智能車調試實驗平臺設計與應用

吳振宇, 宋 曦, 李勝銘

(大連理工大學 創新實驗學院, 遼寧 大連 116023)

智能車調試實驗平臺設計與應用

吳振宇, 宋 曦, 李勝銘

(大連理工大學 創新實驗學院, 遼寧 大連 116023)

以全國大學生智能汽車競賽為背景,設計了智能車調試實驗平臺。該實驗平臺支持Kinetis 和MC9S12 兩個系列主流微控制器的同時,使用核心板接口的方式支持各種微控制器,擴展了其使用范圍。該實驗平臺整合了智能車上需要使用的所有電路模塊,包括電源管理、傳感器信號采集與調理、伺服器、電機及其驅動等模塊。配套的實驗教材為制作智能車提供較為系統和完整的指導,降低了學生參加智能車競賽的入門難度。該實驗平臺已經應用于本科生實驗教學,并獲得良好的教學效果。

智能車; 實驗平臺; 教學改革; 微控制器

全國大學生智能汽車競賽是以智能汽車為研究對象的創意性科技競賽,是面向全國大學生的一種具有探索性的工程實踐活動,是教育部倡導的大學生科技競賽之一。該競賽使用標準硬件和軟件平臺,競賽過程包括理論設計、實際制作、整車調試、現場比賽等環節,要求學生組成團隊,協同工作,初步體會一個工程性的研究開發項目的從設計到實現的全過程。該競賽融科學性、趣味性和觀賞性為一體,是以迅猛發展、前景廣闊的汽車電子為背景,涵蓋自動控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多學科知識的創意性比賽[1]。

智能車競賽吸引了大量學生參加，培養了大學生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創新意識,激發了大學生從事科學研究與探索的興趣和潛能,為優秀人才的脫穎而出創造條件。同時,以智能車競賽為平臺,從基礎驗證性實驗、綜合設計性實驗、研究創新性實驗3個層次推動實驗教學模式的改革,把傳統的學生被動學習轉變為學生主動學習,培養了學生的創新精神[2]。

本文設計了一款技術先進、功能完善、方便教學、利于學生使用的智能車調試實驗平臺。該實驗平臺整合了智能車上需要使用的所有電路模塊,是一個綜合性的實驗平臺,可以充實實驗的教學內容,改善和提升實驗條件。同時,筆者在總結制作智能車所需的各項實驗內容(電機控制、伺服器控制、傳感器數據采集、嵌入式編程等)的基礎上,編寫了配套的實驗教材,指導學生借助該實驗平臺進行實踐學習。通過使用該實驗平臺,學生可以學習制作智能車所需的相關知識,掌握嵌入式控制等相關技術,提高學生的電子技術綜合應用、創新實踐、團隊協作等多方面的能力。實驗平臺上直觀的功能驗證和豐富的外設資源,可以激發學生制作智能車的興趣,并進一步提高學生對電路分析、信號處理、自動控制類課程的學習興趣。

1 存在問題

以實踐動手為主,輔以必要的理論知識指導,并以專題研究模式開展創新實踐活動是大連理工大學創新實踐人才培養的基本模式[3]。由于智能車競賽將自動控制及單片機等知識應用于實踐,并具有濃厚的趣味性和極高的互動性,因此有較多的學生選擇參加智能車競賽。我院從第一屆智能車競賽開始組織并指導學生參加競賽,在過去的九屆競賽中,學生共取得全國一等獎2項、二等獎9項,賽區一等獎11項、二等獎19項。在取得這些成績的同時,一些問題也逐漸凸顯,這些問題主要體現在以下方面:

(1) 剛剛接觸智能車的學生,缺少相應的基礎課程支撐,或僅有少量理論基礎,參加競賽入門難度較大,而在指導學生參加智能車競賽方面,大多數已有的參考書籍或資料缺乏系統性和完整性,這導致學生在剛開始制作智能車時覺得無處下手,進而失去興趣；

(2) 很多學生使用市場上出售的嵌入式實驗平臺輔助學習,但這些平臺僅支持單一型號的微控制器,并單純從嵌入式的角度實現微控制器的功能,包含很多與制作智能車無關的模塊,而對于智能車上能用到的模塊,這些平臺也僅僅提供了演示例程,導致學生仍然不知道如何將這些功能應用于智能車；

