湖北汽车工业学院科技学院独眼龙30技术报告文档格式.docx
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制作智能车的电路设计，如电源模块设计、电机驱动设计、传感器电路设计、转速传感器电路设计等；
紧接着对小车各模块编译程序并调试，整合后实现智能车沿黑色引导线稳定行驶；
然后通过大量的测试，分析小车在测试跑道上的运行姿态，完成各种任务算法的软件调试，并不断的优化、改进硬件部分，使小车保持良好的状态。
在参阅大量的文献，涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，我们小组最终完成了参赛小车的设计。
这份报告中，我们通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的介绍，详尽地阐述了我们的思想和创意，具体表现在电路的创新设计，以及算法方面的独特想法。
本文主要对以下几个方面做研究：
首先，介绍了研究背景、比赛规则和设计构思。
阐述了控制系统的资源配置、资源需求与分配和核心处理器的寄存器，MC9S12单片机寄存器资源。
相比于其它类型的单片机，16位的MC9S12的功能更加强大，功能引脚较多，能够很好地满足智能车控制系统的需要。
其次，设计了智能车控制系统的硬件电路，包括各个模块的电路设计方案以及相关电路。
采用的方案以MC9S12单片机为核心，包括总体控制系统的设计，各部件需要的供电电源设计，传感器电路设计，速度检测电路的设计等。
然后，进行了软件和算法的设计。
根据传感器采集的道路信息，经处理分析之后，控制转角和速度。
实现智能汽车快速的完成赛道。
最后，阐述了赛车机械结构调整，主要是调节车的重心、前轮、后轮、舵机，使智能车在高速行走时，更加稳定。
第二章总体方案分析和设计
2.1总体设计方案
根据大赛要求，系统采用Freescale16位微控制器MC9S12DP256作为核心控制单元，为便于安装、调整，并减轻整车质量，我们重新设计了系统主板电路。
路径模块设计采用CCD传感器，用于路径识别、起跑线识别和车速变换策略。
车速控制采用PID调速控制反馈信号，由安装在电机输出轴的车速传感器提供。
小车整体布局如图2.1所示。
小车控制系统主要由以下各功能模块组成如图2.2所示。
图2.1小车整体布局
图2.2系统总体结构框架图
Ø
电源转换及控制模块：
由电源7.2V向单片机系统、路径传感器、转速传感器、电机驱动、转向舵机提供电源转换
单片机最小应用系统及外围电路：
定义各管脚应用
CCD传感器及信号调理电路：
作为路径识别
车速传感器及信号调理电路：
提供转速反馈信号
电机闭环调速控制模块：
使小车能流畅的行驶
转向舵机控制模块：
能够根据路径信号准确转向
SCI接口的上位PC机监控系统及基于Labview的相关应用软件：
完成对程序的调试
LED数码管显示模块：
提供了人机交换界面
基于MATLAB的分析调试软件：
分析速度的调节规律
2.2、方案论证
2.2.1路径识别传感器设计方案
路径识别是智能汽车系统设计的关键部分，智能车的路径识别传感器相当于人的眼睛，其性能的好坏直接影响整个系统的优劣。
大赛提供的跑道是采用白色背景并有黑色线作为引导线的模式，我们队参加的是摄像头赛题组，采用CCD传感器作为信息采集元件。
CCD图像传感器有线阵式和面阵式两种。
线阵CCD图像传感器水平分辨率很高，但仍然属于一维的图像传感器，仅在分辨率上优越与红外光电传感器；
而采用面阵CCD图像传感器作为路径检测工具，所能探测的赛道信息远多于“线阵型检测阵列”探测到的，而且也有足够远的探测距离以方便对前方路况进行预判。
另一方面，采用该方案寻线精度高，容易控制小车实现在“蛇形”路况不转弯，进弯道前提前减速，直道减少来回摆动等功能。
但该方案也存在算法复杂，图像处理难度大，采样速度等难点。
我们认为这些难点是可以努力去解决的。
选择基于面阵CCD图像传感器的智能控制作为本次设计的基本控制方案,它能够有效利用S12单片机内部硬件资源。
2.2.2速度调节传感器设计
在小车的运行中，直道行走的时候，可以以最高速度行驶；
在弯道出直道时，速度需要在很短的时间内加到最高速；
当智能车直道入弯的时候，速度也必须从当前的速度减到安全速度；
当智能车在弯道时，小车必须以安全行驶，以保证其能够安全通过弯道。
因此，速度的控制是系统软件的核心操作，对小车的行驶性能有着决定性的作用。
