MC9S12XSl28單片機(jī)的智能循跡小車的硬件設(shè)計(jì)流程詳解

ID:105323 · 發(fā)表于 2016-2-22 23:45

O 引言
　　智能車輛作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體。它體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的綜合技術(shù)，是未來汽車發(fā)展的趨勢(shì)。本自動(dòng)循跡小車系統(tǒng)采用數(shù)字?jǐn)z像頭0V6620來采集路面信息，核心控制器MC9S12XSl28則可分析和處理圖像數(shù)據(jù)，識(shí)別道路中央黑色引導(dǎo)線。另外，控制器還可根據(jù)道路前方黑色引導(dǎo)線距車體中心線之間的偏差送出控制信號(hào)給轉(zhuǎn)向舵機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊MC33886，進(jìn)而控制小車，以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的循跡行駛。
　　1 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)
　　整個(gè)系統(tǒng)可以構(gòu)成一速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其總體框圖如圖1所示。
　　圖中，RS232模塊用于向PC機(jī)上傳圖像采集數(shù)據(jù)，車速檢測(cè)采用歐姆龍公司的E6A2CS3C旋轉(zhuǎn)編碼器來檢測(cè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度。

　　2 核心控制板設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)的核心控制板實(shí)質(zhì)上是MC9S12XSl28的最小硬件系統(tǒng)。它由時(shí)鐘晶振電路、BDM接口電路、復(fù)位電路、MC9S12XSl28芯片、濾波電感、電容及接插件等構(gòu)成。
　　另外，可用BDM(背景調(diào)試模塊)來向目標(biāo)板下載程序。以將MC9S12XSl28內(nèi)部128KBFLASH中的程序擦除，這是BDM的編程功能。通過單片機(jī)只需用一個(gè)6針插頭將信息引出并和BDM調(diào)試器連接。其中BKGD是背景調(diào)試引腳。它可采用自定義協(xié)議并通過BDM調(diào)試工具進(jìn)行單線雙向通信，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)試。
　　3 外圍接口和驅(qū)動(dòng)電路板設(shè)計(jì)
　　3.1 電源管理模塊
　　整個(gè)系統(tǒng)中各模塊的電壓分配如圖2所示。其中充電電池的7.2 V電壓經(jīng)LM2940-5.0模塊轉(zhuǎn)換后，可產(chǎn)生5 V電壓分別供給MC9S12XSl28單片機(jī)和RS232電平轉(zhuǎn)換芯片、OV6620攝像頭模塊和光電耦合器件6N137，同時(shí)給核心控制器的MC9S12XSl28單片機(jī)單獨(dú)進(jìn)行5 V供電以防干擾。單片機(jī)和MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊之間則通過光電耦合器件進(jìn)行連接。電池的7.2 V電壓則直接供給E6A2CS3C光電編碼器、舵機(jī)和MC33886驅(qū)動(dòng)模塊。其電源管理模塊電路如圖3所示。

　　3.2 OV6620圖像采集模塊
　　OV6620攝像頭模塊采用OV6620彩色數(shù)字CMOS圖像傳感器，其圖像是NAL制，一幀圖像為356x292像素，數(shù)據(jù)格式為YCrCb4：2：2，GRB4：2：2和raw GRB。內(nèi)部的I2C可編程用來調(diào)整攝像頭的參數(shù)(如最大灰度、對(duì)比度、曝光率控制等)，其本質(zhì)是SCCB協(xié)議的寄存器寫入。本設(shè)計(jì)采用默認(rèn)模式，OV6620攝像頭模塊和MC9S12XSl28單片機(jī)的引腳連接圖如圖4所示。其中：Y0-Y7為灰度信號(hào)輸出引腳。由于本系統(tǒng)只需識(shí)別道路中黑線，故只需提取數(shù)據(jù)格式為YCrCb4：2：2中的亮度信號(hào)Y�；叶刃盘�(hào)Y0-Y7則可送給MC9S12XSl28單片機(jī)的B口。