(3)市場上已有一些面向智能車競賽的實驗平臺,這些實驗平臺通常基于某一款競賽規則允許使用的微控制器,并實現智能車上能用到的功能,但其配套的實驗范例大多是分別給出每個模塊的代碼,并沒有完整的實例,這導致學生在實際制作智能車時,不知道如何將各部分代碼有效地結合在一起。

基于上述問題,本文從學生易上手學習及理解的角度出發,設計了一款智能車調試實驗平臺,基于Kinetis 和MC9S12系列的主流微控制器,并支持擴展其他微控制器,為學生提供全面的硬件基礎和更多的選擇空間。實驗平臺同時包含了電源管理、傳感器信號采集與調理、伺服器、電機及其驅動等模塊,切實改善實驗條件。配套實驗教材以制作智能車為主線,由淺入深地講解各個模塊的原理及設計方法,并提供各部分例程及綜合實例,為制作智能車提供較為系統和完整的指導,降低了學生參加智能車競賽的入門難度。

2 實驗平臺設計

2.1 實驗平臺總體設計

筆者在參考已有實驗平臺的基礎上,以指導學生快速掌握智能車相關技術為目標,設計了智能車調試實驗平臺。實驗平臺結構如圖 1所示,平臺主要包含電源管理模塊、核心板接口和各種功能模塊,規格為240 mm×180 mm。

圖1 實驗平臺結構框圖

2.2 電源模塊設計

作為一個復雜的數模混合實驗平臺,電源部分是平臺穩定運行的基礎。電源部分的設計除了要考慮基本的電壓和電流參數之外,還需要使效率、噪聲、紋波、體積、抗干擾等性能指標滿足一定要求。由于實驗平臺既包含高頻數字電路又包含大電流高功率電路,而且不同的芯片和外設有著不同的供電電壓要求,因此實驗平臺使用了多級分離供電電路,并根據不同電路的特點設計了不同類型的電源電路[4]。如圖 2所示,輸入實驗平臺的7～9 V直流電經過DC-DC開關穩壓電路穩壓為5、6、12 V,分別為數字電路、伺服器和CCD攝像頭供電,其中降壓使用MP1482芯片,升壓使用MC34063芯片;得到的5 V電源再使用線性穩壓電路穩壓為3個3.3 V電源,分別為MCU、數字攝像頭和其他外設供電,穩壓芯片使用了PAM3101-3.3和AMS1117-3.3;為數字攝像頭供電的3.3 V電源再使用線性穩壓電路(AMS1117-1.8)穩壓為1.8 V,同樣為數字攝像頭供電。

2.3 核心板接口設計

最新的智能車競賽規則允許使用8位、16位、32位的微控制器或DSP(數字信號處理器),因此為了擴展實驗平臺的應用范圍,實驗平臺沒有直接集成微控制器,而是設計了通用的標準核心板接口。對于已有的核心板,通過專門設計的轉接板將其連接到實驗平臺;當使用新的微控制器時,可以根據通用標準接口制作新的核心板。核心板模塊化設計有多種優點,一是在學生掌握相關技能后,可直接使用核心板進行二次開發,甚至直接用于制作智能車,降低學生參加智能車競賽的入門難度;二是使實驗平臺適用于所有控制核心,極大擴展了實驗平臺的使用范圍;三是降低了實驗平臺的維護成本[5]。圖 3為已經做好的Kinetis系列和MC9S12系列的核心板和轉接板。

圖2 電源模塊結構圖

圖3 制作完成的核心板與轉接板

2.4 功能模塊設計

2.4.1 傳感器信號輸入部分

傳感器信號輸入部分包含傳感器電路及其信號的采集與調理電路。競賽的3個組別需要使用不同的傳感器,為滿足不同組別的要求,實驗平臺集成了數字攝像頭、模擬攝像頭、線性CCD、光電對管、電感線圈、加速度傳感器、陀螺儀傳感器、旋轉編碼器和相應的信號調理電路。

模擬攝像頭輸出的信號為復合視頻信號,為了使微控制器能夠處理圖像信息,需要將復合視頻信號分離并數字化。實驗平臺使用ADV7180視頻解碼芯片,該芯片可以從復合視頻信號中分離行同步信號和場同步信號,并將視頻信號以10位精度數字化后使用16位總線模式輸出[6]。數字攝像頭接口與視頻解碼芯片的輸出接口兼容,包括時鐘信號、行同步信號、場同步信號和最高16位數據總線。

