基于MC9S12XS128微控制器的智能車硬件設(shè)計(jì)

劉 偉

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥學(xué)院 智能控制與機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230106）

隨著汽車電子業(yè)的迅猛發(fā)展，智能車作為電子計(jì)算機(jī)等最新科技成果與現(xiàn)代汽車工業(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)生智能汽車比賽在此背景下產(chǎn)生[1]，競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定，賽車在設(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，智能車硬件不斷創(chuàng)新以適應(yīng)小車的速度要求。本文以MC9S12XS128為核心處理器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較智能車各個(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 智能車功能設(shè)計(jì)

根據(jù)大賽規(guī)則，智能車應(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MC9S12XS128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)MC9S12XS128 MCU的I/O端口處理[2]，控制賽車的運(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)智能車進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，為了精確控制賽車的速度，在智能車后軸上安裝光電編碼器，采集車輪轉(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)線抄表（數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(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/3.3 V/9 V/12 V/）、車模、驅(qū)動(dòng)器MC33886、MOSFET 管 等 組成。圖1為其整體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 智能車整體結(jié)構(gòu)框圖

1.3 MC9S12XS128 單片機(jī)簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)選用飛思卡爾MC9S12XS128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MC9S12XS128的Flash在線編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線寫入用戶程序和隨時(shí)修改Flash存儲(chǔ)內(nèi)容。同時(shí)在線實(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1所示。

2 各功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能車硬件系統(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是單片雙極型線性集成電路，專用于直流－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。

圖2 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)

影響智能車速度的最關(guān)鍵因素是驅(qū)動(dòng)力。 “驅(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。

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，因此專門獨(dú)立設(shè)計(jì)采用MOSFET搭建的H橋驅(qū)動(dòng)電路。圖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[3]。

圖3 直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖

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)定電流小；而MOSFET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)，使車體能夠自由行駛。在智能車上，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[4]。

采用OMRON公司生產(chǎn)的 E6A2-CS100型光電編碼器。它由 5～12 V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。

MC9S12XS128單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間在不超頻的情況下最短為7 μs[5]， 若選用分辨率為320線 的 攝 像 頭,則 單 行 視頻 信 號(hào) 持 續(xù) 的 時(shí) 間 約 20 ms/320=62.5 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)（62.5/7）+1=9個(gè)。若使用分辨率為640線的攝像頭，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)（31/7）+1=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線以上,所以單行視頻信 號(hào) 的 持 續(xù) 時(shí) 間最 多20 ms/300=66 μs，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），這不滿足賽車定位要求。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[6]。

3 結(jié)論

圍繞MC9S12XS128單片機(jī)完成全國(guó)智能車大賽小車的硬件電路設(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，選擇出適合智能車競(jìng)賽的電路。實(shí)驗(yàn)表明整個(gè)小車驅(qū)動(dòng)性能良好，圖像采集快速，行駛穩(wěn)定。該智能車在智能車大賽中表現(xiàn)良好。

[1]韓 飛，陳 放，戴春博.第三屆飛思卡爾智能汽車比賽技術(shù)報(bào)告[R].上海，2008.

[2]王 威.HCS12微控制器原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[3]伊永峰，楊 勇，張立勛.TD340芯片在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2004，12（3）：48-49.

[4]王明順，沈謀全.虛擬編碼器在智能車上的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，2004，12（2）：126-128.

[5]安 鵬，馬 偉.S12單片機(jī)模塊應(yīng)用及程序下載調(diào)試[J].電子產(chǎn)品世界，2006，211（07S）：162-163.

[6]蔡 波.視頻實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)研究及設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2005，5（275）：23-25.