基于MC9S12XS128微控制器的智能車硬件設(shè)計(jì)

1、收稿日期:2009-07-01稿件編號(hào):200907001基金項(xiàng)目:安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目(2009SQRZ159;合肥學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目(08KY006ZR ;合肥學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)資助項(xiàng)目。作者簡(jiǎn)介:劉偉(1979,男,安徽壽縣人,博士研究生。研究方向:智能控制與模式識(shí)別。隨著汽車電子業(yè)的迅猛發(fā)展,智能車作為電子計(jì)算機(jī)等最新科技成果與現(xiàn)代汽車工業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物,因其具有的智能特點(diǎn)而成為研究重點(diǎn)。“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車比賽在此背景下產(chǎn)生1,競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定,賽車在設(shè)定的賽道上能夠自主行駛,并以最短的時(shí)間跑完全程者獲勝。因此,智能車硬件不斷創(chuàng)新以適應(yīng)小車的速度要求。本文以MC

2、9S12XS128為核心處理器,通過實(shí)驗(yàn)比較智能車各個(gè)模塊電路設(shè)計(jì)方案,從而設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定的硬件電路,經(jīng)大賽實(shí)際檢驗(yàn)性能良好穩(wěn)定。1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)根據(jù)大賽規(guī)則,智能車應(yīng)具有路徑識(shí)別、方向控制、速度控制、狀態(tài)檢測(cè)等功能,設(shè)計(jì)采用大賽指定的飛思卡爾16位微控制器MC9S12XS128單片機(jī)作為核心控制單元,利用CCD 攝像頭作為識(shí)別路徑的傳感器,經(jīng)MC9S12XS128MCU 的I/O 端口處理2,控制賽車的運(yùn)動(dòng)決策,同時(shí)內(nèi)部ECT 模塊發(fā)出PWM 波,驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)及舵機(jī)對(duì)智能車進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的脈沖信號(hào),經(jīng)MCU 捕獲后

3、進(jìn)行PID 自動(dòng)控制,完成智能車速度的閉環(huán)控制。設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的原則:重心盡可能低、體積盡可能小、驅(qū)動(dòng)盡可能大、結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單。智能車的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),只有在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可行、穩(wěn)定、可靠的前提下,其他控制方案才能得以繼續(xù)。系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)(主控、CCD 攝像頭(圖像采集、旋轉(zhuǎn)編碼器(速度檢測(cè)、SD 卡(大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無線V/9V/12V/、車模、驅(qū)動(dòng)器MC33886、MOSFET 管等組成。圖1為其整體結(jié)構(gòu)框圖。本設(shè)計(jì)選用飛思卡爾MC9S12XS128微控制器作為控制單元。該系統(tǒng)板具有MCU 核心系統(tǒng),支持串口調(diào)試下載,具有擴(kuò)展接口,可進(jìn)行2次開發(fā),支持COS 。此開發(fā)板兼容

4、性較高,監(jiān)控程序功能強(qiáng)大,可提供各種基本的開發(fā)和調(diào)試功能,基于MC9S12XS128微控制器的智能車硬件設(shè)計(jì)劉偉1,2(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽合肥230009;2.合肥學(xué)院智能控制與機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230106文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-6236(201001-0102-02Hardward design of smart car based on MC9S12XS128microcomputerLIU Wei 1,2(1.School of Electric Engineering and Automation,Heifei University of Te

5、chnology,Hefei 230009,China ;2.Intelligent Control and Compute Vision Lab ,Hefei University ,Hefei 230106,China Abstract :Taking the “freescale ”smart car competition as the research background ,MC9S12XS128is adopted as the core processor ,through comparing the performances of different design proje

6、cts ,the power module ,drive module ,image collection module and speed detection module of the smart car are designed and achieved.The smart car is assembled and adjusted ac -cording to experiments and debuggings.The experiment and the contend performance show that hardware structure of the smart ca

7、r is steady,and the performance is good.Key words :power design ;motor drive ;image acquisition ;binarization circuit;MC9S12XS128圖1智能車整體結(jié)構(gòu)框圖第18卷第1期電子設(shè)計(jì)工程Electronic Design Engineering如程序的下載和運(yùn)行、斷點(diǎn)設(shè)置、內(nèi)存顯示等。還可利用MC9S12XS128的Flash在線編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線寫入用戶程序和隨時(shí)修改Flash存儲(chǔ)內(nèi)容。同時(shí)在線實(shí)時(shí)仿真和監(jiān)測(cè)自編程序。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要分配控制器內(nèi)部單元,如表1所示。2各功能模

