基于飛思卡爾MC9S12X-Sl28單片機的智能車
合肥工業大學 劉偉
摘要： 圍繞MC9S12XSl28單片機完成全國智能車大賽小車的硬件電路設計。通過實驗比較各個模塊電路的特點，選擇性能較好的方案。通過硬件二值化電路完成對CCD攝像頭圖像采集與二值化的處理，節約了微處理的時間。通過比較常用的兩種驅動電路的性能，選擇出適合智能車競賽的電路。實驗表明整個小車驅動性能良好，圖像采集快速，行駛穩定。該智能車在智能車大賽中表現良好。
Abstract：
Key words :
以“飛思卡爾”杯智能車" title="智能車">智能車大賽為研究背景，采用MC9S12XSl28" title="MC9S12XSl28">MC9S12XSl28作為核心處理器，通過對比各個模塊不同設計方案的性能，完成智能車電源、驅動、圖像采集、測速等模塊的設計與實現。通過大量的實驗調試完成了智能車的組裝與機械部分調整，使得智能車結構更為合理。實驗及實際比賽表現表明，該智能車硬件結構穩定，性能良好。
隨著汽車電子業的迅猛發展，智能車作為電子計算機等最新科技成果與現代汽車工業相結合的產物，因其具有的智能特點而成為研究重點。“飛思卡爾" title="飛思卡爾">飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車比賽在此背景下產生，競賽規則規定。賽車在設定的賽道上能夠自主行駛，并以最短的時間跑完全程者獲勝。因此，智能車硬件不斷創新以適應小車的速度要求。本文以MC9S12XSl28為核心處理器，通過實驗比較智能車各個模塊電路設計方案，從而設計出性能穩定的硬件電路，經大賽實際檢驗性能良好穩定。
1 系統整體方案設計
1．1 智能車功能設計
根據大賽規則，智能車應具有路徑識別、方向控制、速度控制、狀態檢測等功能，設計采用大賽指定的飛思卡爾16位微控制器MC9S12X-Sl28單片機" title="單片機">單片機作為核心控制單元，利用CCD攝像頭作為識別路徑的傳感器，經MC9S12XSl28 MCU的I／O端口處理，控制賽車的運動決策，同時內部ECT模塊發出PWM波，驅動直流電機及舵機對智能車進行速度控制和轉向控制，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，采集車輪轉速的脈沖信號，經MCU捕獲后進行PID自動控制，完成智能車速度的閉環控制。設計中應注意的原則：重心盡可能低、體積盡可能小、驅動盡可能大、結構盡可能簡單。
1．2 系統整體結構
智能車的硬件設計" title="硬件設計">硬件設計是整個系統設計的基礎，只有在系統硬件設計可行、穩定、可靠的前提下，其他控制方案才能得以繼續。系統硬件主要包括單片機(主控)、 CCD攝像頭(圖像采集)、旋轉編碼器(速度檢測)、SD卡(大量數據存儲)、無線抄表(數據的無線收發)、直流電機(速度控制)、舵機(方向控制)、電源(5 V／6 V／7 V／3．3V／9 V／12 V)、車模、驅動器MC33886、MOSFET管等組成。圖1為其整體結構框圖。
1．3 MC9S12XSl28單片機簡介
本設計選用飛思卡爾MC9S12XSl28微控制器作為控制單元。該系統板具有MCU核心系統，支持串口調試下載，具有擴展接口，可進行2次開發，支持 μCOSⅡ。此開發板兼容性較高，監控程序功能強大，可提供各種基本的開發和調試功能，如程序的下載和運行、斷點設置、內存顯示等。還可利用 MC9S12XSl28的Flash在線編程技術實現在線寫入用戶程序和隨時修改Flash存儲內容。同時在線實時仿真和監測自編程序。根據實際設計需要分配控制器內部單元，如表l所示。
2 各功能模塊的設計與實現
智能車硬件系統主要包括電源、電機驅動、測速、舵機、圖像采集與處理等部分。
2．1 電源模塊設計
