飛思卡爾智能車電磁組程序員成長之路(未完待續(xù))

1、飛思卡爾智能車電磁組程序員成長之路1. 飛思卡爾智能車小車入門智能汽車電磁組簡介： 第五屆全國大學(xué)“飛思卡爾杯”智能汽車競賽新增加了“電磁組”。根據(jù)比賽技術(shù)要求，電磁組競賽，需要選手設(shè)計的智能車能夠檢測到道路中心線下電線中20KHz 交變電流產(chǎn)生的磁場來導(dǎo)引小車沿著道路行駛。在平時調(diào)試和比賽過程中需要能夠滿足比賽技術(shù)要求的 20KHz 的交流電源驅(qū)動賽道中心線下的線圈。同時參賽選手需要自行設(shè)計合適的電磁傳感器來檢測賽道信息完成智能尋跡功能。 智能車制作是一個涵蓋電子、電氣、機械、控制等多個領(lǐng)域和學(xué)科的科技創(chuàng)新活動。簡單點來說可以將其分為硬件電路（包括電源、MUC 控制部分、電機驅(qū)動、傳感器）、

2、機械、算法三方面的設(shè)計。電磁組在機械方面可以參照光電組的設(shè)計方案，這里不再贅述。本設(shè)計指導(dǎo)只講述20KHZ 電源、電磁傳感器設(shè)計方案以及部分算法。 智能車對單片機模塊需求：飛思卡爾單片機資源：智能車程序框架：智能車涉及到IO模塊，中斷模塊，PWM模塊，DMA模塊，AD模塊等。在車模調(diào)試中還有必須的模塊。如SCI模塊、定時器模塊，SPI模塊等。其中還涉及到一些算法和數(shù)據(jù)的存儲和搬移。一個好程序框架對智能車的制作過程中會達(dá)到事半功倍的效果。但是就智能車這樣系統(tǒng)來說，如果完全專門移植一個操作系統(tǒng)或者寫一個程序的bootload，感覺有一些本末倒置，如果有成熟的，可以借用的，那樣會比較好。2電磁傳感器

3、的使用20KHz電源參考設(shè)計方案：電源技術(shù)指標(biāo)要求：根據(jù)官網(wǎng)關(guān)于電磁組賽道說明，20KHz 電源技術(shù)要求如下： 1. 驅(qū)動賽道中心線下鋪設(shè)的 0.1-0.3mm 直徑的漆包線； 2. 頻率范圍：20K±2K； 3. 電流范圍：50-150mA； 圖 2.1 是賽道起跑區(qū)示意圖，在中心線鋪設(shè)有漆包線。 首先分析賽道鋪設(shè)銅線的電抗，從而得到電源輸出的電壓范圍。我們按照普通的練習(xí)賽道總長度 50m，使用直徑 0.2mm 漆包線。在30 攝氏度下，銅線的電阻率大約為 0.0185 歐姆平方毫米/米。計算可以得到中心線的電阻大約為 29.4 歐姆。 按照導(dǎo)線電感量計算機公式： 其中 l, d

4、的單位均為 cm?？梢杂嬎愠鲋睆綖?0.2mm，長度 50 米的銅線電感量為 131 微亨。對應(yīng) 20KHz 下，感抗約為 16.5 歐姆。 圖2.1 競賽跑道起跑區(qū)示意圖可以看出，線圈的電感量小于其電阻值。由于導(dǎo)線的電感量與鋪設(shè)的形狀有關(guān)系，上述計算所得到的電感量不是準(zhǔn)確數(shù)值。另外，我們可以在輸出時串接電 容來抵消電感的感抗。所以估算電源電壓輸出范圍的時候，我們不再特別考慮線 圈的電感對于電流的影響。 為了方便設(shè)計，我們設(shè)計電源輸出電壓波形為對稱方波。由于線圈電感的影響，線圈中的電流為上升、下降沿緩變的方波波形。如圖 2.2 所示： 圖2.2 線圈驅(qū)動電壓與電流示意圖 對于電阻為 29.4

