智能车硬件系统的设计与PCB板制作.docx
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智能车硬件系统的设计与PCB板制作
学号
编号
研究类型
应用研究
分类号
HUBEINORMALUNIVERSITY
学士学位论文
Bachelor’sThesis
论文题目
智能车硬件系统的设计与PCB板制作
研究与应用
作者姓名
指导教师
所在院系
机电与控制工程学院
专业名称
电气工程及其自动化
完成时间
2012年5月1日
湖北师范学院学士学位论文（设计）诚信承诺书
中文题目：
智能车硬件系统的设计与PCB板制作
外文题目：
IntelligentcarthedesignofthesystemhardwareandPCBproduction
学生姓名
学号
院系专业
机电与控制工程学院
电气工程及其自动化
班级
学生承诺
我承诺在毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，本人毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况。
如有违规行为，我愿承担一切责任，接受学校的处理。
学生（签名）：
年月日
指导教师承诺
我承诺在指导学生毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，经过本人核查，该生毕业论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为该生本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。
指导教师（签名）：
年月日
智能车硬件系统的设计与PCB板制作
（湖北师范学院机电与控制工程学院，湖北黄石435002）
摘 要:
本文以第六届飞思卡尔全国大学生智能车竞赛为基础，介绍了智能车的硬件设计和PCB制板。
根据我院各参赛小组小车车模的制作要求，和各小组对硬件的要求完成相应的硬件电路设计，由于本设计需要同时兼顾电磁、光电、摄像头三个小组的硬件资源所以本设计采用吸取各组硬件资源的公共部分，而对于各组的特有部分则是留出相应的硬件接口供各组扩展；完成硬件设计后将硬件电路用PROTEL99SE完成PCB制板。
关键词：
PCB板制作；智能车；飞思卡尔。
中图分类号:
IntelligentcarthedesignofthesystemhardwareandPCBproduction
（CollegeofElectricalandControlEngineering，HubeiNormalUniversity，Huangshi453002，China）
Abstract:
Inthispaperthesixthfreescalenationalcollegestudentsintelligentcarcompetitionasthefoundation,thispaperintroducesthehardwaredesignoftheintelligentcarandPCBboardsystem.Accordingtothepresentourgroupofcarmodelsmakerequirements,andtheteamofhardwarerequiredtoperformthecorrespondinghardwarecircuitdesign,becausethisdesignneedboththeelectromagnetic,photoelectricity,camerathreegroupsofhardwareresourcessothisdesignUSESthelearnfromeachgroupthepublicportionofthehardwareresources,andtoeachofthespecialpartissetasidethecorrespondinghardwareinterfaceforeachextension;ThehardwaredesignwillfinishafterthehardwarecircuitwithPROTEL99SEfinishedPCBboardsystem
Keyword:
PCBproduction;Intelligentcar;freescale
智能车通用PCB板的制作
（指导老师）
（湖北师范学院机电与控制工程学院湖北黄石435002）
1.前言
智能车是一种集环境感知、决策规划、自动行驶等功能于一体的综合智能系统，智能车集中地运用了自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科的知识。