对驱动电机的控制，要达到的目的就是：
在行驶过程中，小车要有最有效的加速和减速机制。
高效的加速算法使小车能在直到上高速行驶，而快速减速则保证了小车运行的稳定，流畅。
利用速度传感器，在时时对速度进行监控的同时，我们还可以引入了闭环控制PID的思想。
PID控制在占空比控制的基础上加入了积分和微分控制，可以提高电机的反应时间，调节适当的参数。
不过P、I、D三个参数的设定较难，需要不断进行调试，凭经验来设定。
第三章模型车整车结构设计与调校
3.1车体的整体参数
我们用的是大赛指定的模型车，如图3.1所示，小车整体机构包括车模的底盘部分及转向和驱动部分。
控制采用前轮转向，后轮驱动方案。
具体车模数据如下：
表3-1车模基本尺寸参数
基本参数
尺寸（cm）
轴距
198
前轮距
122
后轮距
138
车轮直径
52
车长
286
车宽
163
传动比
18/76
图3.1模型车全貌
3.2主电路板安装
为保证整车的紧凑性和整体质量的集中，在设计电路板时将其形状设计成与底盘相同，如图3.2所示，利用底盘上原有的定位孔将其平铺在底盘上，另外利用四个定位孔，用铜螺柱将底盘和主板间隔一定的距离，这样做也是为了主板的拆装的方便快捷，也有利于主板的维修。
图3.2主电路板的外观和安装
3.3转向舵机机械结构的设计与安装
舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，大赛规定使用的是型号：
S3010。
其工作原理是：
控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。
它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。
最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。
当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。
舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。
舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常数，通过改变舵机的安装位置，而并非改变舵机本身结构的方法可以提高舵机的响应速度。
分析舵机控制转向轮转向的原理，可以发现在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机的一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。
这相当于增大力臂长度，提高线速度。
针对上述特性，改变了原有的舵机的安装方法，对舵机如图3.3所示的安装。
这样安装的优点是：
①改变了舵机的力臂，使转向更灵敏；
②舵机安装在正中央，使舵机左右转向时受力比较均匀，使舵机能灵活的转向。
图3.3舵机的安装
3.4其他机械模块调整
在调制过程中，除去对以上部分的调整之外，其他机械部分也要酌情调整。
悬挂臂、转向连杆的动作要灵活自如，准确无误；
主悬架要松紧适度；
驱动电机的螺丝一定要上紧，并要经常检查，一旦在行驶中松动就会造成零件的损坏。
调试中还发现主悬架的第二个螺丝容易松动，测试时要检查是否上紧。
第四章系统电路设计
4.1MC9S12XS128单片机功能概述
MC9S12XS128是飞思卡尔半导体公司HCS12的增强型产品，基于S12CPU内核，可达到25MHz的HCS12的2~5倍性能。
它隶属于飞思卡尔单片机的S12X系列，增加了172条额外指令，可执行32位计算（共有280条指令），总线频率最高可达40MHz，并且具备完全的CAN功能，改进了中断处理能力。
S12X系列的CPU以复杂指令集CISC架构，集成了中断控制器，有丰富的寻址方式。
中断有7个优先级并且内核支持优先级的调度，最多可有117个中断源，S12X最多可访问8MB的全部存储空间（包括片内和片外资源）。
如图4.1所示，系统的引脚图:
图4.1系统的引脚图
如图4.2所示，系统结构图:
如图4.2系统结构图
4.2MC9S12DP256控制器最小系统接口电路
4.2.1时钟电路设计
时钟电路在单片机系统硬件设计中往往是一个关键的部分，因为晶振体的工作频率很高，设计不当很有可能使其工作时的产生的高频信号对其他电路造成干扰，尤其是对模拟部分如AD转换输入信号的干扰；