5、歐姆的賽道導(dǎo)線，流過 100mA 的電流，電壓峰值應(yīng)該大于 3V。考慮到賽道長度有可能進(jìn)一步增加、漆包線的直徑減少等原因，設(shè)計電源輸出電壓的峰值為 6V。在輸出電流為150mA 的時候，電源輸出功率大約為 0.9W。 電源組成：電源電路包括振蕩電路、功率輸出電路、恒流控制電路以及電源等組成。如圖 2.3 所示。圖2.3各分部功能可以采用不同的電路實現(xiàn)。下面分別給出官網(wǎng)電流源各模塊的參考設(shè)計方案。 圖2.3電源組成框圖 l 振蕩電路產(chǎn)生中心頻率為 20KHz 的對稱方波信號。為了滿足功率輸出電路的需要，輸出極性相反的信號，可以使用普通的 555 時基電路產(chǎn)生振蕩信號，也可以使用簡易的單片機產(chǎn)生振

6、蕩信號。為了方便調(diào)試，信號頻率能夠在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。 圖2.4 由555時基電路組成的振蕩電路 555 多諧振蕩器原理請大家參考數(shù)電課本，實際外圍電路電路參數(shù)需要自己設(shè)定，不一定要和官方給的一樣。1815 相當(dāng)于一個反向器，為閉環(huán)回路提供信號源。 555 電路較為簡單，如果想更精確的產(chǎn)生 20KHz 當(dāng)然也可以用單片機來產(chǎn)生所需信號，同時還可以外部連接顯示接口顯示當(dāng)前的輸出頻率、輸出電流的大小。 l 功率輸出電路由于輸出驅(qū)動信號電壓、電流、頻率較大，需要一定輸出功率驅(qū)動跑道線圈，因此最后需要功率輸出電路。可以采用分立大功率晶體管搭建輸出電路，也可以使用的電機驅(qū)動橋電路集成模塊。選擇時需要注

7、意電路的頻率響應(yīng)應(yīng)該大 20KHz，輸出功率大于2W。在制作時需要注意電路的散熱。圖 2.5-2.7 分別給出了三種不同的功率輸出電路，大家可以作為參考。 圖2.5 基于分立元器件的功率輸出電路 圖2.6 由 L298 組成的功率輸出電路 圖2.7 基于 VMOS/IR2153 功率輸出電路 在圖 2.7 電路中，IR2153 一方面內(nèi)部集成了類似于555 的時基振蕩電路以及 VMOS管驅(qū)動電路。 l 恒流控制 恒流電路控制輸出電流在 100mA 左右穩(wěn)定，不隨著電源的變化而發(fā)生波動。上述功率輸出模塊可以為負(fù)載-即賽道漆包線環(huán)路提供足夠的功率，但不能控制輸出電流的大小（輸出電壓已確定，頻率確定

8、），所以需要設(shè)計一個恒流控制電路，來調(diào)節(jié)功率輸出模塊電流的大小。 根據(jù)比賽規(guī)則的要求，恒流輸出控制不需要特別的精確。一般要求不高的情況下可以使用限流電阻控制電流的穩(wěn)定。 也可以利用晶體管的在放大區(qū)集電極的恒流特性進(jìn)行控制。如圖 2.8 所示： 圖2.8 利用晶體管進(jìn)行恒流控制晶體管可使用大功率雙極性晶體管，也可以使用功率 MOS 管。從電流設(shè)定穩(wěn)定性和恒流特性來看，使用功率雙極性晶體管更好。電源部分提供電路中所需要的各種低壓穩(wěn)壓電源。保證信號振蕩電路和恒流控制電路的穩(wěn)定性。可以使用一般穩(wěn)壓集成電路實現(xiàn)。 l 參考設(shè)計電路 實際電路圖的說明： 設(shè)計 PCB 時最好給 C2233 音頻功率管留足散