随着控制技术、计算机技术和信息技术的发展，智能车在工业生产和日常生活中已经扮演了非常重要的角色。
国外上世纪80年代开始研究，最初是军方做特殊用途。
近几年随着城市化得进展和汽车的普及，交通运输问题日益严重。
这种背景下，装备着智能交通系统的智能车成为许多国家研究的重要对象。
车辆、载体的安全辅助驾驶、工厂、码头、仓库的巡逻、监视物料的自动运输、危险、有毒有害场所的监控、值守、排障、维修等场合，智能车都可以发挥作用。
目前，智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无人驾驶，这些智能车的设计通常依靠特定道路标记完成识别，通过推理判断模仿人工驾驶进行操作。
本文所述智能车就是一种自动导引小车,通过对指定赛道进行信号（载流导线空间磁场分布、赛道中心黑线分布情况）采集，由主控CPU对采集到的信号进行参数分析处理进行路径识别方案等方面的研究，探索利用单片机自动处理进行路径自动识别的方案，使之能够在给定的区域内沿着轨迹自动进行行进。
2.选题背景
课题来源及背景
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜,大赛根据导航原理的不同分为电磁组、光电阻和摄像头组。
电磁组赛道中心线下铺设直径0.12-0.3mm漆包线,其中通有f=20kHz,I=100mA的交变电流,频率范围（20±2）kHz,电流范围（100-150）mA,要求电磁组不允许通过获取道路的光学信息进行路径检测,摄像头组和光电组在赛道中心设有连续或断续的黑线，小车通过光学原理寻黑线行驶；本课题就是以本赛事为平台展开研究的。
课题研究的目的和意义
本课题设计需要学会使用PROTEL99SE绘制一般的电路原理图和相应的PCB板。
充分了解电磁组、摄像头组、光电组的信号采集方案，和信号处理方法，理解各组小车的硬件结构，综合出他们的共同部分，和不同部分，将共同部分的完整电路直接绘制在PCB板上，不同部分则应在单片机上引出相应的输入、输出接口，这样可以增强所绘制的PCB板的通用性。
对所绘制的PCB板进行分析，反复改变PCB板上的器件分布，和走线总结出一般的器件分布和走线经验，为以后进一步学习和使用PROTEL99SE做基础。
国内外现状及趋势
目前，高性能，高复杂性，高质量是现代电器产品的发展趋势，而随着电路的复杂性提高，电路的质量要求的提高，PCB制板技术的到了广泛的应用。
纵观市场上的电器设备，不论电器大小几乎全部都应用到了PCB制板技术，应用PCB制板可以提高电器产品的可靠性、可以提高生产商的生产效率，便于大批量生产。
所以目前几乎所有的电器生产公司都会应用到PCB制作技术。
主要内容和主要工作
智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，由大赛组委会统一提供。
通过设计基于Freescale公司开发的MC9S12XS128MAA单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行。
自动控制器是以单片机MC9S12XS128MAA为核心，配合有传感器，舵机，电机，电池及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。
智能车竞赛要求参赛队伍设计一辆以组委会提供的车模为主体的可以在赛道上自主寻线的模型车，比赛成绩为单圈最好成绩。
设计自动控制器是制作智能车的核心环节。
可靠性是取得成绩的有力保障。
在提高车速的同时保证智能车的稳定性。
同时尽量简化电路设计，提高灵活性。
由于主控芯片是别人做好了的单片机最小系统所以我的主要工作是在PCB板上作出相应的电源供应系统、舵机接口电路、电机控制和供电电路、传感器信号接口电路以及信号指示电路。
同时为了提高所绘制的PCB板的通用性，我在PCB班上还引出了单片机的所有引脚，为了方便调试还在PCB板上加上了USB接口来给系统供电，加上了无线通讯系统是小车能和单片机随时随地进行通讯。
3.系统介绍
参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定的竞赛车模套件，采用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制单元，自主构思控制方案进行系统设计，包括传感器信号采集处理、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等，完成智能车工程制作及调试。