8、塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)智能車硬件系統(tǒng)主要包括電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、測(cè)速、舵機(jī)、圖像采集與處理等部分。根據(jù)智能車的設(shè)計(jì)需求,需提供5V電源為單片機(jī)、SD 卡、測(cè)速模塊、PCB板上電路、無線通訊模塊等供電;6V電源供給舵機(jī),CCD攝像頭需12V的工作電壓。其中的難點(diǎn)是12V DC-DC升壓電路。這里使用MC34063A搭建由7.2V升壓到12V的升壓電路。MC34063A是單片雙極型線性集成電路,專用于直流-直流變換器控制,內(nèi)置占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān),可輸出1.5A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)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。影響智能車速

9、度的最關(guān)鍵因素是驅(qū)動(dòng)力。“驅(qū)動(dòng)力”不僅包括驅(qū)動(dòng)電機(jī),還包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要能為賽車提供強(qiáng)大的動(dòng)力,同時(shí)自身的功耗要小,能夠保證在長(zhǎng)時(shí)間大電流輸出的情況下不升溫且持續(xù)穩(wěn)定工作。根據(jù)PWM調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的性能指標(biāo),在實(shí)際制作過程中,主要采用以下兩種方案:1采用MC33886級(jí)聯(lián)組成驅(qū)動(dòng)電路;2采用MOSFET搭建H橋電路。 考慮到MC33886輸出電流有限,動(dòng)力,因此專門獨(dú)立設(shè)計(jì)采用MOSFET搭建的H橋驅(qū)動(dòng)電路。圖3是直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖。TD340和MOSFET 管組成H橋驅(qū)動(dòng)電路。TD340是N溝道功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)器,適合于直流電機(jī)控制3。通過實(shí)驗(yàn)比較這兩個(gè)方案設(shè)計(jì)

10、的電路加速、制動(dòng)、頻繁啟制動(dòng)能力,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電路各有其特點(diǎn)。MC33886級(jí)聯(lián)組成驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電流上升快,適合起制動(dòng),但能耗大且穩(wěn)定電流小;而MOSFET管啟制動(dòng)較慢,但驅(qū)動(dòng)電流大,適合直道行駛,功耗小。考慮到能耗問題,實(shí)際小車設(shè)計(jì)中采用MOSFET 管驅(qū)動(dòng)方法。舵機(jī)用來控制前輪的轉(zhuǎn)向,配合后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī),使車體能夠自由行駛。在智能車上,舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角通過連桿傳動(dòng)控制前輪轉(zhuǎn)向。舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角介于-45+45之間,在使用前需先測(cè)出各個(gè)角度所對(duì)應(yīng)的PWM波的占空比。作為實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車閉環(huán)控制的光電一個(gè)重要環(huán)節(jié),測(cè)速功能不可缺少。常用的測(cè)速方法有光電管測(cè)速法和光電編碼器測(cè)速法。實(shí)踐證明,光電管檢測(cè)方法成

11、本低廉,容易實(shí)現(xiàn),但精度較低,可靠性較差,容易受環(huán)境光影響,當(dāng)車速達(dá)到3m/s時(shí),檢測(cè)會(huì)發(fā)生問題。采用光電編碼器成本雖然較高,但精度高,穩(wěn)定性好。因此綜合考慮,采用光電編碼器檢測(cè)電機(jī)速度4。采用OMRON公司生產(chǎn)的E6A2-CS100型光電編碼器。它由512V的直流供電,速度傳感器通過后輪軸上的齒輪與電機(jī)相連,車輪每轉(zhuǎn)1圈,速度傳感器轉(zhuǎn)過2.75圈。針對(duì)智能車比賽的實(shí)際環(huán)境狀況,常用的圖像數(shù)據(jù)采集方法有:A/D轉(zhuǎn)換采集方法和比較器的硬件二值化方法。MC9S12XS128單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間在不超頻的情況下最短為7s5,若選用分辨率為320線的攝像頭,則單行視頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間約20ms/320

12、=62.5s,A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)單行視頻信號(hào)采樣的點(diǎn)數(shù)將不超過(62.5/7+1=9個(gè)。若使用分辨率為640線的攝像頭,則單行視頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間約20ms/ 640=31s,A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)單行視頻信號(hào)采樣的點(diǎn)數(shù)將不超過(31/7+1=5個(gè)?？梢?分辨率越高,單行視頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間就越短,A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)單行視頻信號(hào)所能采樣的點(diǎn)數(shù)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(huì)減少單片機(jī)A/D采樣單行信號(hào)的點(diǎn)數(shù),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(hào)的持續(xù)時(shí)間最多20ms/300=66s,則A/D采樣每行視頻信號(hào)的點(diǎn)數(shù)最多(66/7+1=10個(gè)(不超頻,這

