基于KEA128微控制器的智能車教學(xué)實驗平臺開發(fā)

□陳 揚 陸善婷 張 婷

全國大學(xué)生智能汽車競賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識運用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實際、求真務(wù)實的學(xué)風(fēng)和團隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。2008年起，該競賽被教育部批準列入國家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項目中科技人文競賽之一，是教育部倡導(dǎo)的全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技A類競賽。2017年，該學(xué)科競賽被列入中國高等教育學(xué)會《中國高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)暨學(xué)科競賽評估結(jié)果》19個競賽項目之一。近些年，隨著智能汽車競賽學(xué)生的報名人數(shù)不斷增加，出現(xiàn)了相應(yīng)的學(xué)生入門教學(xué)和管理的問題。很多學(xué)生報名后，在學(xué)習(xí)智能汽車入門的過程中不間斷地脫離大隊伍。經(jīng)研究得知，學(xué)生們的熱情還在，只是入門門檻太高，尤其是對一些低年級沒有相應(yīng)專業(yè)知識基礎(chǔ)的學(xué)生。針對學(xué)生入門難的情況，實驗室專門設(shè)計了一款智能車教學(xué)實驗平臺硬件開發(fā)板，方便學(xué)生智能車入門學(xué)習(xí)。

一、總體設(shè)計

KEA128實驗開發(fā)板整體設(shè)計框圖如圖1所示，包含多個外設(shè)和功能接口。

圖1 開發(fā)板系統(tǒng)框圖

開發(fā)板所用微控制器是恩智浦半導(dǎo)體公司的Kinetis KEA128系列MCU，該微控制器基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核，官方推薦其最高工作頻率48MHz，具有單周期32位×32位乘法器，多達128KB內(nèi)存、256B EEPROM和16KB RAM，工作電壓2.7V～5.5V，閃存寫電壓2.7V～5.5V，工作溫度-40℃～+125℃。主要用在汽車娛樂連接模塊、DC/BLDC馬達控制、BCM/HVAC和座位/雨刷控制等。近幾年，組委會推薦使用Kinetis EA芯片，并特別設(shè)置專項獎金加以鼓勵。在今年第十三屆全國大學(xué)生智能汽車競賽中被官方組委會指定為某些組別的微控制器。

開發(fā)板集成電源模塊、電機驅(qū)動、舵機驅(qū)動、蜂鳴器等智能車基本需求外設(shè)，還配置了豐富多功能的外部功能接口，以保證開發(fā)板能滿足學(xué)生各種智能車功能需求。經(jīng)過半年時間學(xué)生測試，開發(fā)板滿足全國大學(xué)生智能汽車競賽的大部分組別入門學(xué)習(xí)需求。實驗開發(fā)板實物圖如圖2所示，下面分別介紹開發(fā)板主要功能模塊。

圖2 實驗開發(fā)板實物圖

(一)最小核心系統(tǒng)模塊。采用KEA128系列微控制器芯片S9KEAZ128AMLH，并配置了SWD調(diào)試燒錄接口、時鐘電路、復(fù)位電路以及相應(yīng)的濾波電路。

(二)電源模塊。由官方組委會指定7.2V Ni-Cd充電電池供電，轉(zhuǎn)化為3.3V、5V、6V以及12V直流電壓以提供開發(fā)板各個硬件模塊所需電源。

(三)電機驅(qū)動模塊。該雙電機全橋驅(qū)動采用低內(nèi)阻MOSFET芯片，控制方式采用雙PWM輸入差分法，適應(yīng)當(dāng)前智能汽車競賽官方指定車模的各種型號直流電機。

(四)變阻器。開發(fā)板設(shè)置2個變阻器，設(shè)定為電路電阻分壓，一個用于相應(yīng)程序閾值硬件設(shè)定，另一個用于程序模式設(shè)定。

(五)蜂鳴器。選擇了直徑9mm的小尺寸電磁有源蜂鳴器，方便程序預(yù)警設(shè)置。

(六)OLED接口。配置硬件顯示屏模塊，以方便程序參數(shù)觀察以及調(diào)參工作。

(七)其他接口。可根據(jù)需求配置光電傳感器、電磁傳感器、超聲波傳感器、陀螺儀傳感器等模塊實現(xiàn)智能車循跡避障以及自平衡這樣的基本功能，具備2路編碼器信號接口實現(xiàn)智能車測速功能，還具備1個串口接口方便接入藍牙模塊、WIFI模塊這樣的無線通信模塊。

二、測試效果

開發(fā)板適用于當(dāng)前智能汽車競賽組委會所指定的A、B、C、D、E、F類型官方車模，可根據(jù)需求接入官方指定型號的舵機、單雙路電機、單雙路編碼器、陀螺儀加速度計等智能車常用硬件設(shè)備，減輕了前期學(xué)生們智能車入門所面對的硬件難題，提升了學(xué)生智能車入門學(xué)習(xí)信心。在智能車入門后，學(xué)生們也具備了自行設(shè)計智能車硬件電路板的相應(yīng)能力。

三、結(jié)語

本文以追求減輕大學(xué)生智能汽車競賽入門難度為前提，提出了智能車教學(xué)實驗平臺思想，設(shè)計了功能全面的智能汽車競賽硬件開發(fā)板。開發(fā)板經(jīng)過不斷的測試改進，目前確認了當(dāng)前的硬件電路，該開發(fā)板硬件成本低、尺寸小巧，適用于各組別智能車賽學(xué)生入門，達到了預(yù)期設(shè)計目標。隨著智能汽車競賽逐年難度的提升，相信該開發(fā)板也會有更深層次的提升，不斷適應(yīng)學(xué)生們智能車競賽入門需求。