由于攝像頭輸出數據的速率可能高于微控制器接收數據的速率,因此實驗平臺在攝像頭數據鏈路中增加了數據緩沖器。緩沖器使用美國Averlogic公司生產的FIFO芯片AL422B,其工作頻率達50 MHz,存儲容量為3 Mbit,可以緩存一幀分辨率為720像素×480像素的圖像,能滿足智能車上使用的攝像頭的參數要求,電路原理如圖4所示。AL422B支持異步讀寫時鐘,圖像數據在攝像頭接口電路中時鐘信號(作為WCK信號)的上升沿寫入FIFO,并在微控制器輸出的RCK(讀取時鐘)信號的上升沿“流出”FIFO,利用這個特性,微控制器從被動接收數據的“從機”變為主動請求數據的“主機”[7]。

圖4 數據緩沖器電路原理

加速度傳感器的型號為MMA8451Q,為14位精度的三軸加速度傳感器,通過IIC接口與微控制器通信。實驗平臺包含了數字和模擬兩種類型的陀螺儀傳感器,數字陀螺儀的型號為L3GD20,使用SPI接口或IIC接口與微控制器通信;模擬陀螺儀傳感器的型號為ENC-03,其輸出的模擬信號經放大器放大后使用微控制器的內部ADC進行采集。

利用光電編碼器測量電機轉速是智能車上使用最廣泛的測速方案,但光電編碼器較大的體積為安裝帶來了不便,其重量也對智能車的性能造成影響,因此實驗平臺使用了型號為AS5040的非接觸式磁效應旋轉編碼芯片,圖5給出了旋轉編碼芯片的安裝方式。該傳感器具有10位的角度分辨精度,測量范圍為0°～360°,允許測量旋轉速度達10 000 r/min[8]。傳感器提供了數字絕對角度輸出接口和3種增量式輸出接口,增量式接口中包括了光電編碼器常用的兩相正交增量式輸出,因此可以直接替換光電編碼器。

圖5 旋轉編碼芯片安裝方式

在集成以上傳感器及接口的同時,實驗平臺預留了傳感器常用的IIC接口和SPI接口,用于擴展連接其他傳感器。

2.4.2 動力輸出部分

動力輸出部分包含伺服器、電機及電機驅動電路。實驗平臺使用了型號為SG90的微型伺服器,由電源模塊提供電源,并在微控制器的PWM(脈沖寬度調制)信號控制下運動。實驗平臺使用的電機類型為有刷直流電機,與在智能車上實際使用的電機類型相同、驅動電壓相同,由電機驅動電路控制。電機驅動電路為2片Infineon公司生產的BTS7960芯片組成的H橋電路,BTS7960可以提供最大43 A的驅動電流,并具有過流、過壓、過熱保護功能。電機驅動電路可以實現對電機的正反向PWM驅動、反接制動和能耗動態控制[9]。

2.4.3 調試接口部分

調試接口部分包含液晶屏、SD卡、撥碼開關、按鍵及五向按鍵、蜂鳴器、LED指示燈和其他通信接口。實驗平臺上集成了分辨率為320像素×240像素的56 mm(2.2英寸)彩色TFT液晶屏,用于顯示調試信息。SD卡接口使用Micro SD卡槽,支持4線SD接口讀寫Micro SD卡,并兼容SPI接口。

異步串行接口是最常用的一種通信接口,實驗平臺為其提供了TTL、RS232和USB 3種通信方式。MAX3232將TTL電平轉換為RS232標準電平,用于直接與電腦的UART(通用異步收發傳輸器)通信;PL2303HX實現異步串行通信向USB協議的轉換,電腦上將PL2303HX枚舉為CDC(通信設備類)設備,實現虛擬串口功能。

2.4.4 功能模塊連接方式

所有模塊的通信信號均通過跳線帽與核心板連接,當某一模塊不使用時,可移除其相應的跳線帽,此時空余出的核心板信號引腳可以另作他用。這種模式增強了實驗平臺的可擴展性。最終制作完成的實驗平臺見圖6。