“飞思卡尔”智能车主要硬件包括：
车轮、车模、舵机、驱动电机、电池、主控板、驱动电路、状态显示灯、赛道识别传感器以及调试用的无线传输模块等。
相关芯片的介绍
1）MC9S12XS128的介绍
MC9S12XS128是一个以16位中央处理器为核心的16位微控制器，128K的字节的FlashEEPROM存储器，8K字节的RAM，2K字节的EEPROM，两个异步串行通信接口（SCI），两个串行外围接口（SPI），两个8通道模拟数字转换器（ADC），1个8通道脉宽调制模块，两个兼容CAN2.0A/B协议的控制器，1个Byteflight模块和内部集成电路总线。
①HCS12的核心：
16位HCS12CPU：
20位ALU，指令队列，增强型索引寻址；多种外部总线接口（MEBI）；模块映射控制机制（MMC）；中断控制（INT）；断点（BKP）；背景调试模块（BDM）。
②时钟和复位发生器（CRG）：
锁相环；看门狗；实时中断（RTI）；时钟监视器（CM）。
③带中断功能的8位和4位端口：
可编程的上升沿或下降沿触发。
④存储器：
128KFlashEEPROM；2KbyteEEPROM；8KbyteRAM。
⑤2个8通道A/D转换器：
10位精度；外部触发转变功能。
⑥3个1Mb/s的CAN总线模块，兼容A/B：
5个接收缓冲器，3个发送缓冲器；4个独立的中断通道（发送中断、接收中断、错误中断和唤醒中断）；低通滤波器唤醒功能。
⑦增强型捕捉定时器（ECT）：
16位计数器，7位预分频功能；8个可编程输入捕捉或输出比较通道；4个8位或2个16位脉冲累加器。
⑧8个PWM通道：
每个通道的周期和占空比由程序决定；8个8通道或16个4通道；各通道独立控制；脉冲在周期内中心对称或左对齐输出；可编程时钟选择逻辑；紧急事件关断输入；可作为中断输入。
⑨串行口、总线：
2个同步串行设备接口（SPI）；2个异步串行通信接口（SCI）。
兼容总线标准；多组总线模块。
⑩LQFP-112和QFP-80封装选择：
5V输入和带驱动能力I/O；5V A/D转换器输入；50MHz系统频率相当于25MHZ总线频率；单线背景调试模块；片上硬件断点。
控制用到的引脚说明:
EXTAL，XTAL：
振荡器引脚，晶振电路或外部时钟引脚。
EXTAL、XTAL分别是振荡器的输入和输出引脚。
RESET：
外部复位引脚，低电平有效，为双向控制信号。
当输入低电平有效时，将MCU初始化成默认状态；MCU内部功能引起复位时，可作为输出信号。
TEST：
测试引脚，仅有输入功能，专为测试预留。
测试引脚在所有应用中必须和VSS连一起用。
XFC：
锁相环滤波器引脚。
BKGD//MODC：
背景调试引脚，指令高字节执行标记，在扩展模式下有效，模式选择端子。
该引脚在背景调试中作为通信引脚。
在复位中作为MCU操作模式的选择引脚，在信号的上升沿这个引脚状态锁入MODC位。
此引脚有一个固定的上拉电阻，并且一直使能。
PAD[14:
8]/AN[14:
8]和PAD[6:
0]/AN[6:
0]：
通用输入引脚；模数转换器的模拟输入引脚。
PB[7:
0]/ADDR[7:
0]/DATA[7:
0]：
通用输入引脚；在MCU扩展操作模式中，这些引脚可作为数据总线。
PE6/MODB/IPIPE1：
通用输入或输出引脚；在复位时，作为MCU操作模式的选择引脚，此引脚的状态在信号的上升沿被锁入MODB位；此引脚同时也是指令队列状态输出信号IPIPE1。
仅当为低电平有效时，此引脚是带下拉电阻的输入。
PE5/MODA/IPIPE0：
通用输入或输出引脚；在复位时，作为MCU操作模式的选择引脚，此引脚的状态在信号的上升沿被锁入MODA位；此引脚同时也是指令队列状态输出信号IPIPE0。
仅当为低电平有效时，此引脚是带下拉电阻的输入。
PE4/ECLK:
通用输入或输出引脚；并能配置驱动内部总线时钟ECLK。
PE1/：
通用输入或输出引脚；可屏蔽异步中断请求输入信号，可以将MCU从停止或等待模式中唤醒。
PE0/：
通用输入或输出引脚；不可屏蔽异步中断请求输入信号，提供一种应用于异步中断请求的方法，可以将MCU从停止或等待模式中唤醒。
PS3/TXD1：
通用输入或输出引脚；可作为串行通信接口1的发送引脚。
PS2/RXD1：
通用输入或输出引脚；可作为串行通信接口1的接收引脚。
PS1/TXD0：
通用输入或输出引脚；可作为串行通信接口0的发送引脚。
PS0/RXD0：
通用输入或输出引脚；可作为串行通信接口0的接收引脚。
PT[7:
0]/IOC[7:
0]：
通用输入或输出引脚；可作为增强型捕捉定时器（ECT）的输入捕捉或输出捕捉比较引脚IOC7~IOC0。
VDDX,VSSX：
