基于LDC1000自動循跡智能小車設計

黃 健，董三鋒，王利平

(西京學院，西安710123)

0 引 言

自動循跡智能小車是近年來研究的一個熱點，在各種電子設計競賽中都有所涉及，比如飛思卡爾智能車大賽、全國大學生電子設計競賽、TI杯比賽等。智能車融合了傳感器、電機控制、微處理器等多項硬件技術，為有效的對其進行控制，還要加入軟件算法。智能車控制是典型的軟硬件技術的結合體，具有極大的研究價值，其中自動循跡是智能車要解決的一個主要技術問題。早期的循跡采用光電傳感器，用黑白線作為跑道標識。近幾年，隨著電感傳感技術的發展，有人提出采用鐵絲作為跑道，實現自動循跡［1－3］。

本文正是基于此提出采用TI公司新型數字電感傳感器 LDC1000 作為傳感器［4－5］，檢測直徑為0.7 mm的細鐵絲構成的跑道。由于鐵絲太細，必須采用自制的線圈來檢測，否則根本檢測不到。經過多次的實驗，繞制成功了合適的線圈，能夠明顯感應到細鐵絲。但由于只有一個LDC1000，當鐵絲在線圈的正中心時，值最大，向左或者向右偏移時，都會減小，給軟件編程造成了一定的困難。采用試探法結合狀態圖法，能夠有效地控制小車的左右移動和前進，較好地完成了自動循跡的功能。

1 系統設計框圖

系統設計框圖如圖1所示。LDC1000傳感器檢測到鐵絲的值后，通過一個SPI總線接口傳送給STM32微處理器。由于選擇的主控是STM32F103RBT6［6－7］。它有 2 個 SPI 接口，用另外一個連接到1．44英寸TFT真彩屏，顯示采集到的數據和其它信息。電機驅動采用TB6612，體積小，比L298性能好。其中2個直流電機都帶有編碼器，可將其連接到STM32的定時器進行測速。通過軟件編程控制左右電機速度，使得小車能夠平穩前行。

圖1 系統框圖

2 詳細設計

2． 1 LDC1000傳感器設計

LDC1000原理圖如圖2所示。圖中DCLK是LDC1000時鐘輸入信號線，SCLK是SPI總線通信所需時鐘線，SDI是SPI總線數據接收信號線，SDO是SPI總線數據發送信號線。由于LDC1000采用SPI總線通信，所以將LDC1000的SCLK連接到STM32的PA5(SPI1_SCLK)，將 LDC1000的 SDI連接到STM32的 PA7(SPI1_MOSI)，將 LDC1000的 SDO連接到STM32的PA6(SPI1_MISO)，將LDC1000的SCLK連接到 STM32的 PA5(SPI1_MOSI)，將LDC1000的CSB連接到STM32的PA4(SPI1_NSS)，為實現有效通信，雙方必須共地。此外，LDC1000的DCLK作為主時鐘，要求產生6 MHz的頻率，用STM32的PC6通過定時器的PWM波產生。圖中LDC1000與INA和INB連接的電容C和電感L為振蕩電路，基于電渦流原理［8］，能夠與外部檢測的金屬產生諧振。

圖2 STM32與LDC1000連接圖

當外部有金屬物體時，在電感L上將會產生一個諧振頻率。而LDC1000對金屬物的探測也就是基于測試LC諧振頻率的方法。LDC1000的外部基準時鐘是6 MHz，由STM32的PC6產生。使用內部寄存器計數方法作頻率計。其中LC的諧振頻率通過式(1)計算:

式中:Fsen是LC諧振頻率;Fex是外部時鐘基準頻率，取值為6 MHz;Fcnt是LDC1000內部計數器值，TL是LDC1000內部寄存器設置的響應時間。對式(1)兩邊分別求倒數，并做適當變化，可得到:

式中:1/Fsen是LC諧振周期;1/Fex是基準時鐘周期。式(2)表明在TR個LC諧振周期內，使用LDC1000的Fcnt計數器記錄基準時鐘的個數來推算LC的諧振頻率。

根據電渦流原理，要檢測直徑為0．7 mm的細鐵絲，必須要產生足夠大的渦流，就必須增大電感量L的值．通過多次實驗，繞制了直徑為4 cm的電感線圈，如圖3所示。

圖3 自制電感線圈

該線圈采用0．15 mm的細銅絲繞制而成，直徑為4 cm，電感量為0．180 mH，與其匹配的電容值為2 nF。

2． 2 TB6612直流電機驅動電路設計

TB6612是東芝公司推出的一款直流電機驅動芯片，集成度高，可同時驅動 2路直流電機［9］。TB6612的硬件連接圖如圖4所示。

圖4 TB6612硬件連接圖

圖4 中PA0，PA11，PA12控制1路電機，PA0產生PWM波，控制電機的轉速;PA11，PA12控制電機的方向。PA1，PB10，PB12控制另1路電機，PA1產生PWM波，控制電機的轉速;PB10，PB12控制電機的方向。AO1，AO2連接1路電機;B01，B02連接另外1路電機。

