第六屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽技術(shù)報告學(xué)校：中國礦業(yè)大學(xué)隊伍名稱：機(jī)電一隊參賽隊員：馬同楊熙盛超帶隊老師：張有忠王洪欣關(guān)于技術(shù)報告和研究論文使用授權(quán)的說明本人完全了解第五屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車邀請賽關(guān)保留、使用技術(shù)報告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會和飛思卡爾半導(dǎo)體公司可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計方案、技術(shù)報告以及參賽模型車的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會出版論文集中。參賽隊員簽名:帶隊教師簽名：日期：

目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 01.1背景介紹 01.2比賽規(guī)則 11.2.1器材限制規(guī)定 11.2.2決賽規(guī)則 11.3研究內(nèi)容 21.3.1電磁引導(dǎo)信號選取 21.3.2起止線檢測 21.3.3控制算法 21.3.4車模調(diào)整 22賽車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 32.1賽車主要技術(shù)參數(shù) 32.2硬件系統(tǒng)方案設(shè)計 32.3軟件系統(tǒng)方案設(shè)計 43賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹和調(diào)整 63.1前輪調(diào)整和舵機(jī)安裝 63.1.1前輪調(diào)整 63.1.2舵機(jī)安裝 63.2后輪差速調(diào)整 73.3車體重心調(diào)整 73.4齒輪傳動機(jī)構(gòu)調(diào)整 74硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 94.1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 94.2電源管理模塊 94.3電機(jī)驅(qū)動模塊 104.4傳感器模塊 124.4.1電磁引導(dǎo)原理 124.4.2傳感器的選擇 134.4.3選頻，放大，整流 144.4.4起止線檢測方案 154.5速度傳感器 164.6核心板 174.7核心板接口板 184.8顯示模塊的設(shè)計 184.9賽道電源設(shè)計 185智能車軟件設(shè)計 205.1程序整體設(shè)計 205.2系統(tǒng)初始化 205.3硬件初始化代碼 215.3.1PWM初始化 215.3.2A/D采樣初始化 225.3.3PIT中斷初始化 225.3.4光電編碼器初始化 225.4電磁采樣信號處理與使用 225.4.1數(shù)字與模擬信號采集對比 235.4.2電磁采樣信號的處理與使用 235.4.3使用不同角度的電磁傳感器識別賽道 235.5電機(jī)控制策略 245.5.1電機(jī)PID控制 246系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試 296.1軟件調(diào)試平臺 296.1.1CodewarriorIDE功能介紹 296.1.2CodewarriorIDE基本使用方法 296.1.3數(shù)碼開關(guān) 316.2硬件仿真平臺 316.3硬件開發(fā)平臺 326.4調(diào)試及數(shù)據(jù)分析 337總結(jié) 35參考文獻(xiàn) 53緒論現(xiàn)在半導(dǎo)體在汽車中的應(yīng)用原來越普及，汽車的電子化已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。它包括了汽車電子控制裝置，即通過電子裝置控制汽車發(fā)動機(jī)、底盤、車身、制動防抱死及動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，到車載汽車電子裝置，即汽車信息娛樂系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車音響及車載通信系統(tǒng)等等，幾乎涵蓋了汽車的所有系統(tǒng)。汽車電子的迅猛發(fā)展必將滿足人們逐步增長的對于安全、節(jié)能、環(huán)保以及智能化和信息化的需求。作為全球最大的汽車電子半導(dǎo)體供應(yīng)商，飛思卡爾公司一直致力于為汽車電子系統(tǒng)提供全范圍應(yīng)用的單片機(jī)、模擬器件和傳感器等器件產(chǎn)品和解決方案。飛思卡爾公司在汽車電子的半導(dǎo)體器件市場擁有領(lǐng)先的地位并不斷贏得客戶的認(rèn)可和信任。其中在8位、16位及32位汽車微控制器的市場占有率居于全球第一。飛思卡爾公司生產(chǎn)的S12是一個非常成功的芯片系列，在全球以及中國范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于各種汽車電子應(yīng)用中。例如引擎管理、安全氣囊、車身電子、汽車網(wǎng)絡(luò)和資訊娛樂等。1.1背景介紹為加強(qiáng)大學(xué)生實踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革，受教育部高等教育司委托(教高司函[2005]201號文)，由教育部高等自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會（以下簡稱自動化分教指委）主辦全國大學(xué)生智能汽車競賽。該競賽以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，是面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程實踐活動，是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競賽之一。該競賽以“立足培養(yǎng)，重在參與，鼓勵探索，追求卓越”為指導(dǎo)思想，旨在促進(jìn)高等學(xué)校素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的綜合知識運(yùn)用能力、基本工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能，倡導(dǎo)理論聯(lián)系實際、求真務(wù)實的學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊協(xié)作的人文精神，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。該競賽由競賽秘書處為各參賽隊提供/購置規(guī)定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)硬軟件技術(shù)平臺，競賽過程包括理論設(shè)計、實際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場比賽等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生組成團(tuán)隊，協(xié)同工作，初步體會一個工程性的研究開發(fā)項目從設(shè)計到實現(xiàn)的全過程。該競賽融科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體，是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車電子為背景，涵蓋自動控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。該競賽規(guī)則透明，評價標(biāo)準(zhǔn)客觀，堅持公開、公平、公正的原則，保證競賽向健康、普及，持續(xù)的方向發(fā)展。該競賽以飛思卡爾半導(dǎo)體公司為協(xié)辦方，得到了教育部相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、飛思卡爾公司領(lǐng)導(dǎo)與各高校師生的高度評價，已發(fā)展成全國30個省市自治區(qū)近300所高校廣泛參與的全國大學(xué)生智能汽車競賽。2008年起被教育部批準(zhǔn)列入國家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項目中科技人文競賽之一（教高函[2007]30號文）。全國大學(xué)生智能汽車競賽原則上由全國有自動化專業(yè)的高等學(xué)校（包括港、澳地區(qū)的高校）參賽。競賽首先在各個分賽區(qū)進(jìn)行報名、預(yù)賽，各分賽區(qū)的優(yōu)勝隊將參加全國總決賽。每屆比賽根據(jù)參賽隊伍和隊員情況，分別設(shè)立光電組、攝像頭組、創(chuàng)意組等多個賽題組別。