穩(wěn)壓，輸出電壓會(huì)隨負(fù)載電流的增大而下降，當(dāng)V+、V-為外部電路提供電流時(shí)，不能使V+、V-低于EIA/TIA-232E驅(qū)動(dòng)器輸出電壓最小值±5 V的限制^［1，5］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)MAX232為光電開(kāi)關(guān)提供工作電流時(shí)，V+降為+8 V，V-為-10 V，電壓范圍大于±5 V，因此可以用MAX232驅(qū)動(dòng)光電開(kāi)關(guān)。

3 軟件設(shè)計(jì)

串口是常用的計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通道。實(shí)現(xiàn)串口通信有多種方法^［4～9］，并且各有優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到計(jì)時(shí)信號(hào)是單脈沖信號(hào)，可以從串口的某一個(gè)針腳輸入，而不是數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，可以通過(guò)檢測(cè)串口針腳的狀態(tài)來(lái)得到計(jì)時(shí)脈沖信號(hào)。

在C++.NET中，有一個(gè)GetCommModemStatus（）函數(shù)可以檢測(cè)串口4個(gè)針腳的狀態(tài)，具體返回值如表1所示。

經(jīng)過(guò)選擇，計(jì)時(shí)器采用CTS針腳作為信號(hào)輸入端， PC機(jī)通過(guò)不斷檢測(cè)CTS針腳的狀態(tài)來(lái)得到計(jì)時(shí)脈沖。設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

在C++.NET中提供了很多時(shí)間控制函數(shù)，在要求誤差不大于1 ms的情況下，可以采用GetTickCount()函數(shù)，該函數(shù)的返回值是DWORD型，表示以ms為單位的計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后經(jīng)歷的時(shí)間。比賽開(kāi)始時(shí)調(diào)用一次GetTickCount()，得到時(shí)刻T1，到達(dá)終點(diǎn)后再調(diào)用一次GetTickCount()，得到時(shí)刻T2，T2-T1的時(shí)間差即為小車(chē)跑完一圈所用的時(shí)間。計(jì)時(shí)開(kāi)始前先用CreateFile（）打開(kāi)串口，計(jì)時(shí)脈沖從CTS輸入PC機(jī)。

程序原代碼如下：

main()

{…

m_hcomm=CreateFile(m_comm，GENERIC_READ，0，NULL，OPEN_EXISTING，F(xiàn)ILEFLAG_OVERLAPPED，NULL);//打開(kāi)串口

GetCommModemStatus(m_hcomm， status);

if(status==0) return;

if(status MS_CTS_ON)//開(kāi)始計(jì)時(shí)

{k=::GetTickCount();

mm= float(k)/1000;

}

SetTimer(1，10，TimerProc);

…

}

void CALLBACK TimerProc(HWND hWnd，UINT nMsg，UINT nTimerid，DWORD dwTime)//回調(diào)函數(shù)

{ k=::GetTickCount();

ss=float(k)/1000-mm;

s.Format(\"%.3f\"，ss);

SetDlgItemText(hWnd，IDCEDIT1，s);

}

為了能實(shí)時(shí)顯示時(shí)間的變化，可以使用SetTimer(1，10，TimerProc)函數(shù)，每隔一段時(shí)間刷新顯示小車(chē)賽跑時(shí)間的變化。計(jì)時(shí)結(jié)束后調(diào)用KillTimer(1)關(guān)閉計(jì)時(shí)器，同時(shí)調(diào)用CloseHandle (m_hcomm)關(guān)閉串口。

4 去抖動(dòng)方法

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于小車(chē)車(chē)體的不規(guī)則，在小車(chē)經(jīng)過(guò)計(jì)時(shí)區(qū)時(shí)，CTS針腳的輸入信號(hào)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)脈沖，如圖4所示。

為了消除抖動(dòng)脈沖的影響，可以有兩種方法，一是使用Sleep()函數(shù)的延時(shí)功能，在檢測(cè)到高電平后，延時(shí)一段時(shí)間，再次檢測(cè)CTS針腳，如果仍是高電平，則記錄時(shí)間，否則為抖動(dòng)脈沖。由于Sleep()函數(shù)不僅使TimerProc線程暫停，同時(shí)還使整個(gè)程序進(jìn)程暫停，影響了程序的界面操作，因此采用第二種方法。首先假設(shè)車(chē)體經(jīng)過(guò)計(jì)時(shí)區(qū)所需時(shí)間不大于4 s，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)高脈沖到來(lái)時(shí)，記錄下時(shí)間為T(mén)₁，將第二個(gè)高脈沖到來(lái)的時(shí)間記為T(mén)₂，如果T₃-T₁小于4 s，則認(rèn)為是抖動(dòng)脈沖，如果T₂-T₁大于4 s，則將結(jié)果記錄下來(lái)作為比賽成績(jī)輸出顯示。代碼如下：

//將脈沖上升沿作為計(jì)時(shí)信號(hào)

if(status==0){ di=1;gao=0;}

if(MS_CTS_ON status) gao=1;

if(di==1gao==1){ii++;di=2;}

//第一圈的成績(jī)

if(ii==2di==2)

{chengji［1］=ss;

if(chengji［1］<4){ii=1;di=0;}

else

{show.Format(\"%.3f\"，chengji［1］);

SetDlgItemText(hWnd，IDC_EDIT2，show);

di=0;return;

}

}

5 結(jié) 語(yǔ)

這款智能車(chē)計(jì)時(shí)器采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)時(shí)處理，充分利用了計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)時(shí)的高精度，而且通過(guò)計(jì)算機(jī)也可以很方便地選擇串口和設(shè)定賽車(chē)比賽圈數(shù)。實(shí)際使用證明，該智能車(chē)計(jì)時(shí)器具有操作簡(jiǎn)單，方便易用，可長(zhǎng)時(shí)間工作，輸出可視化的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)計(jì)時(shí)精度高，成本低廉，滿足比賽訓(xùn)練與計(jì)時(shí)的要求，可以廣泛應(yīng)用于智能賽車(chē)競(jìng)賽和性能測(cè)試研究。

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作者簡(jiǎn)介 歐意文 女，1986年出生，長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院學(xué)生。

韓 毅 男，1975年出生，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電一體化與項(xiàng)目管理。

汪貴平 男，1963年出生，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向是智能測(cè)控。