9、熱片的空間，它和 L298 一樣是電路中主要的發(fā)熱器件。 555 震蕩電路的參數(shù)也不一定要和上圖一樣，可以根據(jù)公式 計算出電阻的大小，只要便于調(diào)節(jié)的參數(shù)均可。 圖2.9 參考設(shè)計電路 震蕩電路 功率放大 恒流控制 頻率設(shè)定 恒流設(shè)定 電流表接入點 恒流輸出 l 電源調(diào)試 輸出電流調(diào)試：調(diào)節(jié)恒流設(shè)定電位器，使得輸出電流在 100mA 左右。外部負(fù)載電阻在 10 和 100 歐姆的時候，都應(yīng)該在 50-150mA 之內(nèi)。（注意：所接負(fù)載電阻必須要是大功率的，而且要充分考慮到它的散熱性，千萬不能直接接上一般的直插式電阻就去測電流，會爆掉的!水泥電阻如果有較大阻值的話可以考慮用它作為恒流源負(fù)載）實際調(diào)

10、試時候可以空載下將電流表串入功率管集電極測量，效果是一樣的。 輸出頻率調(diào)試：可使用示波器或者具有頻率測量的萬用表測量輸出電壓的頻率。外接 10 歐姆的負(fù)載進(jìn)行測量負(fù)載上電壓的頻率。調(diào)節(jié)頻率設(shè)定電位器使得電源頻率輸出在 2±2kHz。 調(diào)試完畢后，使得電源在接入跑道線圈之下連續(xù)工作 1 個小時，電源輸出的電流、頻率都不會漂移出要求的范圍，則所設(shè)計的電源滿足要求。 l 注意事項 功率管散熱：在外部負(fù)載比較小的時候，電路中功率輸出晶體管、恒流控制晶體管上的功耗比較大。特別是在整個電路的電源電壓較高（比如+12V）的時候，需要對于功耗比較大的晶體管進(jìn)行合理的散熱，以提高電源的工作熱穩(wěn)定性。

11、串接諧振電容： 當(dāng)賽道比較長的時候，賽道線圈的電感較大，可以在賽道線圈連接中通過串聯(lián)電容抵消賽道線圈的感抗。具體電容的大小可以根據(jù)實際測量賽道的電感進(jìn)行匹配。 電磁組傳感器及模路徑檢測設(shè)計參考方案：設(shè)計原理： 電磁組比賽競賽車模需要能夠通過自動識別賽道中心線位置處由通有100mA交變電流的導(dǎo)線所產(chǎn)生的電磁場進(jìn)行路徑檢測。除此之外在賽道的起跑線處還有永磁鐵標(biāo)志起跑線的位置。 1、導(dǎo)線周圍的電磁場根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在周圍產(chǎn)生交變的電磁場。智能汽車競賽使用路徑導(dǎo)航的交流電流頻率為 20kHz，產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波。甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻電磁破中間，為 3kHz

12、30kHz，波長為 100km10km。如圖 2.10 所示： 圖2.10 電流周圍的電磁場示意圖 導(dǎo)線周圍的電場和磁場，按照一定規(guī)律分布。通過檢測相應(yīng)的電磁場的強度和方向可以反過來獲得距離導(dǎo)線的空間位置，這正是我們進(jìn)行電磁導(dǎo)航的目的。 由于賽道導(dǎo)航電線和小車尺寸 l 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波的波長，電磁場輻射能量很?。ㄈ绻炀€的長度 l 遠(yuǎn)小于電磁波長，在施加交變電壓后，電磁波輻射功率正比于天線長度的四次方），所以能夠感應(yīng)到電磁波的能量非常小。為此，我們將導(dǎo)線周圍變化的磁場近似緩變的磁場，按照檢測靜態(tài)磁場的方法獲取導(dǎo)線周圍的磁場分布，從而進(jìn)行位置檢測。 由畢奧-薩伐爾定律知：通有穩(wěn)恒電流 I 長度 L