2． 3 TFT顯示單元電路設計

TFT顯示單元采用1．44英寸SPI接口真彩屏，顯示電路設計如圖5所示。

圖5 TFT顯示電路設計原理圖

為提高1．44 TFT真彩屏的刷屏速度，采用硬件SPI接口與STM32相連，其中 SCLK連接到 PB13(SPI2_SCLK)，DI連接到 PB15(SPI2_MOSI)，CS 連接到 PB12(SPI2_NSS)。其余 RST為復位信號，GND 為接地，VCC 接3．3 V。

3 軟件設計

本設計的難點是只有一個LDC1000傳感器探頭。當鐵絲在傳感器線圈的正中心時，檢測到的頻率值最大;當鐵絲向左、向右偏轉時，檢測到的頻率值都在減小。因此，如何判斷偏左還是偏右，就變得非常困難。為有效解決這個問題，提出“試探法”結合“狀態圖”的方法。當頻率值減小時，首先讓小車左轉，如果值繼續減小，則右轉。因為小車要沿著鐵絲行走，小車將會有3個狀態，分別是直走、左轉、右轉。只有控制好這3個狀態及其相互轉換的條件，另外，為有效控制小車的運行，還必須測出傳感器對鐵絲感應的最大值FRE_MAX和最小值FRE_MIN，FRE_MAX是細鐵絲在自制線圈的正中心時測量值，FRE_MIN是細鐵絲完全偏離線圈，在線圈外時測量值。圖6給出了小車的狀態圖。

圖6 狀態轉換圖

圖中FRE為傳感器測得的當前頻率值，測試時，首先將小車放在跑道的正中心，細鐵絲位于傳感器線圈的中心直徑上。當FRE=FRE_MAX時，小車直走。當FRE減小時，首先讓小車左拐，如果FRE繼續減小，說明小車繼續偏離細鐵絲，這時狀態轉換為右拐;若右拐時，FRE一直在增大，說明右拐正確，小車一直在向細鐵絲靠近，當遞增到最大值后，小車直走。當FRE受到意外干擾，FRE≤FRE_MIN時，強制讓小車右拐，如果值遞增，說明右拐正確，小車正在靠近細鐵絲，繼續右拐;如果不變，還是最小值，說明右轉錯誤，改變狀態左拐，左拐后如果FRE在遞增，繼續左拐，當到達最大值FRE_MAX后，直走。

按照圖6的狀態圖在MDK5．0下用C語言編程，較好地完成了對小車自動循跡的控制。

4 測試結果

測試時的跑道如圖7所示。小車起始位置放在2 m直道的正中心，途徑6個彎道，彎道圓弧的半徑均為為20 cm。最后再回到起點處，完成一圈行駛。

圖7 小車行駛跑道

靜態測試時，用手挪動小車到指定位置，測量傳感器LDC1000通過自制線圈對細鐵絲感應時的頻率值。當線圈的電感量為0．180 mH，電容為2 nF時，對直道、彎道1、彎道2、彎道3、彎道4、彎道5、彎道6測量得到的頻率值與細鐵絲位置之間的對應關系，如表1～表7所示。

表1 鐵絲位置與頻率值之間對應關系(直道1)

表2 鐵絲位置與頻率值之間對應關系(彎道1)

表3 鐵絲位置與頻率值之間對應關系(彎道2)

表4 鐵絲位置與頻率值之間對應關系(彎道3)

表5 鐵絲位置與頻率值之間對應關系(彎道4)

表1～表7中距離d是細鐵絲與線圈直徑之間的垂直距離。從表中可以看出，當距離d增大時，頻率值明顯減小，但在彎道時比較復雜，但整體而言，如果偏離彎道，則頻率值減小;若靠近，頻率值增大。

表6 鐵絲位置與頻率值之間對應關系（彎道5）

表7 鐵絲位置與頻率值之間對應關系（彎道6）

5 結 語

本文采用LDC1000數字電感傳感器和自制線圈，經過多次實驗和測試，成功實現了對細鐵絲跑道的檢測。采用試探法結合狀態圖法，解決了只有一個傳感器無法識別左右的問題，經過多次調試，解決了該問題。實現了自動循跡功能。具有實用性和通用性，可應用在汽車、消費電子、智能玩具等領域［10－11］。

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