每個學(xué)?？梢愿鶕?jù)競賽規(guī)則選報不同組別的參賽隊伍。全國大學(xué)生智能汽車競賽組織運(yùn)行模式貫徹“政府倡導(dǎo)、專家主辦、學(xué)生主體、社會參與”的16字方針，充分調(diào)動各方面參與的積極性。全國大學(xué)生智能汽車競賽一般在每年的10月份公布次年競賽的題目和組織方式，并開始接受報名，次年的3月份進(jìn)行相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，7月份進(jìn)行分賽區(qū)競賽，8月份進(jìn)行全國總決賽。參賽選手須使用競賽秘書處統(tǒng)一指定的競賽車模套件，采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制單元，自主構(gòu)思控制方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，包括傳感器信號采集處理、電機(jī)驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制以及控制算法軟件開發(fā)等，完成智能車工程制作及調(diào)試，于指定日期與地點(diǎn)參加各分賽區(qū)的場地比賽，在獲得決賽資格后，參加全國總決賽的場地比賽。參賽隊伍的名次（成績）由賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時間為主，技術(shù)報告、制作工程質(zhì)量評分為輔來決定。大賽根據(jù)車模檢測路徑方案不同分為電磁、光電與攝像頭三個賽題組。車模通過感應(yīng)由賽道中心電線產(chǎn)生的交變磁場進(jìn)行路徑檢測的屬于電磁組；車模通過采集賽道圖像（一維、二維）進(jìn)行路徑檢測的屬于攝像頭組；車模通過采集賽道上少數(shù)孤立點(diǎn)反射亮度進(jìn)行路徑檢測的屬于光電組。競賽秘書處制定如下比賽規(guī)則適用于各分賽區(qū)預(yù)賽以及全國總決賽，在實際可操作性基礎(chǔ)上力求公正與公平。1.2比賽規(guī)則1.2.1器材限制規(guī)定1).須采用統(tǒng)一指定的車模。本屆比賽指定采用兩種車模：2)型車模：廣東博思公司提供。限定電磁組比賽使用。2)型車模：北京科宇通博科技有限公司提供。限定光電組、攝像頭組使用。細(xì)節(jié)及改動限制見附件一。3)須采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位處理器(單核)作為唯一的微控制器。有關(guān)細(xì)節(jié)及其它電子器件使用的限制見附件二；4)參加電磁賽題組不允許使用傳感器獲取道路的光學(xué)信息進(jìn)行路徑檢測參加光電賽題組中不允許傳感器獲取道路圖像信息進(jìn)行路徑檢測。；參加攝像頭賽題組可以使用光電管作為輔助檢測手段5)其他事項如果損毀車模中禁止改動的部件，需要使用相同型號的部件替換；車模改裝完畢后，尺寸不能超過：250mm寬和400mm長。6)賽道基本參數(shù)（不包括拐彎點(diǎn)數(shù)、位置以及整體布局）見附件三；比賽賽道實際布局將在比賽當(dāng)日揭示，在賽場內(nèi)將安排采用制作實際賽道的材料所做的測試賽道供參賽隊進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試；1.2.2決賽規(guī)則參加決賽隊伍按照預(yù)賽成績進(jìn)行排序，比賽順序按照預(yù)賽成績的倒序進(jìn)行。決賽的比賽場地使用一個賽道。決賽賽道與預(yù)賽賽道形狀不同，占地面積增大，賽道長度增加。每支決賽隊伍只有一次比賽機(jī)會，在跑道上跑一圈，比賽過程與要求同預(yù)賽階段。計時由電子計時器完成并實時顯示。賽成績不記入決賽成績，只決定決賽比賽順序。沒有參加決賽階段比賽的隊伍，預(yù)賽成績?yōu)樽罱K成績，參加該賽題組的排名。比賽過程規(guī)則按照比賽順序，裁判員指揮參賽隊伍順序進(jìn)入場地比賽。同一時刻，一個場地上只有一支隊伍進(jìn)行比賽。在裁判員點(diǎn)名后，每隊指定一名隊員持賽車進(jìn)入比賽場地。參賽選手有60秒的現(xiàn)場準(zhǔn)備時間。準(zhǔn)備好后，裁判員宣布比賽開始，選手將賽車放置在起跑區(qū)，賽車應(yīng)在起跑區(qū)靜止兩秒鐘以上，然后自動出發(fā)。賽車應(yīng)該在30秒之內(nèi)離開出發(fā)區(qū)，沿著賽道跑完一圈。由計時起始線兩邊傳感器進(jìn)行自動計時。賽車跑完一圈且自動停止后，選手拿起賽車離開場地，將賽車放回指定區(qū)域。1.3研究內(nèi)容本文研究的是電磁導(dǎo)引智能車，主要包括電磁導(dǎo)引信號獲取、起止線檢測、控制算法三方面，此外，未使智能車擁有更好的性能還對車模進(jìn)行了一些調(diào)整。1.3.1電磁引導(dǎo)信號選取本設(shè)計中電磁信號獲取包括了兩部分：1)探頭部分本設(shè)計中使用工字型電感作為探頭，利用它開放的磁芯作為感知交變磁場的媒介，為加強(qiáng)其抗噪性能，選取合適的電感與其串聯(lián)組成諧振頻率與信號頻率一致的LC振蕩回路。2)信號放大部分 本設(shè)計中使用LM358運(yùn)放放大電路作為信號放大分，兩級放大電路均為帶通放大，參數(shù)一致，都具有10倍的增益、20kHz的中心頻率、4kHz的帶寬以及2.5V的偏置電壓。1.3.2起止線檢測考慮到起止線上會埋設(shè)表面磁場達(dá)上千高斯的磁鋼，本設(shè)計中的起止線檢測采用霍爾元件，為適應(yīng)不同磁極，選型時選擇的是干簧管元件。1.3.3控制算法舵機(jī)控制采用P控制，為了加強(qiáng)信號可靠性，減小電機(jī)運(yùn)作時反電動勢及噪聲的影響，對采樣信號進(jìn)行了軟件濾波處理，通過去除最大最小值消除信號毛刺，通過取平均值的方法消減小波的影響。本設(shè)計中使用PID算法作為速度控制算法，通過光電編碼器實現(xiàn)速度反饋。在通過實驗確定各項系數(shù)后，又在普通PID算法的基礎(chǔ)上做出了改良，引入了開環(huán)初始值：在實際速度與期望速度相差很大時不使用PID算法而是直接通過事先標(biāo)定的開環(huán)值對速度進(jìn)行調(diào)整，然后再采用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后達(dá)預(yù)期速度。1.3.4車模調(diào)整為了加快車模轉(zhuǎn)向響應(yīng)，設(shè)計中對車模上舵機(jī)的傳動連桿進(jìn)行了加長使響應(yīng)速度提高了32%。由于連桿的加長，舵機(jī)安裝方式也做出了相應(yīng)改變，由臥式改為立式。除此之外，還對車模進(jìn)行了一些小的調(diào)校，包括主銷內(nèi)傾角、主銷后傾、后輪差速機(jī)構(gòu)等。

賽車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1賽車主要技術(shù)參數(shù)此次比賽選用的賽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)只使用競賽提供車模的底盤部分及轉(zhuǎn)向和驅(qū)動部分。控制采用前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動方案。具體車模數(shù)據(jù)如表2-1：表2-1賽車主要技術(shù)參數(shù)項目參數(shù)車模幾何尺寸（長、寬、高）（毫米）510*250*130車模軸距/輪距（毫米）195車模平均電流（勻速行駛）(毫安)1500電路電容總量（微法）1820傳感器種類及個數(shù)LC諧振電路（8個），光電編碼器（1個），干簧管（4個）新增加伺服電機(jī)個數(shù)1賽道信息檢測空間精度（毫米）10賽道信息檢測頻率（次/秒）100主要集成電路種類/數(shù)量BTS7960B*2,MC9S12XS128車模重量（帶有電池）（千克）1.82.2硬件系統(tǒng)方案設(shè)計此智能車通過電磁傳感器采集鋪設(shè)在賽道上的導(dǎo)線中攜帶的20kHz交變電流的磁場，并以此為依據(jù)進(jìn)行車體控制，利用適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄗ屩悄苘囘_(dá)到沿導(dǎo)線前進(jìn)的目的。控制算法主要包括兩方面：用于驅(qū)動智能車前進(jìn)的電機(jī)控制和用于控制智能車轉(zhuǎn)向的舵機(jī)控制。賽車結(jié)構(gòu)示意簡圖如下：圖2-1賽車結(jié)構(gòu)示意簡圖2.3軟件系統(tǒng)方案設(shè)計有了硬件機(jī)構(gòu)之后，必須要有一套合適的算法才能發(fā)揮出硬件的潛力，所以軟件對于智能車來說至關(guān)重要。在一個控制周期中大致需要完成以下幾個步驟：首先是信號采樣，然后是一些有軟件實現(xiàn)的信號處理，諸如濾波等。有了信號之后就是根據(jù)信號來對車輛進(jìn)行控制，控制包括轉(zhuǎn)向舵機(jī)和驅(qū)動電機(jī)兩部分。舵機(jī)控制是根據(jù)信號直接確定的，對電機(jī)的控制則是只給出一個期望速度，由當(dāng)前速度到期望速度的變化過程由更為底層的控制程序來完成。程序流程簡圖如下：圖2-2 軟件系統(tǒng)流程簡圖軟件算法的編寫必須根據(jù)硬件條件，再好的算法如果跟硬件不兼容的話也是徒勞的，調(diào)試的過程就是讓其不斷適應(yīng)現(xiàn)有硬件的過程，智能車競賽追求的不是最完美的程序而是最適合當(dāng)前硬件的程序。