13、 的直導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁場，距離導(dǎo)線距離為 r 處 P 點的磁感應(yīng)強度為： ) (1) 有此得： 對于無限長直電流來說，上式中 圖2.11 無限長導(dǎo)線周圍的磁場強度 磁場檢測方法：我們有很多測量磁場的方法，磁場傳感器利用了物質(zhì)與磁場之間的各種物理效應(yīng)：磁電效應(yīng)（電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁致電阻效應(yīng)）、磁機械效應(yīng)、磁光效應(yīng)、核磁共振、超導(dǎo)體與電子自旋量子力學(xué)效應(yīng)。下面列出了一些測量原理以及相應(yīng)的傳感器： 1. 電磁感應(yīng)磁場測量方法：電磁線磁場傳感器，磁通門磁場傳感器，磁阻抗磁場傳感器。 2. 霍爾效應(yīng)磁場測量方法：半導(dǎo)體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。 3. 各向異性電阻效應(yīng)（AMR）磁場測量方法

14、。 4. 載流子自旋相互作用磁場測量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋閥三極管磁場傳感器、隧道磁致電阻效應(yīng)磁敏電阻。 5. 超導(dǎo)量子干涉（SQUID）磁場測量方法：SQUID 薄膜磁敏元件。 6. 光泵磁場測量方法：光泵磁場傳感器。 7. 質(zhì)子磁進(jìn)動磁場測量方法。 8. 光導(dǎo)纖維磁場測量方法。 以上各種磁場測量方法所依據(jù)的原理各不相同，測量的磁場精度和范圍相差也很大。我們需要選擇適合車模競賽的檢測方法，除了檢測磁場的精度之外，還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價格、功耗以及實現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮。 在下面所介紹的檢測方法中，我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈的方案。它具有原理簡單、價格便

15、宜、體積?。ㄏ鄬π。?、頻率響應(yīng)快、電路實現(xiàn)簡單等特點，適應(yīng)于初學(xué)者快速實現(xiàn)路經(jīng)檢測的方案。 通電導(dǎo)線周圍的磁場是一個矢量場，場的分布如圖 8.12 所示。如果在通電直導(dǎo)線兩邊的周圍豎直放置兩個軸線相互垂直并位于與導(dǎo)線相垂直平面內(nèi)的線圈，則可以感應(yīng)磁場向量的兩個垂直分量，進(jìn)而可以獲得磁場的強度和方向。 圖 2.12 導(dǎo)線周圍的感應(yīng)電磁場 導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律變化時，導(dǎo)線周圍的磁場也將發(fā)生變化，則線圈中將感應(yīng)出一定的電動勢。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓 E 與磁場 B (t) 、電磁線圈的圈數(shù) N 、截面積 A 的關(guān)系有： 感應(yīng)電動勢的方向可以用楞次定律來確定。由于本設(shè)計中導(dǎo)線中

16、通過的電流頻率較低，為20kHz，且線圈較小，令線圈中心到導(dǎo)線的距離為 r，認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的。再根據(jù)圖 3 所示的導(dǎo)線周圍磁場分布規(guī)律，則線圈中感應(yīng)電動勢可近似為： (2)即線圈中感應(yīng)電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離。其中常量 K 為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個量，具體的感應(yīng)電動勢常量須實際測定來確定。 雙水平線圈檢測方案 不同的線圈軸線擺放方向，可以感應(yīng)不同的磁場分量。我們先討論一種最簡單的線圈設(shè)置方案：雙水平線圈檢測方案。在車模前上方水平方向固定兩個相距 L 的線圈，兩個線圈的軸線為水平，高度為 h ，如圖 2.13 所示。 為了討

17、論方便，我們在跑道上建立如下的坐標(biāo)系，假設(shè)沿著跑道前進(jìn)的方向為 z 軸，垂直跑道往上為 y 軸，在跑道平面內(nèi)垂直于跑到中心線為 x 軸。xyz 軸滿足右手方向。假設(shè)在車模前方安裝兩個水平的線圈。這兩個線圈的間隔為 L，線圈的高度為 h，參見下圖 2.14 所示。左邊的線圈的坐標(biāo)為（x,h,z），右邊的線圈的位置(x-L,h,z)。 由于磁場分布是以 z 軸為中心的同心圓，所以在計算磁場強度的時候我們僅僅考慮坐標(biāo)(x,y)。 由于線圈的軸線是水平的，所以感應(yīng)電動勢反映了磁場的水平分量。根據(jù)公式（2）可以知道感應(yīng)電動勢大小與成正比。 圖2.13 雙水平線圈檢測方案 圖2.14 感應(yīng)線圈的布置方案假

