MC9S12XSl28微控制器的智能车硬件设计

MC9S12XSl28微控制器的智能车硬件设计,第1张

MC9S12XSl28微控制器智能车件设计

  以“飞思卡尔”杯智能车大赛为研究背景,采用MC9S12XSl28作为核心处理器,通过对比各个模块不同设计方案的性能,完成智能车电源、驱动、图像采集、测速等模块的设计与实现。通过大量的实验调试完成了智能车的组装与机械部分调整,使得智能车结构更为合理。实验及实际比赛表现表明,该智能车件结构稳定,性能良好。

  随着汽车电子业的迅猛发展,智能车作为电子计算机最新科技成果与现代汽车工业相结合的产物,因其具有的智能特点而成为研究重点。“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车比赛在此背景下产生,竞赛规则规定。赛车在设定的赛道上能够自主行驶,并以最短的时间跑完全程者获胜。因此,智能车硬件不断创新以适应小车的速度要求。本文以MC9S12XSl28为核心处理器,通过实验比较智能车各个模块电路设计方案,从而设计出性能稳定的硬件电路,经大赛实际检验性能良好稳定。

  1 系统整体方案设计

  1.1 智能车功能设计

  根据大赛规则,智能车应具有路径识别、方向控制、速度控制、状态检测等功能,设计采用大赛指定的飞思卡尔16位微控制器MC9S12X-Sl28单片机作为核心控制单元,利用CCD摄像头作为识别路径的传感器,经MC9S12XSl28 MCU的I/O端口处理,控制赛车的运动决策,同时内部ECT模块发出PWM波,驱动直流电机及舵机对智能车进行速度控制和转向控制,为了精确控制赛车的速度,在智能车后轴上安装光电编码器,采集车轮转速的脉冲信号,经MCU捕获后进行PID自动控制,完成智能车速度的闭环控制。设计中应注意的原则:重心尽可能低、体积尽可能小、驱动尽可能大、结构尽可能简单。

  1.2 系统整体结构

  智能车的硬件设计是整个系统设计的基础,只有在系统硬件设计可行、稳定、可靠的前提下,其他控制方案才能得以继续。系统硬件主要包括单片机(主控)、 CCD摄像头(图像采集)、旋转编码器(速度检测)、SD卡(大量数据存储)、无线抄表(数据的无线收发)、直流电机(速度控制)、舵机(方向控制)、电源(5 V/6 V/7 V/3.3V/9 V/12 V)、车模、驱动器MC33886、MOSFET管等组成。图1为其整体结构框图。

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  1.3 MC9S12XSl28单片机简介

  本设计选用飞思卡尔MC9S12XSl28微控制器作为控制单元。该系统板具有MCU核心系统,支持串口调试下载,具有扩展接口,可进行2次开发,支持 μCOSⅡ。此开发板兼容性较高,监控程序功能强大,可提供各种基本的开发和调试功能,如程序的下载和运行、断点设置、内存显示等。还可利用 MC9S12XSl28的Flash在线编程技术实现在线写入用户程序和随时修改Flash存储内容。同时在线实时仿真和监测自编程序。根据实际设计需要分配控制器内部单元,如表l所示。

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  2 各功能模块的设计与实现

  智能车硬件系统主要包括电源、电机驱动、测速、舵机、图像采集与处理等部分。

  2.1 电源模块设计

  根据智能车的设计需求,需提供5 V电源为单片机、SD卡、测速模块、PCB板上电路、无线通讯模块等供电:6 V电源供给舵机,CCD摄像头需12 V的工作电压。其中的难点是12 V DC-DC升压电路。这里使用MC34063A搭建由7.2 V升压到12 V的升压电路。MC34063A是单片双极型线性集成电路,专用于直流一直流变换器控制,内置占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关,可输出 1.5 A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器,降压式变换器和电源反向器。图2为DC-DC升压电路原理图。