或者甚至晶振体不工作，导致整个单片机系统无法运行。
MC9S12X系列单片机的时钟输入接口在其46引脚（EXTAL）和47引脚（XTAL）上（112引角封装），通常是接一个16M的晶振体。
外部振荡器的连接分为串联型和使用外部有源振荡器2种方式。
后者稳定性比较高。
MC9S12系列单片机专门设计了外部振荡器的连接设置引角PE7（36号），要求我们在使用串联型电路时将该引角置高，在使外部有源振荡器电路时将该引角置低。
如图4.3所示，2种电路的连接方案和相应的引角配置。
图4.3PE7引角配置
我们采用第一种连接方式，也就是并联连接方式。
其中的电容C1,C2称为负载电容,为的是削减谐波对电路的稳定性的影响,也就是滤波；
Cdc可以不接，C1,C2为22pF.此外设计时钟电路时还应注意以下几点：
1.晶振体和单片机引角之间的连线尽量要短，这样可以保证其工作的稳定性和避免晶振体的高频信号过多的干扰周围线路。
2.晶振体的下方和周围尽量不要走线，尤其是对信号质量要求高的器件的线路。
3.晶振体的周围和下面尽量用地线包围和覆盖，将晶振体的噪声阻挡起来，也防止其他干扰信号进来。
4.2.2S12X单片机系统滤波电路设计
滤波电路常用于滤去电压中的纹波，保证系统供电的稳定性。
它一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。
S12X系列单片机内部带有电压调整器,它主要负责为单片机的内部提供不同的电压，其中为锁相环电路提供的电压为2.5V，因此其电源端VDDPLL（43引脚）与XFC（44引角）需要外部连接滤波电路才能保证其正常运行。
同样FREESCALE也要求我们为S12单片机的VDD1（13引角）VDD2（65引角）外接滤波电容。
当然单片机的其他的各个外接电源端也一定要有滤波电路。
如图4.4所示，锁相环的滤波电路设计例图：
图4.4锁相环的滤波电路
下图为VDD1（13引角），VDD2（65引角）的滤波电路设计例图：
图4.5滤波电路
同样，各滤波电路要尽量靠近MCU的对应引角，这样才能真正为该部件提供滤波功能。
4.2.3单片机电源电路设计
MC9S12系列单片机的外部供电电压为5V，分别为单片机的内部电压调整器，IO端驱动器，AD转换器提供电源，详细情况如下:
①使用5v供电的端口有：
VDDR（41引脚）接+5VVSSR（40引脚）接地内部电压调整器供电端
VDDX（107引脚）接+5VVSSX（106引脚）接地IO驱动供电端
VDDA（83引脚）接+5VVSSA（86引脚）接地AD转换器供电端
②使用2，5v供电的端口有（内部电压调整器开启时不必进行外部供电）：
VDDPLL（43引脚）接+2.5VVSSPLL（45引脚）接地锁相环供电端
VDD1（13引脚）接+2.5VVSS1（14引脚）接地内部电源供电端1
VDD2（65引脚）接+2.5VVSS2（66引脚）接地内部电源供电端2
③此外还有：
VRH（84引脚）VRL（85引脚）AD转换器参考电压（不得大于5V）
VREGEN（97引脚）电压调整器使能端（上拉3.3K电阻或直接连接可开启内部电压调整器）
需要说明的是当VREGEN（97引脚）接地时，单片机的内部电压调整器关闭，我们需要外部对VDDPLL（43引脚），VDD1（13引脚），VDD2（65引脚）提供稳定的2.5V电源，当VREGEN（97引脚）接高电平时，单片机的内部电压调整器开启，我们不必对单片机进行外部供电，推荐使用内部的电压调整器。
在设计供电走线时，为了确保它们各自的稳定性，并避免之间产生相互干扰，我们要分开为他们供电和滤波，并相对分割。
如图3.6是飞思卡尔推荐的设计方法，我们可以明显看到接地敷铜的分割线将各供电模块相对隔离：
图4.6飞思卡尔推荐的供电和滤波方案
为了滤除更多的杂波，我们可以对上图做一些小的改进，即在VDD1与VSS1,VDD2与VSS2分别接两个滤波电容，容量分别为0.1uF和0.01uF。
同时，我们在设计VDDR（41引脚）和VSSR（40引脚）内部电压调整器供电端，VDDX（107引脚）和VSSX（106引脚）IO驱动供电端，VDDA（83引脚）和VSSA（86引脚）AD转换器供电端的供电电路时，由于它们有较大的电量吞吐量，尤其是IO驱动供电端工作时往往需要很大的吞吐电流，所以我们在连接去藕电容的同时，再并联上一个大容量的电容，用来保证供电端电流的平稳，它的大小通常为10uF。