賽車機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹和調(diào)整3.1前輪調(diào)整和舵機(jī)安裝3.1.1前輪調(diào)整在賽車過彎時，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的負(fù)載會因為車輪轉(zhuǎn)向角度的增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機(jī)負(fù)載，對前輪的安裝角度，即前輪定位進(jìn)行了調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，使轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束等4個項目決定，反映了轉(zhuǎn)向輪、主銷和前軸等三者在車架上的位置關(guān)系。主銷內(nèi)傾是指主銷裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度，它的作用是使前輪自動回正。角度越大前輪自動回正的作用就越強(qiáng)烈，但轉(zhuǎn)向時也越費(fèi)力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱。主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。它使車輛轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動恢復(fù)到原來的中間位置上。由此，主銷后傾角越大，車速越高，前輪穩(wěn)定性也愈好。主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使汽車轉(zhuǎn)向自動回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無關(guān)，主銷后傾的回正與車速有關(guān)，因此高速時后傾的回正作用大，低速時內(nèi)傾的回正作用大。前輪外傾角對賽車的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。前輪外傾角俗稱“外八字”，如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側(cè)，導(dǎo)致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個外八字角度，這個角度約在1°左右。所謂前束是指兩輪之間的后距離數(shù)值與前距離數(shù)值之差，也指前輪中心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的心線與縱向中心線的夾角。前輪前束的作用是保證汽車的行駛性能，減少輪胎的磨損。前輪在滾動時，其慣性力會自然將輪胎向內(nèi)偏斜，如果前束適當(dāng)，輪胎滾動時的偏斜方向就會抵消，輪胎內(nèi)外側(cè)磨損的現(xiàn)象會減少。3.1.2舵機(jī)安裝舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個控制系統(tǒng)中延遲較大的一個環(huán)節(jié)，因此要加快車的響應(yīng)速度，就必須加快舵機(jī)的響應(yīng)速度根據(jù)比賽規(guī)則，舵機(jī)由組織方給定不可變更，因而必須采用非改變舵機(jī)本身結(jié)構(gòu)的方法提高舵機(jī)的明顯響應(yīng)速度。分析舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)的向的原理可以發(fā)現(xiàn)，在相同的舵的舵機(jī)轉(zhuǎn)向條件下，轉(zhuǎn)向連桿在舵機(jī)一的端的連接點(diǎn)離舵機(jī)軸心距離越遠(yuǎn)，但轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向變化越快。這相當(dāng)于增以臂長度，提高線速度。但是這也同要時要求舵機(jī)擁有更大的輸出扭矩，從表中可以看出，SD-5是一款大扭力舵機(jī)6.5kg?cm的扭矩完全可以滿足本設(shè)計的需圖3.1.1前輪舵機(jī)照片求。針對上述特性，通過加長連舵機(jī)與轉(zhuǎn)向輪之間連桿加快轉(zhuǎn)向響應(yīng)的方案是可行的，改動后實物照片如下圖所示：圖3-1舵機(jī)轉(zhuǎn)角修改示意圖3.2后輪差速調(diào)整差速機(jī)構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動，并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機(jī)。當(dāng)賽車在正常過彎時(假設(shè)無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度)，4個輪子的轉(zhuǎn)速皆不相同，依序為：外側(cè)前輪＞外側(cè)后輪＞內(nèi)側(cè)前輪＞內(nèi)側(cè)后輪。此次所使用車模配備的是后輪差速機(jī)構(gòu)。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速越高。以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時，因外側(cè)后輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側(cè)后輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時阻力小的車輪會打滑，從而影響車模的過彎性能。好的差速機(jī)構(gòu)，應(yīng)該在電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況下，右輪向前轉(zhuǎn)過的角度與左輪向后轉(zhuǎn)過的角度近似相等，不會有遲滯或者過轉(zhuǎn)動的情況發(fā)生。3.3車體重心調(diào)整車體重心位置對賽車加減速性能、轉(zhuǎn)向性能和穩(wěn)定性都有較大影響。重心調(diào)整主要包括重心高度和前后位置的調(diào)整。理論上，賽車重心越低穩(wěn)定性越好。因此賽車各部件的安裝高度都盡量貼近底盤。除此之外，車輛重心前后方向的調(diào)整，對賽車行駛性能也有很大的影響。根據(jù)車輛運(yùn)動學(xué)理論，車身重心前移，會增加轉(zhuǎn)向，但降低轉(zhuǎn)向的靈敏度（因為大部分重量壓在前輪，轉(zhuǎn)向負(fù)載增大），同時降低后輪的抓地力，影響加減速性能；重心后移，會減少轉(zhuǎn)向，但增大轉(zhuǎn)向靈敏度，后輪抓地力也會增加，提高加減速性能。因此，確定合適的車體重心，讓車模更加適應(yīng)比賽賽道是很關(guān)鍵的。3.4齒輪傳動機(jī)構(gòu)調(diào)整車模后輪采用RS-380SH-4045電機(jī)驅(qū)動，由競賽主辦方提供。電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動比為 9:38（電機(jī)軸齒輪齒數(shù)為18，后輪軸傳動輪齒數(shù)為76）。齒輪傳動機(jī)構(gòu)對車模的驅(qū)動能力有很大的影響。齒輪傳動部分安裝位置的不恰當(dāng)，會大大增加電機(jī)驅(qū)動后輪的負(fù)載，從而影響到最終成績。調(diào)整的原則與速度傳感器的安裝相同：兩傳動齒輪軸保持平行，齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會增加傳動阻力，影響加減速性能；傳動部分要輕松、順暢，容易轉(zhuǎn)動，不能有卡住或遲滯現(xiàn)象。判斷齒輪傳動是否調(diào)整好的一個依據(jù)是,聽一下電機(jī)帶動后輪空轉(zhuǎn)時的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者兩齒輪軸不平行，電機(jī)負(fù)載加大。調(diào)整好的齒輪傳動噪音小，并且不會有碰撞類的雜音。

硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)本智能車硬件系統(tǒng)追求簡潔、可靠、穩(wěn)定，在有限的制板條件下極力做到極致。除了單片機(jī)最小系統(tǒng)板為雙面板外，其他電路一律采用單面板或者萬通板制作。單片機(jī)采用MC9S12XS128MAA，電源芯片采用LM2596、LM1117，驅(qū)動芯片采用BTS7970傳感器采用LM358運(yùn)放放大、二極管倍壓檢波原理,起跑線檢測采用干簧管。調(diào)試過程中我們也采用過NOKIA5110液晶、賽道計時系統(tǒng)來輔助調(diào)試，本章均有詳細(xì)介紹。4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)為本小車系統(tǒng)的核心。為了穩(wěn)定起見，我們購買了最小系統(tǒng)板。這個最小系統(tǒng)板引出所有功能引腳，板上自帶了晶振電路、單片機(jī)電源電路。電路圖如圖4-1所示。圖4-1單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖4.2電源管理模塊電源模塊相當(dāng)于房屋的基石，關(guān)系到整個小車是否穩(wěn)定運(yùn)行。因此，我們經(jīng)過大量實驗選型，最終設(shè)計好了合適的電源。比賽要求智能車電源只能使用指定型號的7.2V2000mAhNi-Cd電池供電。單片機(jī)需要5V電源，電機(jī)驅(qū)動需要7.2V電池電源和5V電源，為了提高舵機(jī)相應(yīng)速度，我們給舵機(jī)提供7V電壓。總體來說，我們采用集成三端穩(wěn)壓芯片。集成三端穩(wěn)壓器主要有兩種：一種是線性穩(wěn)壓芯片，另外一種是開關(guān)型穩(wěn)壓芯片。線性穩(wěn)壓芯片輸出紋波小，電路簡單，但是功耗較大，效率較低，典型芯片為LM7805；開關(guān)穩(wěn)壓芯片則功耗小，效率高，但是輸出紋波大，電路復(fù)雜。典型芯片為LM2596。對于單片機(jī)來說，單片機(jī)本身功耗低，但是它對電源要求相對較高。經(jīng)過選型實驗比對，LM2940和LM1086性能較優(yōu)。LM1086為低壓差線性穩(wěn)壓器件，最大輸出電流1.5A，并且有1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、3.45V、5V穩(wěn)壓輸出選擇。另外LM1117-ADJ為輸出可調(diào)穩(wěn)壓器件。LM2940為最大輸出1A低壓差線性穩(wěn)壓器件。最后我們選擇LM2940作為單片機(jī)主要供電穩(wěn)壓芯片，LM1086為備用穩(wěn)壓芯片。因為電路中存在感性負(fù)載，存在大電流，為了最大限度降低各個部分對單片機(jī)的干擾，我們單獨(dú)采用一片LM2940對單片機(jī)和起跑線檢測模塊進(jìn)行供電。而其他需要5V供電的模塊則采用另一片LM2940進(jìn)行供電。對于舵機(jī)來說，需要7V電壓，我們選擇LM2596進(jìn)行供電。LM2596同樣是最大1A輸出線性穩(wěn)壓器件，并且輸出電壓可調(diào)。實際測試中發(fā)現(xiàn)LM2596性能非常優(yōu)秀。電池電壓為7.5V時候，用LM2596可以穩(wěn)壓至7.3V以上。因此，在電池供電范圍內(nèi)，能夠給舵機(jī)提供足夠電流。另外，我們使用另一片LM2596給傳感器供電，具體情況之后詳細(xì)介紹。最終電源模塊電路圖如圖4-2所示。圖4-2電源模塊原理圖4.3電機(jī)驅(qū)動模塊賽車電機(jī)驅(qū)動芯片采用的是英飛凌的BTS7960B半橋驅(qū)動芯片，該芯片負(fù)載電流可以達(dá)到43A，而內(nèi)阻只有16mΩ。芯片框圖如下：圖4-3BTS7960芯片引腳BTS7960是一款針對電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用的完全集成的大電流半橋芯片。它NovalithICTM系列的成員之一，它的一個封裝中集成了一個P通道場效應(yīng)管在上橋臂和一個N通道場效應(yīng)管在下橋臂以及一個控制集成電路。由于上橋臂采用的是P通道開關(guān)，對于電荷泵的需求也就不復(fù)存在了，因此電磁干擾減至了最小。由于集成在內(nèi)驅(qū)動集成電路具有邏輯電平輸入，與微控制器的連接變得非常簡單，且該驅(qū)動集成電路還具有電流檢測診斷、轉(zhuǎn)換率調(diào)整、死區(qū)時間生成以及過熱、過壓、欠壓、過流和短路保護(hù)。BTS7960在較小的電路板空間占用的情況下為大電流保護(hù)的PWM電機(jī)驅(qū)動提供了一種成本優(yōu)化的解決方案。BTS7960特點(diǎn)如下：1) 在25℃時導(dǎo)通電阻的典型值為16毫歐；2) 低靜態(tài)電流，在25℃時的典型值僅為7μA；3) 與主動續(xù)流相結(jié)合的脈寬調(diào)制能力高達(dá)25kHz；4) 開關(guān)電流限制降低功耗的過流保護(hù)；5) 電流限制在典型的43A；6) 具有電流檢測能力的狀態(tài)標(biāo)志診斷；7) 具有鎖定行為的過熱關(guān)斷；8) 過壓鎖定；9) 欠壓關(guān)斷；10)帶有邏輯電平輸入的驅(qū)動電路；11)用于優(yōu)化電磁干擾的可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換率驅(qū)動芯片我們選擇BTS7960。BTS7960為英飛凌公司的大電流電機(jī)驅(qū)動半橋，輸出最大電流可達(dá)63A，內(nèi)部帶有一個P溝道的高邊MOSFET、一個N溝道的低邊MOSFET和一個驅(qū)動IC。BTS7970通態(tài)電阻典型值為16mΩ。P溝道高邊開關(guān)省去了電荷泵的需求,因而減小了EMI(ElectroMagneticInterference)集成的驅(qū)動IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時間產(chǎn)生和過溫過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。BTS7970應(yīng)用非常簡單，只需要向芯片第2引腳輸入PWM波就能控制。當(dāng)系統(tǒng)中只需要單向控制時，只需要讓電機(jī)一端接地，另一端接BTS7970第4引腳。如果需要電機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)控制，則需要另一片BTS7970共同組成全橋。本小車系統(tǒng)驅(qū)動板共用4片BTS7970，共同組成了一個全橋。實際應(yīng)用中有可能只焊接了2片，那是因為我們只需要半橋控制電機(jī)單向旋轉(zhuǎn)。此外為了隔離驅(qū)動芯片與單片機(jī)系統(tǒng)并且保護(hù)單片機(jī)，我們采用了74LS244隔離，74LS244集成8路三態(tài)門。具體的電路如圖4-4所示。圖4-4電源模塊原理圖4.4傳感器模塊4.4.1電磁引導(dǎo)原理傳感器設(shè)計關(guān)系整個項目的成敗。電磁組的引導(dǎo)線為通有20KHZ、100mA電流的漆包線（線徑0.1mm~0.3mm），因此導(dǎo)線周圍存在輻射電磁波。如何將電磁波能量轉(zhuǎn)換為電壓信號供AD采樣成了本小車中最為關(guān)鍵的部分。以下詳細(xì)介紹了我們小車傳感器方案選擇、傳感器設(shè)計、硬件制作、傳感器優(yōu)化的各個過程。1）方案選擇我們主要涉及到電磁檢測的方法主要有以下三種：2)電磁感應(yīng)磁場測量方法：電磁線磁場傳感器，磁阻抗磁場傳感器。3)霍爾效應(yīng)磁場測量方法：半導(dǎo)體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。3)各向異性電阻效應(yīng)（AMR）磁場測量方法。上述三種檢測方法我們都進(jìn)行過實驗，最終選擇方案1，因為方案1實現(xiàn)容易，需求的器件易找易用，檢測靈敏度高。方案2選擇霍爾傳感器，主要因為靈敏度低、器件不好選擇等原因，而對于方案3，我們選用霍尼韋爾公司的2維磁阻傳感器HMC1022，但是HMC1022外圍復(fù)雜，需要儀表放大器和置位復(fù)位電路，而且器件價格不菲。根據(jù)電磁知識，在通有交變電流的直導(dǎo)線周圍存在電磁場。智能車競賽中路徑導(dǎo)航使用的交變電流為20KHZ，100mA電路，產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF電磁波。甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻電磁破中間，為3kHz～30kHz，波長為100km～10km。如圖4.5所示。圖4-5電流周圍電磁場示意圖由于賽道尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波波長，因此在導(dǎo)線附近能夠感應(yīng)到的電磁能量非常少并且可以將其視為緩變磁場，從而按照靜態(tài)磁場的處理方法來獲取導(dǎo)線周圍的磁場分布，從而實現(xiàn)位置檢測。根據(jù)畢奧-薩伐爾電磁感應(yīng)定律可知：在通有恒定電流I長度L的直導(dǎo)線周圍存在電磁場，距離導(dǎo)線r處P點(diǎn)（如圖4.6所示）電磁感應(yīng)強(qiáng)度為：圖4-6長L的直導(dǎo)線電磁分析延伸到無限長直導(dǎo)線上，上式θ1=0，θ2=π無限長直導(dǎo)線周圍的電磁分布為一圈一圈的同心圓，并且強(qiáng)度隨r增加呈減小的趨勢。根據(jù)這個特性，我們可以計算出電磁傳感器距離中心直導(dǎo)線的距從而確定小車在賽道上的位置。4.4.2傳感器的選擇電磁傳感器以線圈最為合適。常用的電感線圈有色環(huán)電感、工字電感，并且可以按照需求進(jìn)行電感訂做。