18、設(shè) h = 5cm, x(15,+15)cm，計算感應(yīng)電動勢隨著線圈水平位置 x 的變化取值，如下圖2.15 所示： 圖8.15 線圈中感應(yīng)電動勢與它距導(dǎo)線水平位置 x 的函數(shù) 如果只使用一個線圈，感應(yīng)電動勢 E 是位置 x 的偶函數(shù)，只能夠反映到水平位置的絕對值|x的大小，無法分辨左右。為此，我們可以使用相距長度為 L 的兩個感應(yīng)線圈，計算兩個線圈感應(yīng)電動勢的差值： 下面假設(shè) L =30cm，計算兩個線圈電動勢差值 Ed 如圖 2.16 所示： 圖8.16 感應(yīng)電動勢差值d E 與距離x 之間的函數(shù) 從上圖可以看出，當(dāng)左邊線圈的位置 x=15cm 的時候，此時兩個線圈的中心恰好處于跑道中央，

19、感應(yīng)電動勢差值 Ed 為 0。當(dāng)線圈往左偏移，x(15,30)，感應(yīng)電動勢差值小于零；反之，當(dāng)線圈往右偏移，x(0,15)，感應(yīng)電動勢大于零。因此在位移 030cm 之間，電動勢差值 Ed 與位移 x 是一個單調(diào)函數(shù)。可以使用這個量對于小車轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反饋控制，從而保證兩個線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線。通過改變線圈高度 h,線圈之間距離 L 可以調(diào)整位置檢測范圍以及感應(yīng)電動勢的大小。 電路設(shè)計 設(shè)計部分 從上面檢測原理可以知道，測量磁場核心是檢測線圈的感應(yīng)電動勢 E 的幅值。電磁傳感器的設(shè)計主要包括：感應(yīng)線圈的選擇、信號選頻放大、整流與檢測等幾個方面，將會涉及到電磁場與波、高頻、模電等相關(guān)學(xué)科

20、的知識點，這里不再詳細(xì)的給出各個方案的具體論證過程，直接給出電路設(shè)計系統(tǒng)框圖和成熟的實際電路。檢測電路組成如圖 2.17 所示： 圖2.17 檢測電路系統(tǒng)框圖 2.17 中虛線部分可以看做另一種方案，即：信號放大以后直接通過單片機 AD 采樣，而不經(jīng)過檢波環(huán)節(jié)，電路框圖如圖 2.18 所示： 圖2.18 直接采集放大信號 說明：黑色原理圖為官網(wǎng)給出參數(shù)，具體的參數(shù)要根據(jù)線圈選型等實際情況自己設(shè)定，兩種方案各有優(yōu)勢。倍壓檢波電路可以獲得正比于交流電壓信號有效值的直流信號，處理起來很方便。缺點是由于電容的充放電，信號突變時有延遲，這種現(xiàn)象尤其在入彎時更明顯，使系統(tǒng)的響應(yīng)變慢。而直接采集放大信號的方

21、案則有效的克服了這一缺點，但信號處理起來沒有有效值檢波那種方案簡單,而且對 AD 性能的要求也較高。還有一種用的是檢波以后再送入 AD 處理信號的方案，事實證明也是可行的。下面給出兩種方案的實際電路圖，如圖 8.19 和圖 8.20 所示。 X方向 Y方向 Z方向 圖2.19 直接采集放大信號三維電磁傳感器電路圖 out連接到AD 圖2.20 檢波電路對于實際電路圖的說明：電感線圈我們采用的是標(biāo)準(zhǔn)化的“工字型”電感線圈，這種線圈感應(yīng)面積大，靈敏度好，缺點是體積較大。實踐證明這種電感線圈綜合效果還不錯，實際上我們只用兩個水平的線圈（即圖 6 的 x 軸方向）就可以完成尋跡功能，速度和穩(wěn)定性達(dá)到校