同样，这些电容也一定要尽量靠近MCU的对应引角处。
为了充分提高供电电路的电磁兼容性，去除高频噪声，我们还可在各供电电路中串接一磁性元件，它通常为电阻甚小的电感。
具体设计方案如图3.7所示：
如图4.7去除高频噪音方案
接着我们为单片机系统设计一个总电源电路，如图3.8所示。
图4.8单片机系统总电源
图中除了加入了扼流电感，滤波电容以外还串接了可恢复熔断器F1和并接了稳压二极管D，这样就可以为单片机提供安全，稳定和纯净的电源了。
最后我们接一个发光二极管来指示单片机的工作状态。
4.2.4片机复位电路的设计
单片机需要在上电之后给其一个复位信号才能正常工作，我们在开发和调试单片机系统时也往往要对它进行手动复位，而且当单片机系统供电电压过低时，程序的运行会出现非正常的情况，要求我们在低压时也必须对单片机系统进行复位，这样我们必须为它设计一个复位电路。
S12单片机的RESET（42引角）为低有效，也就是说平时要求为上拉高电平，在需要复位时，需要给其一定时间的低电平。
首先介绍第一种复位电路的设计，如图3.9所示。
图4.9复位电路设计1
图4.9的复位电路使用了飞思卡尔的专用复位芯片MC34064，它可以在低压情况下产生一个复位信号，也可在手动按键SW的触发下产生可靠的复位信号，这对于MCU的稳定复位是非常有利的。
由于复位按键动作时，如果电路等效电感存在会在复位脚上产生负的感应电势所以我们给复位按键串接电阻以及在R2反向并联一个二极管来保护MCU。
第二种复位电路为第一种的简化如图4.10所示。
图4.10复位电路设计2
图4.10的复位电路不具备低压复位保护功能并且使用电容的充电模仿复位芯片的复位信号。
因为在复位按键松开，系统上电时，电容开始充电，电压不能突变只能缓慢上升，所以可以保持一段时间的低电平。
该电路还省略了反并联的保护二极管，可以应用对系统稳定性要求不苛刻的场合。
4.2.5BDM接口电路设计
BDM接口是S12单片机用来连接BDM调试器的，BDM接头通常设计为6针的双排插头，其中4个引角分别为VDD,RESET,GND和BKGD（BACKGROUND），另外2个针脚为空。
如图3.11所示，分别是飞思卡尔和清华大学的2种针脚定义方式：
图4.11BDM引脚的2种定义方式
我们可以看到，飞思卡尔定义的引角排列图中，BKGD与VDD在矩形对角线的两端，一旦操作者误将插座插反，则单片机的BKGD引脚将会直接与BDM调试器的VDD引角连通，引发烧毁单片机的危险。
清华大学的定义方式巧妙的避开了这种可能，将BKGD定义在中间引角，这样即使不小心插反插座，VDD只会连接到孔引角，不会造成危险，因此采用清华大学的定义方式设计BDM接口电路。
如图4.12所示为BDM具体的电路设计方案：
图4.12BDM的电路设计
从图中可以看到，单片机的BKGD引角还与VCC串接了一个3.3K的电阻，这是单片机的运行模式决定的。
图中的R2大小为51欧，为的是充分保护单片机的该引角，建议在设计时串接该电阻。
4.2.6RS232串行通讯电路设计
单片机在应用中往往要与其他的设备通讯，最常见的通讯方式就是串行通讯。
S12单片机内置了2个SCI串行通讯模块，下面以它的SCI0为例说明S12单片机的RS232串行通讯电路设计。
如果你需要使用2个串行通讯口，可是使用同样的方法引入SCI1。
而单片机在与PC的通讯中，由于电脑的串口信号线为正负逻辑关系，即逻辑“1”为-5—-15V，逻辑“0”为+5—+15V，这与单片机的逻辑信号电压定义不同，这样就需要对两者之间信号进行电平转换。
最简单的电平转换方法可以利用几个三极管，但是出于稳定性和可靠性的考虑，我们使用电平转换专用芯片MAX232。
如图4.13所示，MAX232的引脚图。
图4.13电平转换专用芯片MAX232
图4.12的下半部分为不同型号芯片对应的外接电容值，MAX232一般外接1uF的电容而MAX232A外接0.1uF的电容，应注意到这一点。
如图4.14所示，MAX232的电路原理图：
图4.14MAX232的电路原理图
我们只用了串行接口的3个引角，其中2引脚为串行发送，接MAX232的14引角，3引脚为串行接收，接MAX232的13引角，5引角接地，这样我们就完成了RS232串行通讯端口的设计。
4.2.7S12单片机的运行模式
S12系列单片机可以通过对MODA（PE5），MODB（PE6），MODC（BKGD），ROMCTL（PK7）的输入设定8种不同的工作模式，如表3.1所示。