但是，為了簡化起見，我們選擇工字電感和色環(huán)電感作為檢測線圈。我們選用10mH電感作為檢測傳感器。10mH電感有多種規(guī)格，常見的規(guī)格有6x8、8x10、10x12，表示的意思就是電感直徑和高度。直徑越大高度越高，在直導(dǎo)線同一位置獲得的電磁能量就越大，傳感器獲得的信號就越強(qiáng)，但是太大的電感會增加傳感器重量，引起機(jī)械結(jié)構(gòu)問題。在經(jīng)歷眾多選型之后，我們選擇了6x8工字電感，100mA直導(dǎo)線電流時它能檢測到峰峰值為40mV左右的電壓值，能夠滿足我們的要求。另外，某些傳感器我們也使用了8x10的工字電感和10mH色環(huán)電感，這要視實驗效果決定使用哪種電感。我們選用的電感如圖4-7所示。圖4-7 10mH電感樣品4.4.3選頻，放大，整流選頻方式我們選擇了組委會推薦方案，即用10mH電感和6.8nF電容組成RLC并聯(lián)諧振回路進(jìn)行選頻，原理不再詳述。我們的重點(diǎn)在于放大部分，如何選擇放大方案成為任務(wù)的關(guān)鍵。三極管體積小，型號眾多易于選擇，價格相當(dāng)?shù)土?。方案開始時候，我們曾在這方面下過許多工夫，但是取得的效果不太理想?；驹硎腔竟采浞糯笃髟?，在基本共射放大器的基礎(chǔ)上，我們添加過許多擴(kuò)展比如引入反饋、引入濾波電路等，但是因為最后的電路較為復(fù)雜，并且對電路質(zhì)量要求較高而放棄。之后我們便轉(zhuǎn)向采用運(yùn)算放大器。放大器的優(yōu)勢在于方便易用，放大效果較好。設(shè)計之初，我們在眾多廠商運(yùn)放中選擇出了一批運(yùn)算放大器。選型的基本標(biāo)準(zhǔn)為：單電源、低電壓、低噪聲帶寬>20KHZ。我們傳感器運(yùn)放選型可謂一波三折，從常見的LM358到各大廠商的集成運(yùn)放，從通用運(yùn)放到儀表放大器，甚至昔日有“功放之皇”美稱的“大S”NE5532都有過涉及。但是經(jīng)過幾個月的選型測試，我們還是找到了合適的運(yùn)放。針對以上器件，我們選擇了TLC2272、AD8629、LM358、LM386進(jìn)行分別測試。下面我們僅對TLC2272和LM386的測試情況進(jìn)行說明。LM358為TI公司單電源軌至軌運(yùn)放系列，軌至軌輸出可以使運(yùn)放輸出最大達(dá)到幅度，因此能夠?qū)鞲衅鬏敵鲂盘栕銐蚍糯螅瑵M足AD采樣需求的精度。實驗中我們采用的電路圖如圖4-8所示。當(dāng)輸入信號為20KHZ、20mV峰峰值，電源電壓6V的情況下，調(diào)節(jié)反饋電位器RV獲得最大輸出電壓峰峰值4.6V。應(yīng)用到小車系統(tǒng)中時，則需要節(jié)放大倍數(shù)，使輸出峰峰值能超過5V。電壓能夠完美放大后，接著就是讓AD采樣。最為簡便的方法就是讓AD接采樣輸出正弦波，但是這樣會給程序增加很大負(fù)擔(dān)，程序中需要進(jìn)行很多次采樣計算平均值才能控制小車。LM358放大后的仿真波形如圖：圖4.8 更改負(fù)載電阻后電磁傳感器仿真波形上述測試可以表明LM358傳感器方案的可行性。實際硬件制作中，我們也成功制作出了一套傳感器。我們最終傳感器電路圖如圖4-9所示。圖4-9 傳感器電路圖最終版4.4.4起止線檢測方案文中曾提到對于賽道起點(diǎn)的檢測，在起點(diǎn)處的黑線下面布有磁鐵。而干簧管的作用就是用來檢測磁鐵產(chǎn)生的固定磁場。當(dāng)車體經(jīng)過起始線時會使干簧管瞬間導(dǎo)通一次，也就是產(chǎn)生一個脈沖信號，然后經(jīng)過對所產(chǎn)生的脈沖信號的計數(shù)，我們可以得知當(dāng)前所經(jīng)過的圈數(shù)，當(dāng)比賽的圈數(shù)到達(dá)時，使模型車能夠自動停止下來。圖4.10干簧管電路圖4.5速度傳感器從理論上說，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由單片機(jī)輸出到驅(qū)動板上的PWM波的占空比決定的，但在實際情況中，這兩者之間的對應(yīng)關(guān)系并不那么明確，要受到電池電壓、電機(jī)傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等等很多因素的影響，這些因素會導(dǎo)致賽車車速處于與實際需求不同的情況中，這可能導(dǎo)致賽車因速度過快沖出賽道，也可能導(dǎo)致賽車速度過慢影響成績。為了對車速有一個準(zhǔn)確的概念，并借此對車速實行閉環(huán)控制，速度反饋環(huán)節(jié)即速度傳感器是必須的，常用的車速檢測裝置包括：測速發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)角編碼盤、反射式光電檢測、透射式光電檢測和霍爾傳感器檢測等等。最后決定采用的速度傳感器是OMRON公司生產(chǎn)的E6A2-CW3型光電編碼器。它由5-12V的直流供電，100脈沖/旋轉(zhuǎn)，內(nèi)阻為0.5M，安裝方式如下圖所示：圖4.11光電編碼器安裝效果圖傳感器用螺釘固定在金屬片上，金屬片固定在后輪支架上，這樣固定好之后，就有了較高的穩(wěn)定性。速度傳感器通過后輪軸上的齒輪與電機(jī)相嚙合。為了得到脈沖數(shù)與賽車進(jìn)距離的關(guān)系，進(jìn)行了標(biāo)定工作，標(biāo)定方法是讓賽車前進(jìn)不同時間并記錄脈沖數(shù)n，在與前進(jìn)距離d（單位厘米）相除即得到每厘米對應(yīng)的脈沖數(shù)。測的數(shù)據(jù)如下：表4.3歐姆龍光電編碼器數(shù)據(jù)一覽表、前進(jìn)距離（cm）脈沖數(shù)124511018678052259325238105432731140529512905由擬合結(jié)果可知，每厘米對應(yīng)脈沖數(shù)約為42個。4.6核心板S12XS16位微控制器系列針對一系列成本敏感型汽車車身電子應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。S12XS產(chǎn)品滿足了用戶對設(shè)計靈活性和平臺兼容性的需求，并在一系列汽車平臺上實現(xiàn)了可升級性、硬件和軟件可重用性、以及兼容性。S12XS系列可以經(jīng)濟(jì)而且又兼容地擴(kuò)展至XGate協(xié)處理器的S12XE系列單片機(jī)，從而為用戶削減了成本，并縮小了封裝尺寸。S12XS系列幫助設(shè)計者迅速抓住了市場機(jī)遇，同時還能降低移植成本。主要特性：1）.S12XSCPU，最高總線速度40MHz2）.64KB、128KB和256KB閃存選項，均帶有錯誤校正功能（ECC）3）.帶有ECC的、4KB至8KBDataFlash，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲4）.可配置8、10或12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換時間3us5）.支持控制區(qū)域網(wǎng)（CAN）、本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN）和串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議模塊6）.帶有16位計數(shù)器的、8通道定時器7）.出色的EMC，及運(yùn)行和停止省電模式核心板采用龍丘的XSMAL最小系統(tǒng)版，板上包括單片機(jī)相關(guān)的外圍電路如時鐘模塊和復(fù)位模塊，還有供燒錄程序及調(diào)試用的BDM接口。核心板實物圖如下：圖4.12單片機(jī)核心板實物圖4.7核心板接口板為了使用方便，制作了一塊核心板開發(fā)板，將需要的管腳引出并加入了給單片機(jī)供電的5V穩(wěn)壓電路、撥碼開關(guān)、字符液晶等擴(kuò)展電路。4.8顯示模塊的設(shè)計在本系統(tǒng)的設(shè)計中，我們應(yīng)用了一塊NOKIA5110液晶屏來顯示系統(tǒng)運(yùn)行中的各項參數(shù)。通過自己創(chuàng)建的字庫與參考的驅(qū)動程序，編寫了與MCU兼容的驅(qū)動程序。圖4.13液晶顯示模塊驅(qū)動電路4.9賽道電源設(shè)計賽道電源設(shè)計我們參考了組委會參考設(shè)計方案[3]。根據(jù)競賽規(guī)則，20KHZ賽道電源技術(shù)要求如下：1）驅(qū)動賽道中心線下鋪設(shè)的0.1-0.3mm直徑的漆包線。2）頻率范圍：20K±2K。3）電流范圍：50-150mA。設(shè)計之初，我們采用了555+L298N方案，但是設(shè)計出來的賽道電源頻率不太。表4.6STC10F08XE賽道電源性能參數(shù)項目參數(shù)頻率（KHZ）20±0.2KHZ交流電流可調(diào)范圍（mA）10mA-424mA運(yùn)行一小時電流漂移（mA）≤9mA直流電流輸出（mA）＜2mA輸出信號電壓（V）11±1V