根據智能車的設計需求，需提供5 V電源為單片機、SD卡、測速模塊、PCB板上電路、無線通訊模塊等供電：6 V電源供給舵機，CCD攝像頭需12 V的工作電壓。其中的難點是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，專用于直流一直流變換器控制，內置占空比周期控制振蕩器、驅動器和大電流輸出開關，可輸出 1．5 A的開關電流。它能使用最少的外接元件構成開關式升壓變換器，降壓式變換器和電源反向器。圖2為DC-DC升壓電路原理圖。
2．2 電機及舵機驅動模塊設計
影響智能車速度的最關鍵因素是驅動力。“驅動力”不僅包括驅動電機，還包括電機驅動電路。電機驅動電路要能為賽車提供強大的動力，同時自身的功耗要小，能夠保證在長時間大電流輸出的情況下不升溫且持續穩定工作。
根據PWM調速電機驅動電路的性能指標。在實際制作過程中，主要采用以下兩種方案：1)采用MC33886級聯組成驅動電路；2)采用MOSFET搭建H 橋電路。
考慮到MC33886輸出電流有限，不能提供較為強勁的驅動力，因此專門獨立設計采用MOSFET搭建的H橋驅動電路。網3是直流電機PWM調速系統框圖。TD340和MOSFET管組成H橋驅動電路。TD340是N溝道功率MOSFET管驅動器。適合于直流電機控制。
通過實驗比較這兩個方案設計的電路加速、制動、頻繁啟制動能力，發現兩個電路各有其特點。MC33886級聯組成驅動電路驅動電流上升快，適合起制動，但能耗大且穩定電流小；而MOSFET管啟制動較慢，但驅動電流大，適合直道行駛，功耗小。考慮到能耗問題，實際小車設計中采用MOSFET管驅動方法。
舵機用來控制前輪的轉向，配合后輪的驅動電機，使車體能夠自由行駛。在智能車上，舵機的輸出轉角通過連桿傳動控制前輪轉向。舵機的輸出轉角介于 -45°～+45°之間，在使用前需先測出各個角度所對應的PWM波的占空比。
2．3 測速模塊設計
作為實現對智能車閉環控制的光電一個重要環節，測速功能不可缺少。常用的測速方法有光電管測速法和光電編碼器測速法。
實踐證明，光電管檢測方法成本低廉，容易實現。但精度較低，可靠性較差，容易受環境光影響，當車速達到3 m／s時，檢測會發生問題。采用光電編碼器成本雖然較高，但精度高，穩定性好。因此綜合考慮，采用光電編碼器檢測電機速度。
采用OMRON公司生產的E6A2-CSl00型光電編碼器。它由5～12V的直流供電，速度傳感器通過后輪軸上的齒輪與電機相連，車輪每轉1圈，速度傳感器轉過2．75圈。
2．4 圖像采集及處理模塊設計
針對智能車比賽的實際環境狀況，常用的圖像數據采集方法有：A／D轉換采集方法和比較器的硬件二值化方法。
MC9S12XSl28單片機的A／D轉換時間在不超頻的情況下最短為7μs，若選用分辨率為320線的攝像頭，則單行視頻信號持續的時間約20 ms／320=62．5μs，A／D轉換器對單行視頻信號采樣的點數將不超過(62．5／7)+1=9個。若使用分辨率為640線的攝像頭，則單行視頻信號持續的時間約20 ms／640=31 μs，A／D轉換器對單行視頻信號采樣的點數將不超過(3l／7)+l=5個。可見，分辨率越高，單行視頻信號持續的時間就越短，A／D轉換器對單行視頻信號所能采樣的點數就越少。如前所述，攝像頭的分辨率越高，雖然可提高縱向分辨能力，但會減少單片機A／D采樣單行信號的點數，削弱橫向分辨率。
攝像頭的分辨率通常在300線以上，所以單行視頻信號的持續時間最多20 ms／300=66μs，則A／D采樣每行視頻信號的點數最多(66／7)+1=10個(不超頻)，這不滿足賽車定位要求。所以采用A／D采集圖像時，攝像頭分辨率不應太高。為保證采集圖像點的準確性同時為圖像處理留出更多時間，這里采用比較器實現二值化來代替A／D采樣方法實現數據采集。
圍繞MC9S12XSl28單片機完成全國智能車大賽小車的硬件電路設計。通過實驗比較各個模塊電路的特點，選擇性能較好的方案。通過硬件二值化電路完成對CCD攝像頭圖像采集與二值化的處理，節約了微處理的時間。通過比較常用的兩種驅動電路的性能，選擇出適合智能車競賽的電路。實驗表明整個小車驅動性能良好，圖像采集快速，行駛穩定。該智能車在智能車大賽中表現良好。
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