　　SCCB協(xié)議寫入的數(shù)據(jù)信號(hào)引腳SDA和數(shù)據(jù)時(shí)鐘引腳SCL分別連接MC9S12XSl28單片機(jī)的SCI接口的PS0、PSl引腳。
　　采集圖像數(shù)據(jù)的時(shí)鐘控制信號(hào)FODD(奇偶場(chǎng)同步信號(hào))、HREF(行中斷信號(hào))、VSYN(場(chǎng)中斷信號(hào))分別接單片機(jī)中ECT。(增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器)模塊中的PTl、PT2、PT6引腳。利用增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器模塊的輸入捕捉功能，每個(gè)通道可以擁有單獨(dú)的中斷向量，各通道分別設(shè)置成不同的觸發(fā)極性，以滿足HREF(行中斷信號(hào))要通過下降沿捕捉及VSYN(場(chǎng)中斷信號(hào))要通過上升沿捕捉的要求。像素同步信號(hào)PCLK被忽略的原因是因?yàn)镸C9S12XSl28單片機(jī)采集圖像的速度比CMOS的圖像輸出慢。
　　通過VTO模擬圖像輸出引腳可以外接監(jiān)視器來查看采集圖像的質(zhì)量。
　　3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制選用MC33886 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。在此應(yīng)用中，MC33886的作用是將恒定的直流電源電壓(電池電壓)調(diào)制成頻率一定、寬度可變的PWM脈沖電壓序列，從而改變輸出平均電壓的大小。為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能力，可將兩片MC33886并聯(lián)。而為了提高控制精度，則可將MC9S12XSl28單片機(jī)內(nèi)部的PWM2和PWM3兩個(gè)通道8位寄存器級(jí)聯(lián)成16位寄存器，并從PWM3通道輸出脈沖。同理�？蓪WM4和PWM5兩個(gè)通道8位寄存器也級(jí)聯(lián)成16位寄存器，也從PWM5通道輸出脈沖，PWM2和PWM3通道與引腳PP3和PP5復(fù)用，MC9S12XSl28單片機(jī)的PP3和PP5引腳輸出的PWM脈沖經(jīng)器件6N137光耦隔離后，通過信號(hào)INl和IN2進(jìn)入MC33886 H橋輸入端，MC33886 H橋輸出端OUTl和OUT2分別接電機(jī)電樞兩端，從而控制電機(jī)的四象限運(yùn)行。

　　3.4 車速檢測(cè)模塊
　　為了構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，需要檢測(cè)小車速度。本系統(tǒng)中的反饋通道中采用了歐姆龍公司的增量型旋轉(zhuǎn)編碼器E6A2CS3C，并采用五線制(三根脈沖線，2根單片機(jī)線)，分辨率為200P/R。由于只測(cè)量車速，故只需3線，即棕色線(7.2 V電壓)、黑色線(A相輸出脈沖)和藍(lán)色線(接地)，其中黑色線(A相輸出脈沖)引入電源PT0引腳，以統(tǒng)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)，獲取電機(jī)速度。車速檢測(cè)模塊的接線如圖6所示。

　　3.5 舵機(jī)模塊
　　本設(shè)計(jì)采用的是Futaba S3010型號(hào)的舵機(jī)，其接線如圖7所示。該舵機(jī)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，它由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)和控制電路組成，通過內(nèi)部位置反饋，可使它的舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于給定控制信號(hào)，這樣，在負(fù)載力矩小于其最大輸出力矩的情況下，它的輸出轉(zhuǎn)角就會(huì)正比于給定的脈沖寬度。Futaba S3010型號(hào)舵機(jī)的接口是三根線，黑線(接地)、紅線(電源線)和白色線(控制信號(hào)線)。為了提高舵機(jī)的響應(yīng)速度，一般選擇最大的工作電壓7.2 V，并將單片機(jī)內(nèi)部PWM0和PWMl兩路8位輸出級(jí)聯(lián)成一個(gè)16位PWM輸出，然后從PWMl通道輸出脈沖。同時(shí)由于PWMl通道和引腳PPl復(fù)用，因此，引腳PPl便可輸出控制脈沖給舵機(jī)。
　　4 結(jié)束語(yǔ)
　　本文介紹了黑線循跡智能車的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)踐證明，該車自動(dòng)循跡效果好，響應(yīng)速度快，在規(guī)定的賽道上能跑出20秒的好成績(jī)，從而證明了該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的正確性。

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