22、區(qū)水平。缺點是互感現(xiàn)象嚴(yán)重。不過也有很多參賽隊用直插式小體積的電感（外形和一般直插式電阻一樣，不過比電阻大些）。它的一個很明顯的優(yōu)點就是體積小，性能沒試過，鼓勵大家嘗試更多的選型方案。 去年比賽時我們只用到水平方向兩個線圈（即圖 2.14 中的 x 軸和 z 軸方向）。豎直方向的線圈可以用來檢測前方是否有彎道，也就是提高電磁組前瞻性的解決方案之一。我們當(dāng)時用單個豎直的傳感器檢測，在直道入彎處可以有 3040cm 的前瞻性，但實際跑的過程中數(shù)據(jù)無法有效地利用。加入豎直線圈以后在入彎和十字交叉時檢測到的信號是相似的，因此無法區(qū)分一般彎道和十字交叉。這樣 x 軸方向的線圈用來判斷小車偏離跑道的程度，

23、信號再經(jīng)過 MCU 的處理控制舵機的轉(zhuǎn)向。 現(xiàn)在來說明 z 軸方向線圈的作用。先看小車中心線與賽道重合時的情況：為了便于說明原理，這里只考慮磁場在水平面的投影，豎直方向不予考慮。小車在直道上的示意圖如圖 2.21 所示： 圖8.21 小車中心線與賽道重合時 容易的出：磁場在水平方向的分量（x和z軸）全部落在 x 軸上，z軸磁場為 0。 再來看小車在過彎道時的示意圖，如圖 2.22 所示。 圖2.22 小車在過彎道時示意圖 大家可以看到只用兩個水平（x 軸）線圈時，過彎時兩線圈檢測到感應(yīng)電動勢的大小可能很接近，而且此時不能反映所有水平方向磁場的信息，因為水平方向（z 軸）的磁場不為 0！所以這時

24、很自然的想到了利用 z 軸線圈來減小傳感器提取賽道信息不完整而使舵機誤動作或轉(zhuǎn)向延遲。 圖8.23 有z軸線圈時過彎示意圖 圖8.24 U1位置兩水平線圈過彎時磁部 這樣通過計算 x 和 z 軸線圈的平方和就可以算出 U1 位置處磁場水平分量。這相當(dāng)于對信號的軟件放大，而且使信號精度更高。實際上完全可以參照杭電的傳感器布局，使用一個線圈相對于 x 軸 45°放置，就可以達(dá)到圖 15 所示傳感器布局的效果。因為采用的是相同的電感線圈，可以認(rèn)為它的電氣特性完全相同。用一個這樣的線圈就可以提取整個水平方向的磁場信息。 根據(jù)官網(wǎng)的說明，不同方向同一位置的線圈算為一個傳感器。這個“同一個位置”

25、沒有明確的限定，靠的近一點、做在同一個板子上就可以了。 傳感器的設(shè)計與調(diào)試 實物如圖 2.25 所示： 圖2.25 直接放大電路實物圖（正反兩面） 說明：大家可以看到，比賽時我們只用到兩個線圈，豎直方向的拆掉了。 放大電路如圖 8.26 所示： 圖2.26 放大電路電路焊接完畢后，只要調(diào)節(jié)圖 11 中可調(diào)電阻 R4，使得三極管集電極電壓處于 2.5V 左右即可。 將上述放大電路的感應(yīng)電感放在通有 100mA、20kHz 導(dǎo)線周圍，使用示波 器觀察電路的輸出與輸入信號，如圖 8.27 所示： 圖2.27 放大電路的輸入、輸出波形通過圖 2.27 可以看出，放大電路的放大倍數(shù)大約為：倍。所得的電壓