圖6 實驗平臺實物圖

3 配套軟件程序

為了向學生提供系統且完整的智能車入門指導,與硬件平臺相配套的軟件程序是實驗平臺非常重要的一部分。軟件程序既包括底層的硬件驅動程序,如微控制器的時鐘初始化程序、GPIO(通用輸入輸出端口)驅動、電機與伺服器的PWM信號控制、定時器的各種工作模式驅動、ADC采集驅動、攝像頭采集驅動、慣性傳感器數據采集驅動、顯示設備驅動、通信接口驅動等,也包括上層決策算法程序,如PID閉環控制算法[10]、模糊控制算法[11]、互補濾波算法、卡爾曼濾波算法[12]、圖像特征提取、圖像邊緣檢測[13]等。

實驗平臺的各個功能模塊都有與之相配合的例程程序,供學生參考和快速使用,并在此基礎上,根據競賽組別的不同,實驗平臺給出了相應的上層算法示例,幫助學生快速熟悉各個組別需要學習的內容,降低了學生參加競賽的入門難度。

4 結束語

本文以大學生智能汽車競賽為背景,設計了一款智能車調試實驗平臺。該實驗平臺整合了智能車上需要使用的所有電路模塊,并配有相應的實驗教材。通過使用核心板接口的方式,該實驗平臺可以使用任意微控制器作為控制核心,擴展了其使用范圍。該實驗平臺大幅度降低了學生參加智能車競賽的入門難度,同時詳盡的教程配合實驗平臺的演示有助于提高學生的研究興趣。該實驗平臺已經在本校創新實驗學院智能車研究室中使用,得到學生一致好評,獲得良好的教學效果。

References)

[1] 卓晴,王京春,黃開勝,等.全國大學生智能汽車競賽的研究與實踐[J].中國大學教學,2012(4):74-77.

[2] 張瑞成,陳至坤,王福斌.以智能汽車競賽推動實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2010(8):103-105.

[3] 高云鵬,滕召勝,黎福海,等.開放實驗室與學科競賽平臺相結合的創新人才培養模式[J].實驗技術與管理,2012,29(4):360-362，366.

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[5] 黃曉林.基于組件的開放式單片機實驗平臺的研制[J].實驗科學與技術,2013(4):52-55.

[6] 熊文彬,蔣泉,曲建軍,等.基于FPGA實現的視頻顯示系統[J].液晶與顯示,2011(1):92-95.

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[8] 韓喜春,吳東艷,張鵬.AS5040在角度測量中的應用[J].傳感器與微系統,2006(6):75-77.

[9] 羅慶生,蘇曉東,韓寶玲.基于DSP的大功率多軸控制系統[J].北京理工大學學報,2012(3):253-257.

[10] 吳振宇,趙亮,馮林.基于分數階PID控制器的智能車控制[J].控制工程,2011(3):401-404.

[11] 彭小磊.循線智能車實驗平臺的建立和控制算法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2011.

[12] 丁君,趙忠華.AHRS航姿解算中的兩種濾波方法的比較研究[J].計算機仿真,2013(9):60-65.

[13] 柳玲,溫玄.基于攝像頭傳感器的智能車路徑提取及應用[J].重慶理工大學學報:自然科學,2013(5):69-74.

Design and application of experimental platform for debugging intelligent car

Wu Zhenyu, Song Xi, Li Shengming

(School of Innovation Experiment,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)

An experimental platform for debugging intelligent car has been built based on Nation Undergraduate Students “Freescale Cup” Intelligent Car Competition.With the core board interface,its scope of application is expanded to a variety kinds of microcontrollers including the popular Kinetis series and MC9S12 series.The experimental platform provides all the necessary electrical modules in an intelligent car including power management,sensor signal acquisition and conditioning,servers,motor,motor driver and other modules.The systematic and complete guide of the experimental teaching materials lowers the barrier to entry the contest for new players.The platform has been used in undergraduate teaching and achieved good teaching effect.

intelligent car; experiment platform; teaching reform; microcontroller

2014- 10- 24

大連理工大學教育教學改革基金項目(ZX201332)

吳振宇(1971—),男,甘肅定西,博士,副教授,創新實驗學院副院長,研究方向為智能控制及應用、嵌入式系統應用.

E-mail：zhenyuwu@dlut.edu.cn

TP242；G484

A

1002-4956(2015)6- 0075- 04