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   2.2 电机及舵机驱动模块设计

  影响智能车速度的最关键因素是驱动力。“驱动力”不仅包括驱动电机,还包括电机驱动电路。电机驱动电路要能为赛车提供强大的动力,同时自身的功耗要小,能够保证在长时间大电流输出的情况下不升温且持续稳定工作。

  根据PWM调速电机驱动电路的性能指标。在实际制作过程中,主要采用以下两种方案:1)采用MC33886级联组成驱动电路;2)采用MOSFET搭建H 桥电路。

  考虑到MC33886输出电流有限,不能提供较为强劲的驱动力,因此专门独立设计采用MOSFET搭建的H桥驱动电路。网3是直流电机PWM调速系统框图。TD340和MOSFET管组成H桥驱动电路。TD340是N沟道功率MOSFET管驱动器。适合于直流电机控制。

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  通过实验比较这两个方案设计的电路加速、制动、频繁启制动能力,发现两个电路各有其特点。MC33886级联组成驱动电路驱动电流上升快,适合起制动,但能耗大且稳定电流小;而MOSFET管启制动较慢,但驱动电流大,适合直道行驶,功耗小。考虑到能耗问题,实际小车设计中采用MOSFET管驱动方法。

  舵机用来控制前轮的转向,配合后轮的驱动电机,使车体能够自由行驶。在智能车上,舵机的输出转角通过连杆传动控制前轮转向。舵机的输出转角介于 -45°~+45°之间,在使用前需先测出各个角度所对应的PWM波的占空比。

  2.3 测速模块设计

  作为实现对智能车闭环控制的光电一个重要环节,测速功能不可缺少。常用的测速方法有光电管测速法和光电编码器测速法。

  实践证明,光电管检测方法成本低廉,容易实现。但精度较低,可靠性较差,容易受环境光影响,当车速达到3 m/s时,检测会发生问题。采用光电编码器成本虽然较高,但精度高,稳定性好。因此综合考虑,采用光电编码器检测电机速度。

  采用OMRON公司生产的E6A2-CSl00型光电编码器。它由5~12V的直流供电,速度传感器通过后轮轴上的齿轮与电机相连,车轮每转1圈,速度传感器转过2.75圈。

  2.4 图像采集及处理模块设计

  针对智能车比赛的实际环境状况,常用的图像数据采集方法有:A/D转换采集方法和比较器的硬件二值化方法。

  MC9S12XSl28单片机的A/D转换时间在不超频的情况下最短为7μs,若选用分辨率为320线的摄像头,则单行视频信号持续的时间约20 ms/320=62.5μs,A/D转换器对单行视频信号采样的点数将不超过(62.5/7)+1=9个。若使用分辨率为640线的摄像头,则单行视频信号持续的时间约20 ms/640=31 μs,A/D转换器对单行视频信号采样的点数将不超过(3l/7)+l=5个。可见,分辨率越高,单行视频信号持续的时间就越短,A/D转换器对单行视频信号所能采样的点数就越少。如前所述,摄像头的分辨率越高,虽然可提高纵向分辨能力,但会减少单片机A/D采样单行信号的点数,削弱横向分辨率。

  摄像头的分辨率通常在300线以上,所以单行视频信号的持续时间最多20 ms/300=66μs,则A/D采样每行视频信号的点数最多(66/7)+1=10个(不超频),这不满足赛车定位要求。所以采用A/D采集图像时,摄像头分辨率不应太高。为保证采集图像点的准确性同时为图像处理留出更多时间,这里采用比较器实现二值化来代替A/D采样方法实现数据采集。

  3 结论

  围绕MC9S12XSl28单片机完成全国智能车大赛小车的硬件电路设计。通过实验比较各个模块电路的特点,选择性能较好的方案。通过硬件二值化电路完成对CCD摄像头图像采集与二值化的处理,节约了微处理的时间。通过比较常用的两种驱动电路的性能,选择出适合智能车竞赛的电路。实验表明整个小车驱动性能良好,图像采集快速,行驶稳定。该智能车在智能车大赛中表现良好。

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