智能車軟件設(shè)計本智能車軟件基于FreescaleCodeWarriorIDE5.9.0，該平臺帶有ProcessorExpert模式（PE模式），可以在這種模式下實現(xiàn)所有硬件初始化，使得單片機(jī)非常方便易用而不必過多考慮單片機(jī)內(nèi)部寄存器設(shè)置。本章詳細(xì)介紹了智能車軟件控制思路、算法，并附帶了某些函數(shù)實現(xiàn)方法。在附錄里面附有小車源程序供參考之用5.1程序整體設(shè)計圖5-1程序框圖5.2系統(tǒng)初始化在整個軟件系統(tǒng)設(shè)計中，主要用到了5個單片機(jī)基本功能模塊：時鐘模塊、PWM模塊、輸入捕捉模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、中斷模塊。在FreescaleCodeWarriorIDE5.9.0編譯環(huán)境中，運(yùn)用其中的ProcessorExpert模式（PE模式），在該模式提供的各類欄目中選擇需要的參數(shù)設(shè)定后，開發(fā)軟件就能夠自動生成封裝好的函數(shù)進(jìn)行寄存器設(shè)置完成單片機(jī)硬件各個功能模塊初始化。PE模式設(shè)置如圖5.2所示。圖5-2PE模式運(yùn)行界面針對智能車系統(tǒng)，我們需要盡可能地提高軟件運(yùn)行速度和效率。因此，我們通過鎖相環(huán)設(shè)置將系統(tǒng)總線頻率由8MHZ提高到64MHZ，其次，我們提高了AD采樣周期至3.250微秒，最后測得軟件執(zhí)行周期為0.15ms。另外，為了提高控制精度，我們將兩個單路的PWM進(jìn)行了級聯(lián)，將輸出控制精度從原來的8位提高到了16位。通過以上設(shè)置，為系統(tǒng)實現(xiàn)快速反應(yīng)，精確控制打下了重要基礎(chǔ)。5.3硬件初始化代碼5.3.1PWM初始化脈寬調(diào)制（PWM）模塊有8路獨(dú)立的可設(shè)置周期和占空比的8位PWM通道，每個通道配有專門的計數(shù)器。該模塊有4個時鐘源，能分別控制8路信號。通過配置寄存器可設(shè)置PWM的使能與否、每個通道的工作脈沖極性、每個通道輸出的對齊方式、時鐘源以及使用方式（單獨(dú)輸出還是合并輸出）。轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制方面，為了提高控制精度，將PWM0、PWM1兩路8位通道合并為一個16位通道來控制舵機(jī)，這樣可使舵機(jī)的控制精度從1/255提高到1/65536。電機(jī)控制方面，使用PWM2和PWM3兩路PWM來進(jìn)行控制，其中PWM3用于正向速度控制，PWM2用于反向制動，正常情況下PWM2的占空比應(yīng)為0%即輸出電壓恒為零，PWM3占空比越大車速越快。當(dāng)需要制動時，提升PWM2的占空比就能得到相應(yīng)的制動效果，但制動時間不宜過長否則會出現(xiàn)反跑現(xiàn)象。初始化程序如下：voidPWM_initial(void){DDRM_DDRM3=1;PTM_PTM3=1;PWME=0x00; //關(guān)閉PWMPWMPOL=0x22; //輸出起始電平為高電平PWMCLK=0x00; //時鐘來源選擇ClockA、ClockBPWMPRCLK=0x02; //PWM預(yù)分頻為總線時鐘/4PWMCTL=0x50; //通道0、1級聯(lián)//正向PWMPER3=0x9c; //設(shè)定PWM周期PWMDTY3=0x65; //設(shè)定占空比//反向PWMPER2=0x9c;PWMDTY2=0x9c;PWMPER01=39999;PWMDTY01=Duoji_Center;PWMPER45=39999;PWMDTY45=Duoji2_Center;PWME=0xFF; //PWM使能}5.3.2A/D采樣初始化80pinS12單片機(jī)共有8個A/D口，賽車上使用8位精度，查詢方式訪問而非中斷方式，采樣數(shù)據(jù)右對齊每次采樣使用4個A/D時鐘周期，具體函數(shù)如下：voidATD_init(void){ATD0CTL1=0x40; //7:1-外部觸發(fā),65:00-8位精度,4:放電,3210:chATD0CTL2=0x40; //禁止外部觸發(fā),中斷禁止ATD0CTL3=0xc0; //7:1右對齊無符號;6543:0100每次轉(zhuǎn)換2個序列,//NoFIFO,Freeze模式下繼續(xù)轉(zhuǎn)ATD0CTL4=0x01; //765:采樣時間為4期,ATDClock=[BusClock*0.5]/[PRS+1]ATD0CTL5=0x//6:0特殊通道禁止,5:1連續(xù)轉(zhuǎn)換,4:1多通道輪流采樣ATD0DIEN=0x00; //禁止數(shù)字輸}5.3.3PIT中斷初始化賽車上共需要兩個定時中斷，一個0.1s的用于轉(zhuǎn)向舵機(jī)的控制以及一個0.04s的用于車速的PID控制。其初始化函數(shù)如下：PITCFLMT=0x00;//關(guān)PIT中斷PITCE=0x03;//使能0,1號端口PITMUX=0x00;//ch0,ch1連接到端口0PITMTLD0=0x16;//微定時，0~100時鐘循環(huán)PITLD0=0x1999; //定時時間=5*100PITMTLD1=0x2c;PITLD1=0x1999;PTINTE=0x03;//使能PIT端口5.3.4光電編碼器初始化用于速度反饋的光電編碼器會隨著車輪的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖，使用PT7對其進(jìn)行脈沖捕捉即可推算出行進(jìn)路程，再與定時中斷結(jié)合可算出車速。初始化函數(shù)如下：TIOS=0x00;TCNT=0X00;TSCR1=0X80;TSCR2=0X00;PACTL=0X40;TCTL3=0XC0;TCTL4=0X00;TIE=0X00;CTL3_EDG7x=1;5.4電磁采樣信號處理與使用5.4.1數(shù)字與模擬信號采集對比傳感器采集數(shù)據(jù)的方式有兩種：一種是數(shù)字采集方式，另一種是模擬采集方式。數(shù)字采集方式是傳感器把采集的電壓信號經(jīng)過比較器輸出給MCU的I/O口，而模擬采集方式是傳感器把采集的電壓信號經(jīng)過濾波處理后輸出給MCU的A/D輸出輸入端，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行計算處理。圖5-3數(shù)字采集與模擬采集比較數(shù)字采集方式實時性好，信號處理速度快，但因為這種采集方式只能識別幾個點(diǎn)的狀態(tài)，所以分辨率較低，線性度差，無法進(jìn)行精確控制。所以要進(jìn)行精確的控制，一般都選擇模擬采集方式。當(dāng)然這種方法也有它的缺點(diǎn)，比如數(shù)據(jù)采集周期長，易受外界干擾。這些不利因素可以通過硬件和軟件有效的改進(jìn)，能夠達(dá)到削弱或者避免的目的?？偟膩碚f，模擬采集方式的分辨率高，能夠精確地反映小車的當(dāng)前位置。本文在設(shè)計中采用模擬采集方式，并且在實踐中缺的了理想的控制效果。5.4.2電磁采樣信號的處理與使用賽車的A/D采樣在主循環(huán)函數(shù)中進(jìn)行，為了減小信號抖動的影響，對采樣信號進(jìn)行簡單的低通濾波處理即將10個采樣點(diǎn)的信號取平均值作為一個數(shù)據(jù)，但這樣人不能避免突然出現(xiàn)的一個大幅值尖峰對信號的影響，遂在此基礎(chǔ)上再加入一個步驟：在平均前大最小值去掉。這里需要說明一下，A/D采樣的頻率即使取十點(diǎn)平均也還有50kHz的采樣率，不會因為濾波而使賽車在響應(yīng)上變慢。我們通過電磁傳感器獲得一組AD采樣信號，供單片機(jī)處理。磁場之間存在相互的影響，電感之間也存在干擾，因此，如何準(zhǔn)確進(jìn)行采樣成為必須解決的課題。為了獲取更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，我們對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的處理：將數(shù)據(jù)都存入一個數(shù)組中，當(dāng)采集到一個新的數(shù)據(jù)時，對數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行滾動刷新，即新的數(shù)據(jù)靠前，舊的數(shù)據(jù)排后，數(shù)組中最早采集的數(shù)據(jù)在每次刷新的過程就自動丟棄。然后對該數(shù)組中的數(shù)據(jù)排序，去掉最大最小值，最后對剩下的數(shù)據(jù)求平均值，這樣就獲得了一個相對比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。5.4.3使用不同角度的電磁傳感器識別賽道在前文中已經(jīng)提到過，利用位于同一直線上的相距7厘米的內(nèi)側(cè)傳感器與相距9厘米的外側(cè)傳感器之間的互補(bǔ)性可以使用分段線性擬合的方式得到信號差值與導(dǎo)線位置的關(guān)系，具體使用流程圖如下（設(shè)偏差為-5cm時外側(cè)傳感器差值為TH0，+5cm時差值為TH1，外側(cè)傳感器信號差值為diff_out，內(nèi)側(cè)傳感器。