表4.1单片机的运行模式
它的设置原理是在单片机进行复位时，将以上几个引角的电平状态写入到模式寄存器的相应位，表中的ROMON位是决定FLASH内存状态的，而ROMON位是由ROMCTL（PK7）决定的。
我们也可在单片机运行的情况下通过改写模式寄存器更改单片机的运行模式。
由于S12系列单片机的内部FLASH和RAM都很大，我们通常用普通单片模式就能达到我们的要求所以我以下着重介绍普通单片模式的设定。
普通单片模式即上图的第5种情况，从表中可知，这时MODA（PE5）需给低电平，MODB（PE6）也给低电平,而MODC（BKGD）需要给高电平,ROMCTL（PK7）是决定是否使用片内FLASH，在单片模式该引角设置不起作用，所以我们可以任其悬空。
由于MODA（PE5）和MODB（PE6）具有内部下拉电阻即默认为普通单片模式，所以我们可以不对其进行电路连接就可使单片机工作于单片模式，但是为了稳定性我们通常在其外部下拉3.3K电阻。
当使用BDM调试单片机时，单片机必须处于调试状态即特殊模式，即特殊模式要求MODC（BKGD）为低电平，而当BDM调试器的插头接入单片机时MODC（BKGD）被BDM调试器对应引角拉低，单片机自动进入特殊模式，当BDM调试器插头拔下时由于我们给MODC（BKGD）上拉了3.3K电阻，单片机又自动进入普通单片模式。
目前我已经把S12单片机的112个引角介绍的差不多了，现在还差一个，就是TEST（48引角），这个引角是FREESCALE内部用来测试出厂前芯片的，我们不必了解太多，但是这个引角一定要给低电平芯片才能正常工作，所以我们也给它下拉一个3.3K的电阻。
4.3电源模块
大赛规定使用的是7.2V2000mAhNi-cd蓄电池，整个系统需要为以下各个模块供电。
为单片机供电：
（5V）；
为CCD传感器供电：
（12V）；
为转速传感器供电：
为电机驱动供电：
（7.2V）；
为转向舵机供电：
（6V）；
由上可以知道，系统需要7.2V、6V、5V、12V，其中7.2V可以由电池直接供电，6V和5V就需要稳压芯片来供电了,12V还需要升压芯片来供电。
经过分析可知，如果把所有接到5V的电源都从一个口输出，万一出现异常状况（例如大电流），单片机必然重启，因此需要多个稳压芯片同时工作，以保证单片机正常工作。
5V稳压电路的设计：
市场上5V的稳压芯片有很多，例如LM2940、LM7805、开关型LM2575、LM2596，其中2940和7805转换效率比较低，只有40%左右，但是输出波纹很小，对于单片机这种对电源要求比较高的元件而言很适合，而2575和2596是开关型的稳压芯片，转化效率可以达到75%甚至80%以上，但是输出有波纹，很可能让单片机出现重启现象。
如图4.15所示是2940稳压的电源模块原理图。
7805和2940的原理图相同，但是7805需要输入7.5V以上才可以稳定输出5V，而2940只要输入电压达到6V以上就可以稳定输出5V了，因此，在给单片机供电的电源中选择2940稳压芯片。
图4.15单片机供电电路
舵机供电系统如图4.16所示，采用两种方案：
一种由L5973提供可调稳压电源；
另一种使用两个压降为0.6V的稳压管与电池串联得到6V电源，可用跳冒选择其中一种供电方式。
图4.16舵机供电电路
将电池电压7.2V转换为12V电源后为传感器供电，如图4.17所示
CCD传感器需要用12V电源供电，12V电源电压由MC34063提供。
MC34063芯片转换效率高,升压的范围也比较广,所需的外围器件也较少,最大能够提供1.5A的电流,足够CCD使用。
图4.17传感器供电电路
4.4CCD路径识别传感器电路设计
4.4.1CCD传感器的工作原理及特性
工作原理：
按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。
摄像头连续地扫描图像上的一行，则输出就是一段连续的电压信号，该电压信号的高低起伏反映了该行图像的灰度变化。
图3.18摄像头视频信号
4.4.2CCD路径识别传感器电路
视频信号中除了包含图像信号之外,还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信
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