26、信號可以直接連入單片機的 AD 轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行采集就可以。但這種方案對 AD 轉(zhuǎn)換速率要求較高。這樣 AD 輸入的交流信號的平均值在 2.5V，變化范圍在 0-5V，滿足單片機 AD 轉(zhuǎn)換的需要。 檢測方案 基本思路 以直接采集放大信號的傳感器方案為例，賽道信號為 20khz 方波，在采集信號時只要保證單片機的 AD 采集速率大于 20kHz 的 5-10 倍，連續(xù)采集 5-10 個周期的電壓信號（大約 100 數(shù)據(jù)左右），就可以直接從采集的數(shù)據(jù)中最大值減去最小值獲得信號的峰峰值。假設(shè)采集了128 個數(shù)據(jù)：𝑥𝑖,𝑥 = 1,2, ,128 ,計算信

27、號的峰峰值𝑉𝑃𝑃可以有下式計算： 𝑥𝑚𝑎𝑥=max(𝑥𝑖,𝑥 = 1,2, ,128) 𝑥𝑚𝑖𝑛=min(𝑥𝑖,𝑥 = 1,2, ,128) 𝑉𝑃𝑃= 𝑥𝑚𝑎𝑥 𝑥𝑚𝑖

28、𝑛 上面計算計算方法由于只用應(yīng)用了數(shù)據(jù)的最大值、最小值，所得結(jié)果容易受到噪聲的影響，所以還可以通過計算數(shù)據(jù)交流信號的平均值、有效值反映信號的幅值： 上面所計算得到的 , 𝑥𝑎𝑣𝑒、 𝑥𝑒等都與信號的峰峰值成單調(diào)關(guān)系，所以也可以用來進(jìn)行計算位置差值信號。 經(jīng)驗體會 如果采用直接放大信號的傳感器方案，要滿足信號采集的需要，MUC 片內(nèi) AD 或者外部 AD 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間要能達(dá)到 5us,將近 1MSPS！傳統(tǒng)的 AVR 單片機已近遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求了（最高分辨率時采樣率 15 kSPS）

29、，msp430f149 的片內(nèi) AD 剛好 200 ksps，基本滿足需求，飛思卡爾 MC9S12XS128 轉(zhuǎn)換速率達(dá)到 3us,也可以勝任信號采集的需求，不過價格昂貴。這樣的話就需要外部 AD 來完成信號采集。而且要考慮到線圈的個數(shù)會有多個，所以外部 AD 的通道數(shù)也需考慮，串行和并行看大家自己的習(xí)慣。我們?nèi)A東賽區(qū)比賽用的是 AD 公司的 8 輸入串行 spi 通信模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD7928，轉(zhuǎn)換率1MSPS，基準(zhǔn)電壓芯片用的是 AD780，總價在 40 元左右。 而如果采用放大檢波方案的話，對 AD 就沒有什么那么高的要求了。不僅設(shè)計的成本大幅降低，而且軟件上的復(fù)雜度也會大大降低，直觀地看

30、只需要采一次數(shù)據(jù)就可以提取當(dāng)前磁場信息。所以如果條件有限，推薦大家使用放大檢波的方案，但這種方案在硬件上會復(fù)雜一些，需要的調(diào)試工作量也會大一些。從檢波二極管的選擇，到濾波電路參數(shù)的計算，都需要有較高模、高頻電基礎(chǔ)。不過這更具挑戰(zhàn)性，更能鍛煉自己的能力！為了減輕低年級同學(xué)的設(shè)計工作量，我們也給出了已經(jīng)調(diào)試過的電路，如圖 12 所示，供大家參考。 其實不管是 CCD 組、光電組還是電磁組，在軟件方面的基本思路是一致的。通過傳感器提取賽道信息，通過軟件方面的手段計算出當(dāng)前小車偏離賽道的程度記為“”，要求高的話，像“飛思卡爾杯”的話再加入速度反饋 ，綜合考慮當(dāng)前速度大小和偏離賽道程度“”，控制舵機的轉(zhuǎn)