圖5-4導(dǎo)線位置計算程序流程圖使用四個X方向探頭時，判斷彎道的條件是當(dāng)偏離導(dǎo)線的距離達(dá)到一定程度，而這種情況在以較差姿態(tài)進(jìn)入十字道時也會碰到，因而會出現(xiàn)吧十字道誤判為彎道的情況，但是在Y方向上十字道與彎道的區(qū)別是很明顯的，當(dāng)賽車接近十字道時兩個Y方向探頭信號都會迅速增大，因為此時的磁場幾乎是垂直于電感截面的，而接近彎道時由于賽道的最小轉(zhuǎn)彎半徑也有50cm，所以Y方向的磁場變化是比較緩慢的且不對稱的即不會出現(xiàn)同時快速增大的情況。綜上所述，只要把兩個Y方向探頭上的信號引入到彎道判斷中就可以解決十字道與彎道的混淆。由于判斷比較簡單，此處略去流程圖。5.5電機(jī)控制策略5.5.1電機(jī)PID控制(1)比例(P)控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steadystateerror)在比例控制器中，控制器的輸出信號Uo與輸入信號ΔUi(即偏差)的大小成正比，即（5.6.1）即輸出信號Uo與輸入信號ΔUi之間存在著一一對應(yīng)的比例關(guān)系。在采用P調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例控制的自動控制系統(tǒng)中，一旦被控量因擾動而發(fā)生變化，反饋信號Uf就會變化，P調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號ΔUi也會隨之變化，控制器的輸出信號Uo將發(fā)生與偏差信號ΔUi成比例的變化，從而形成很大的糾正偏差的作用，使系統(tǒng)的被控量基本穩(wěn)定，響應(yīng)非常及時，沒有絲毫的時間滯后。這說明比例控制具有作用及時、快速、控制作用強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且Kp的絕對值越大，系統(tǒng)的靜特性越好，靜差就越小，對提高控制精度無疑是具有好處的。但Kp值過大將會導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)過程出現(xiàn)劇烈的振蕩，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而且比例控制是依據(jù)偏差信號進(jìn)行控制的，若輸入偏差ΔUi為零，則比例控制器的輸出Uo亦為零，控制器就失去比例控制作用，系統(tǒng)將無法正常運(yùn)行。換而言之，要使系統(tǒng)正常運(yùn)行，則要求比例控制器必須有輸出，為此必須要有偏差ΔUi的存在。這意味著采用比例控制的系統(tǒng)必然是存在靜差的有差系統(tǒng)。在直流自動調(diào)速系統(tǒng)中，常常采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋、電壓負(fù)反饋和電流正反饋以及電流截止負(fù)反饋等各種反饋環(huán)節(jié)，來提高調(diào)速精度和系統(tǒng)的機(jī)械硬度、擴(kuò)大調(diào)速范圍，達(dá)到自動調(diào)速的目的。而其中的放大器就是一個具有比例放大作用的P控制器，并依靠實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速兩者之間的偏差來進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制作用，從而實現(xiàn)有靜差的自動調(diào)速系統(tǒng)，但這種調(diào)速系統(tǒng)不能消除轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差。(2)積分(I)控制在積分控制器中，控制器的輸出信號Uo與輸入信號ΔUi對時間的積分成正比，即（5.6.2）在采用I調(diào)節(jié)器進(jìn)行積分控制的自動控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的輸出信號不僅與輸入信號有關(guān)，而且與其作用時間有關(guān)。因此只要輸入信號ΔUi存在，控制器的輸出信號Uo就不斷地隨時間積累。即Uo越來越大，調(diào)節(jié)器的積分控制作用越來越強(qiáng)，迫使系統(tǒng)的輸出量逐漸趨向期望值，使輸入偏差信號ΔUi越來越小，直至輸入偏差信號ΔUi=0，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)為止。穩(wěn)態(tài)時，I調(diào)節(jié)器保持積分終值電壓不變，系統(tǒng)輸出量就等于其期望值。這時，若采用比例控制器，則因Uo=0而無法正常運(yùn)行；但若采用積分控制器，盡管ΔUi=0，而Uo卻可以不等于零，也就是說能夠在ΔUi=0的條件下正常運(yùn)行?？梢姡e分控制“無輸入，但有輸出”，可以消除系統(tǒng)輸出量的穩(wěn)態(tài)誤差，能實現(xiàn)無靜差控制，這是積分控制的最大優(yōu)點(diǎn)。但由于積分控制器的Uo是隨時間積累而逐漸增強(qiáng)的，其調(diào)節(jié)過程是緩慢的，在時間上總是落后于偏差信號的變化，故積分調(diào)節(jié)過程是不及時的。因此，積分控制器通常只能作為一種輔助控制手段，自動調(diào)速系統(tǒng)不能單獨(dú)使用積分控制器。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)(SystemwithSteady-stateError)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。(3)微分(D)控制自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后(delay)組件。比例控制器和積分控制器都是出現(xiàn)了誤差才進(jìn)行調(diào)解，而微分控制器則針對被調(diào)量的變化率來進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不需要等到被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才進(jìn)行動作，即微分調(diào)節(jié)器可以對被調(diào)量的變化趨勢進(jìn)行調(diào)節(jié)，及時避免出現(xiàn)大的偏差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系即：（5.6.3）一般情況下，實現(xiàn)微分作用不是直接對檢測信號進(jìn)行微分操作，因為這樣會引入很大的沖擊，造成某些器件工作不正常。另外，對于噪聲干擾信號，由于其突變性，直接微分將引起很大的輸出，從而忽略實際信號的變化趨勢，也即直接微分會造成對于線路的噪聲過于敏感。故而對于性能要求較高的系統(tǒng)，往往使用檢測信號的速率傳感器來避免信號的直接微分。綜上，PID控制的數(shù)學(xué)模型為：（5.6.4）由于計算機(jī)控制室一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算空置量，因策，在上式積分和微分項不能直接計算，只能用豎直計算的方法逼近。在采樣時刻t=iT(T為采樣周期)，為表示方便，設(shè)初始時刻為0，第n次采樣的偏差為，控制輸出為，上式所表示的PID調(diào)節(jié)規(guī)律可表示為數(shù)值式：（5.6.5）式中：T——采樣周期；——調(diào)節(jié)器第n次輸出值；——第n次采樣偏差；——第n-1次采樣偏差；在上式中，輸出值Yn對應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到的位置，它對控制變量與設(shè)定值的偏差進(jìn)行運(yùn)算，基本控制形式與常規(guī)調(diào)節(jié)器相似，因此，通常稱為位置式PID控制算式。在數(shù)字控制系統(tǒng)中并不常用位置式PID控制算式，而是讓單片機(jī)只輸出增量也就是采用增量式PID算法。增量式PID算法就是讓計算機(jī)或者單片機(jī)輸出相鄰兩次調(diào)節(jié)結(jié)果的增量，由上式課求出第n-1次調(diào)節(jié)器的輸出：（5.6.6）（5.6.7）式中：=為比例常數(shù)；=為積分常數(shù)；=為微分常數(shù)；上式的運(yùn)算結(jié)果表征了調(diào)節(jié)改變的增量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次只按增量大小動作。增量型算法與位置型算法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）增量型算法不需要做累加，控制量的確定僅與最近三次誤差采樣值有關(guān)，對控制量的計算影響較小，精度較高。而位置型算法要用到過去的誤差累加值，容易產(chǎn)生大的累積誤差。另外，用位數(shù)相同的計算機(jī)或者單片機(jī)，因為比小的多，增量式算法可以有更高的精度。2）增量型算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中，只有輸出閥門開度的變化部分，誤動作影響下，必要時通過邏輯判斷限制或者禁止本次輸出，不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響大。