I/O驱动的外部电源和接地引脚。
为满足信号快速上升的要求，电源应能提供瞬时大电流，因此应使用高频旁路电容，并尽可能放在MCU旁边，旁路要求取决于MCU引脚的负载大小。
VDDR,VSSR：
I/O驱动的外部电源和接地引脚及内部电压调节器的输入。
为满足信号快速上升的要求，电源应能提供瞬时大电流，因此应使用高频旁路电容，并尽可能放在MCU旁边，旁路要求取决于MCU引脚的负载大小。
VDD1,VDD2,VSS1,VSS2：
电源通过VDD和VSS给MCU供电，为满足信号快速上升的要求，电源应能提供瞬时大电流，因此应使用高频旁路电容，并尽可能放在MCU旁边。
这个电压来自于内部电压调节器。
这些引脚不能悬空。
如果VREGEN接地，则内部电压调节器将被关闭。
VDDPLL,VSSPLL：
为振荡器和锁相环提供操作电压和接地。
这个电压来自于内部电压调节器。
VREGEN：
使能内部5~的电压调节器。
如果此引脚连到低电平，则VDD1、VDD2和VDDPLL必须由外部供电。
操作模式:
MC9S12DT128有八种操作模式。
在复位信号的上升沿，MODC,MODB,和MODA引脚上的数据锁进MODE寄存器的相应位，用来决定操作模式，如表1所列。
MODE寄存器的MODC,MODB,和MODA位在运行期间指示当前操作模式。
在复位信号的上升沿，ROMCTL引脚数据锁存，送入MISC寄存器中的ROMON位，ROMON位决定内部Flash在内存映像中是否可见。
ROMON=1说明Flash在内存映像中可见。
单片机最小系统模块
图最小系统图
将系统控制要用到的单片机资源用排针引出备用，系统用的是16Mhz的无源晶振。
还有就是程序下载端口BDM的引出，将最小系统单独制作一块小的PCB板，便于安装和更换。
图单片机最小系统图
4智能车硬件的设计与实现
智能车的设计包括机械结构设计、智能车电路设计和相应软件的设计等。
智能车的电路设计在整个设计过程中占有相当重要的分量，稳定合理的电路是智能车高速运行的必要条件。
在遵循电路简单可靠，功能强大，方便调试的原则下，本智能车电路系统包含以下几个部分：
1.电源模块2.单片机最小系统及外围模块
3.感器模块4.测速编码器模块
5.H桥电机驱动模块6.干簧管起跑线检测模块
7.无线传输模块
电路系统框图如下：
图智能车电路系统框图
以上模块中单片机最小系统为官方提供的，所以不需要设计而各组小车的传感器各不相同所以本设计中指引出了传感器的供电接口，和单片机相应的信号输入接口；测速编码器模块需要在PCB板上留出相应的接口；为了方便各小组软件设计和系统调试我还在PCB板上添加了USB供电和串口通讯模块以及无线收发模块。
硬件电路的设计
4.1.1电源系统的设计
（1）、单片机最小系统电源
图单片机最小系统电源图
单片机是系统的核心控制器，给它供电的电源一定要稳定，而且供电质量有严格的要求，电源的纹波要非常小，不然容易导致程序跑飞，或者系统自动复位。
通过测试比较，选择了三端稳压芯片LM2940-5。
它是一款高电流低压差的芯片，功耗较LM7805要大一些。
（2）、舵机电源
图舵机电源图
舵机是小车方向的执行器，舵机供电的质量也非常关键。
正常舵机供电是6V，单片机通过级联P0、P1组成16位的PWM输出口来控制舵机。
为了备用，也将P2、P3引出备用。
由于舵机对电源的纹波要求不高，所以选择功耗低一些的LM7806供电。
（3）、传感器电源
图摄像头电源图
传感器供电是要求电源模块纹波小，电压的稳定性要好。
所以单独设计一个LM2940-5的5V供电模块，用一跟其他电源模块隔开，从而免受其他模块的影响。
4.1.2H桥电机驱动模块
电机驱动部分的电路原理图如图所示。
图电机驱动原理图
4.1.3无线传输模块介绍
由于小车是动态运行的，为了做到在线测量一些数据，我们设计了一种以NRF2401（图）为核心的无线通信模块，来实现单片机和PC之间的无线通信，将要查看的参数信息实时传送回来，从而我们可以掌握单片机的运行状态，还可以实时传输智能车行驶的信息，例如传感器探测到的信号、车行驶的速度、某些寄存器的数值等。
通过掌握这些信息使调试过程更加简便，缩短了调试周期。
图NRF24L01无线通信模块
我们采用两块无线通讯模块之间点对点通讯，示意图如下图所示，
图无线通讯模块连接示意图
PCB设计中的原理图电路如下
PCB原理图设计中的无线收发模块
4.1.4串口模块
图串口通信电路
串口模块的电路很常见，在这里就不多说了。
这个模块在我的这个系统中主要是用来对舵机进行调试，测试舵机的转角，再就是将传感器的值实时的传输出来，并在PC机上显示出来。
这对我们的调试起到了很大的作用。
5赛道介绍