13、不滿足賽車定位要求。所以采用A/D采集圖像時(shí),攝像頭分辨率不應(yīng)太高。為保證采集圖像點(diǎn)的準(zhǔn)確性同時(shí)為圖像處理留出更多時(shí)間,這里采用比較器實(shí)現(xiàn)二值化來代替A/D采樣方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集6。圖2DC-DC升壓電路原理圖圖3直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖(下轉(zhuǎn)第105頁劉偉基于MC9S12XS128微控制器的智能車硬件設(shè)計(jì)3結(jié)論圍繞MC9S12XS128單片機(jī)完成全國智能車大賽小車的硬件電路設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)比較各個(gè)模塊電路的特點(diǎn),選擇性能較好的方案。通過硬件二值化電路完成對(duì)CCD攝像頭圖像采集與二值化的處理,節(jié)約了微處理的時(shí)間。通過比較常用的兩種驅(qū)動(dòng)電路的性能,選擇出適合智能車競(jìng)賽的電路。實(shí)驗(yàn)表明整個(gè)小車驅(qū)動(dòng)性

14、能良好,圖像采集快速,行駛穩(wěn)定。該智能車在智能車大賽中表現(xiàn)良好。參考文獻(xiàn):1飛陳放,.報(bào)告R.上海,2008.2王威.HCS12微控制器原理及應(yīng)用M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.應(yīng)用J.電子設(shè)計(jì)工程,2004,12(3:48-49.4王明順,沈謀全.虛擬編碼器在智能車上的應(yīng)用J.電子產(chǎn)品世界,2004,12(2:126-128.5安鵬,馬偉.S12單片機(jī)模塊應(yīng)用及程序下載調(diào)試J.電子產(chǎn)品世界,2006,211(07S:162-163.6蔡波.視頻實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)研究及設(shè)計(jì)J.電視技術(shù),2005,527523-25.3SPR4096模塊電路設(shè)計(jì)針對(duì)存儲(chǔ)器SPR4096,結(jié)合開發(fā)的簡(jiǎn)易

15、燒寫器,該燒寫器配合PC機(jī)ResWriter工具(針對(duì)SPR4096開發(fā)的專用軟件工具,通過EZ-probe下載線完成對(duì)SPR4096型存儲(chǔ)器的擦除、寫入、校驗(yàn)等功能。SPR4096的引腳SCK和SDA與支持SIO協(xié)議的SPCE061A單片機(jī)的IO端口IOB0和IOB1對(duì)應(yīng),實(shí)現(xiàn)SPR4096與單片機(jī)SPCE061A間的通信。SPR4096通過ResWriter工具對(duì)SPR4096存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)擦除、寫入以及校驗(yàn)功能,方便地與單片機(jī)連接組成外擴(kuò)存儲(chǔ)器的系統(tǒng)。圖3為SPR4096模塊電路原理圖。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要面向西藏地區(qū)的公交車,所以,藏、漢、英3種語音是必須考慮的。主程序是一個(gè)封閉的循環(huán)

16、。IO端口初始化部分主要按照硬件資源分配對(duì)IO端口的狀態(tài)進(jìn)行初始設(shè)置,包括IO端口狀態(tài)是處于輸入還是輸出狀態(tài),是否設(shè)置上拉等操作,這些都在IO端口初始化子函數(shù)中完成。液晶初始化主要是設(shè)置液晶顯示部分的相關(guān)數(shù)據(jù)線、控制線的狀態(tài)。SPR4096初始化用于設(shè)置串行傳輸速率以及CPU時(shí)鐘頻率和相對(duì)應(yīng)的IO端口的狀態(tài)。計(jì)時(shí)程序初始化用于打開計(jì)時(shí)中斷,一些與控制相關(guān)的全局變量初始化也在該子函數(shù)中完成。主程序流程如圖4所示。5結(jié)論當(dāng)系統(tǒng)工作在正常放電模式時(shí),測(cè)試主控板消耗電流,在播報(bào)語音時(shí)主控板消耗的電流,最終測(cè)試結(jié)果:主控板消耗電流40.26mA;語音播放時(shí)系統(tǒng)消耗電流400mA。該電路能夠穩(wěn)定工作在直流57V的電源下,按鍵工作靈敏度高,系統(tǒng)響應(yīng)速度快,語音采用SPY0030作為第1級(jí)放大,噪聲濾除效果好,最終輸出音色和音質(zhì)都能滿足實(shí)際需要。本系統(tǒng)將為西藏地區(qū)公交報(bào)站系統(tǒng)的信息化、人性化提供一個(gè)較好的解決方案,具有一定的推廣前景。參考文獻(xiàn):1張大波.嵌入式系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用M