31、向和電機的加減速。有了“”和速度傳感器返回的值，至于當(dāng)前“”下舵機轉(zhuǎn)多大，電機加速還是減速，加多少減多少，這就需要軟件的算法來計算了。最常見的就是 PID 和棒棒算法了，另外模糊控制理論在智能車控制領(lǐng)域也用得比較多。算法方面校區(qū)智能車設(shè)計指導(dǎo)書第二版會有講解，這里就不說了。本指導(dǎo)只講從 AD 提取賽道信息到得出“”，以及在整個程序設(shè)計時應(yīng)該注意的問題，軟件整體的設(shè)計思路。 除了利用上述的𝑥𝑎𝑣𝑒、 𝑥𝑒做差可以計算出外，也有其他方法。大家不必拘泥于上面的方法。 起跑線檢測 關(guān)于路徑檢測方法，這里還想

32、說說怎樣檢測起跑線。電磁組檢測起跑線的方法與光電、CCD 組的不同，通過硬件即可完成，相對也比較簡單，所以放在后面講。我們再來看看官網(wǎng)給的起跑線示意圖，如圖 2.28 所示： 圖2.28 起跑線示意圖如圖 2.28 所示，起跑線下面均勻的放置有 6 個永磁體，磁體放置極性不確定。磁體參數(shù)：直徑 7.5 - 15mm，高度 1-3mm，表面磁場強度 3000-5000Gs。磁體表面磁場強度相對賽道產(chǎn)生的磁場非常大（經(jīng)過計算賽道磁場強度在103Gs 數(shù)量級），完全可以不考慮小車會在非起跑線區(qū)域檢測起跑線。檢測起跑線的傳感器通常選用干簧管。干簧管相當(dāng)于一個磁敏開關(guān)，分為常開和常閉類型。工作原理很簡單

33、，干簧干里面的磁性導(dǎo)電簧片受到足夠大的磁場磁化以后相互吸合在一起來完成一次開關(guān)的動作。 電磁組要檢測起跑線，只要干簧管受經(jīng)過起跑線時受到的磁場作用達(dá)到一定程度就可以?？紤]到磁體極性不確定，但歸納起來就三種情況： 同側(cè)三個磁體表面都為同極性 相鄰兩兩磁體極性不同 只有相鄰兩個磁體極性相同 經(jīng)過理論分析和實際測試發(fā)現(xiàn)： 每個磁體表面中線處磁場為 0 或者很小，干簧管經(jīng)過單個磁體表面時不能發(fā)生動作，即存在盲區(qū)。同名磁體中垂線上磁場為 0。 兩磁體中心相距 2.5cm，在小車左右兩側(cè)各放一個干簧管顯然是不行的，考慮最壞的情況，兩個相鄰的干簧管中心位置不能是 2.5cm 和 2.5/2cm 的整數(shù)倍。這

34、樣的話，每側(cè)各用兩個就可以了。設(shè)計時可以把干簧管并連在一起，左右共兩組，任何一路導(dǎo)通都可以向 MCU 輸送檢測起跑線的信息。實物圖如度 2.29 所示： 圖2.29 干簧管檢測起跑線實物圖軟件部分的簡要流程圖 程序開始初始化工作處理AD數(shù)據(jù)舵機反方向打死兩側(cè)做差得到偏離跑道的差值檢查每一側(cè)傳感器的值是否小于E檢測到起跑線停止運行是否是否速度反饋的值棒棒控制PID控制舵機、電機動作 -25- 3.MC9S12XS128單片機常用模塊3.1 PWM模塊PWM 調(diào)制波有 8 個輸出通道，每一個輸出通道都可以獨立的進(jìn)行輸出。每 一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器（計算脈沖的個數(shù)），一個周期控制寄存器和兩個可供選擇的時鐘源。每一個 PWM 輸出通道都能調(diào)制出占空比從 0100% 變化的波形。 PWM 的主要特點： 1、它有 8 個獨立的輸出通道，并且通過編程可控制其輸出波形的周期。 2、每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器。 3、每一