比赛赛道有举办方提供，赛道路面用专用白色基板制作，宽度>=50cm,跑道表面位白色，中心有黑色作为引导线（光电组和摄像头组用），黑线宽25±5mm。
黑色引导线下铺设有直径-0.8mm的漆包线，其中通有20KHz，100mA的交变电流，频率范围为20±1K，电流范围为100±20mA。
跑道可以有交叉，交叉角为90°，弯道最小曲率半径不小于50cm。
赛道有一个长为1m的出发区，如下图所示，计时起点两边分别有一个长度为10cm的黑色计时起始线（电组和摄像头组用），赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者结束时刻。
在黑色计时起始线中间安装有永久磁铁（用于电磁组起跑线检测），每一边各三只。
磁铁参数：
直径-15mm，高度1-3mm，表面磁场强度3000-5000Gs。
图赛道起跑线示意图
图赛道的整体图
6开发平台及工具介绍
.硬件仿真平台
在传感器设计上面，我们使用了Protues软件作为主要仿真平台。
Protues是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
它运行于WINDOWS操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路。
该软件简单、高效、易用。
主要特点如下：
1.实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
2.实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
3.支持主流单片机系统的仿真。
提供软件调试功能。
4.具有强大的原理图绘制功能。
Protues软件运行界面如下图所示。
图Protues软件运行界面
利用虚拟示波器可以很方便、很直观的查看信号波形，并且示波器面板模拟实际示波器面板，简单易用。
如图下图所示。
图Protues软件示波器使用
7.PCB板制作平台
随着计算机技术的飞速发展，集成电路被广泛应用，电路越来越复杂，集成度越来越高，加之新型元件层出不穷，使得越来越多的工作已经无法用手工来完成，因此计算机辅助电路板设计已经成为电路板设计制作的必然趋势。
Protel99SE具有丰富的设计功能，能进行原理图的设计、印制电路板的设计、PCB板的设计等功能，现对其进行介绍：
Protel99SE采用数据库的管理方式。
Protel99SE软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。
新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。
新增的3D功能让您在加工印制版之前可以看到板的三维效果。
增强的打印功能，使您可以轻松修改打印设置控制打印结果。
Protel99SE容易使用的特性还体现在“这是什么”帮助，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。
Protel99SE附件安装方法非常简单，只需双击光盘目录下的即可。
其使用界面如图所示。
图PROTEL99SE原理图绘制界面
Protel99SE软件的使用
7.1.1PCB板的分类
印制电路板（PCB）的常见结构可以分为单层板（singleLayerPCB）、双层板（DoubleLayerPCB）和多层板（MultiLayerPCB）三种。
1、单层板singleLayerPCB
单层板（singleLayerPCB）是只有一个面敷铜，另一面没有敷铜的电路板。
元器件一般情况是放置在没有敷铜的一面，敷铜的一面用于布线和元件焊接。
2、双层板DoubleLayerPCB
双层板（DoubleLayerPCB）是一种双面敷铜的电路板，两个敷铜层通常被称为顶层（TopLayer）和底层（BottomLayer），两个敷铜面都可以布线，顶层一般为放置元件面，底层一般为元件焊接面。
3、多层板MultiLayerPCB
多层板（MultiLayerPCB）就是包括多个工作层面的电路板，除了有顶层（TopLayer）和底层（BottomLayer）之外还有中间层，顶层和底层与双层面板一样，中间层可以是导线层、信号层、电源层或接地层，层与层之间是相互绝缘的，层与层之间的连接往往是通过孔来实现的。
7.1.2PCB板电源线、地线的设计
电源线应该足够宽，以保证低电阻和小电感，但是，电容藕合将随着宽度的增加而增加。
在同一块印制电路板上，模拟电路和数字
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