因而增量式算法比位置型算法更可靠。3）采用增量型算法，易于實現(xiàn)從手動切換到自動或者反過來從自動切換到手動，對系統(tǒng)沖擊小，即可做到無擾切換（在此系統(tǒng)中不涉及）。4）增量式算法簡單，便于編程的實現(xiàn)。增量式算法有以上優(yōu)點(diǎn)，所以增量式算法比位置式算法用的更為廣泛。本系統(tǒng)中亦采用增量式PID算法對電機(jī)進(jìn)行速度控制。賽車的速度控制賽用的是PID算法，為了加快速度響應(yīng)，又在期望速度與實際速度相差較大時預(yù)先引入一個預(yù)先標(biāo)定的開環(huán)函數(shù)，雖然開環(huán)函數(shù)會受到電池電壓、電機(jī)傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等等很多因素的影響，但如果只作為PID算法的初始值的話還是可以極大的加快逼近速度的。P、I和D的系數(shù)要根據(jù)賽道情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)思路是這樣的：當(dāng)賽車響應(yīng)不夠快時，需要增大P項的系數(shù)，但是P項系數(shù)的增大會帶來超調(diào)量的增大；當(dāng)超調(diào)量過大時，可以增大D項系數(shù)來減小超調(diào)量，但是會引入系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；I項可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是會減慢賽車響應(yīng)。具體調(diào)節(jié)時需要根據(jù)實際情況來進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。舵機(jī)的控制采用經(jīng)典的PID控制，各環(huán)節(jié)的具體參數(shù)要經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整，以達(dá)到對各種賽道類型的適應(yīng)性的平衡。各環(huán)節(jié)的注意點(diǎn)如下：P環(huán)節(jié)：和控制的力度相關(guān)，過軟和過硬都不好?？梢赃m度地采用分段P的方法，即黑線在車的中間位置時P較軟，黑線偏離較遠(yuǎn)時P較硬，以實現(xiàn)部分賽道的優(yōu)化。I環(huán)節(jié)：I環(huán)節(jié)可以使控制更加精準(zhǔn)，但也有使控制變遲鈍的負(fù)面效應(yīng)，所以在前瞻較近時不宜加如I環(huán)節(jié)，而當(dāng)前瞻比較充足時可以適當(dāng)加入I環(huán)節(jié)，這樣可以彌補(bǔ)分段P的一些不足，也提高了控制的精準(zhǔn)程度。D環(huán)節(jié)：D環(huán)節(jié)能起到對賽道變化趨勢預(yù)測的作用。適當(dāng)加入D環(huán)節(jié)可以使轉(zhuǎn)向更靈敏，并能起到優(yōu)化大S參數(shù)的作用。D的缺點(diǎn)是會放大“噪聲”，對檢測到得信息進(jìn)行數(shù)字濾波可以部分解決這個問題。

系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試6.1軟件調(diào)試平臺Codewarrior是由Metrowerks公司提供的專門面向Freescale所有MCU與DSP嵌入式應(yīng)用開發(fā)的軟件工具。其中包括集成開發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家、全芯片仿真、可視化參數(shù)顯示工具、項目工程管理、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。其中在本設(shè)計方案中最為重要的部分就是集成開發(fā)環(huán)境IDE以及調(diào)試器，所以接下來將主要介紹該兩部分。6.1.1CodewarriorIDE功能介紹CodeWarriorIDE能夠自動地檢查代碼中的明顯錯誤，它通過一個集成的調(diào)試器和編輯器來掃描你的代碼，以找到并減少明顯的錯誤，然后編譯并鏈接程序以便計算機(jī)能夠理解并執(zhí)行你的程序。每個應(yīng)用程序都經(jīng)過了使用像CodeWorrior這樣的開發(fā)工具進(jìn)行編碼、編譯、編輯、鏈接和調(diào)試的過程。具體到比賽所應(yīng)用MCS12XS128B的一個顯著特點(diǎn)就是片上外圍設(shè)備眾多，每個外圍設(shè)備對應(yīng)的寄存器也較多，有的甚至達(dá)到三十多個。MetrowerksCodewarriorIDE中的mc9s12xs128.h文件對所有寄存器對應(yīng)的存儲映射地址都進(jìn)行了宏定義，開發(fā)者在軟件開發(fā)時直接調(diào)用這些宏就可以了。而且，這些宏的名稱都與說明文檔上相應(yīng)寄存器的名稱相同或類似，這樣，很便于對MC9S12XS128的開發(fā)。6.1.2CodewarriorIDE基本使用方法運(yùn)行點(diǎn)擊“開始菜單—>所有程序->MetrowerksCodeWarrior—>CW12V3.1—>CodeWarriorIDE”，選擇“File—>New”，出現(xiàn)如下的對話框圖6-1創(chuàng)建新文件此后選擇MC9S12XS128B，按照提示選取期望的選項。直至建立工程文件。如下：圖6-2新建立的文件建新工程打開Start12.c文件，找到代碼：#ifdef_HCS12_SERIALMON將該行注釋掉。之所以要進(jìn)行這個步驟是因為，初始化代碼是認(rèn)為程序中有監(jiān)控程序的，但是因為我們是使用的BDM調(diào)試工具，所以就不需要監(jiān)控程序了。如果不注釋掉這兩條語句，一旦將程序燒寫到片內(nèi)的flash，會發(fā)現(xiàn)程序跑不起來，因為初始化過程在等待監(jiān)控程序的響應(yīng)，如果沒有監(jiān)控程序，那么程序就會進(jìn)入死循環(huán)的狀態(tài)。C、添加代碼：將自己的代碼加入到工程文件中。D、如果文件編譯通過，通過BDM下載。啟動Codewarrior5.1自帶的Hiwave.exe程序，該程序一般位于Codewarrior5.1的安裝目錄之后運(yùn)行路C:\ProgramFiles\Metrowerks\CWforHCS12XV5.1\prog下的hiwave.exe文件選擇TBDMLHCS12，在下拉菜單中選擇“setspeed”，輸入晶振頻率16.00，然后這個拉菜單中會出現(xiàn)“Flash”選項，點(diǎn)擊這個選項，出現(xiàn)如下的對話框：圖6-3程序燒寫擦除界面再下載自己的程序前應(yīng)該將板子中已經(jīng)存在的程序擦除，選擇有程序的部分，點(diǎn)擊Erase，擦除完成后，點(diǎn)擊Load，選擇自己所建立工程的文件夾中bin文件夾下后綴為“.abs”的文件，點(diǎn)擊打開，下載完成。至此已經(jīng)基本完成了從程序代碼編寫和設(shè)置過程，到下載燒制進(jìn)S12芯片的主要過程；其中也包括程序開發(fā)和調(diào)試的基本步驟。6.1.3數(shù)碼開關(guān)新的S12電路板上將撥碼開關(guān)換成了數(shù)碼開關(guān)，數(shù)碼開關(guān)可以左右旋轉(zhuǎn)并可以按下，開關(guān)有三個輸出端口QESA，QESB，QESP，它們分別與單片機(jī)的PT5-PT7相連。如下圖所示，當(dāng)數(shù)碼開關(guān)順時針旋時，A，B口的電平從右向左變化，依次是10，11，01，00，而當(dāng)數(shù)碼開關(guān)順時針旋時，A，B口的電平從右向左變化，依次是00，01，11，10。圖6-4數(shù)碼開關(guān)電平示意圖因此可通過不斷讀PT5和PT6口判斷開關(guān)是否在旋轉(zhuǎn)并確定方向，通過軟件或硬件計脈沖數(shù)確定旋轉(zhuǎn)量（由于一圈有32個脈沖，所以我將脈沖數(shù)除以5，操作效果較好）。而QESP在位按下時為高電平，按下后即變?yōu)榈碗娖?，所以可用排脈沖捕捉，通過讀標(biāo)志位判斷是否按下。板子上有兩個八段數(shù)碼管可用于數(shù)碼開關(guān)的操作和程序運(yùn)行時的顯示。6.2硬件仿真平臺在傳感器設(shè)計上面，我們使用了Proteus軟件作為主要仿真平臺。Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路。該軟件簡單、高效、易用。主要特點(diǎn)如下：實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。提供軟件調(diào)試功能。具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。該軟件運(yùn)行界面如圖6.5所示圖6.5Proteus軟件運(yùn)行界面利用虛擬示波器可以很方便、很直觀的查看信號波形，并且示波器面板模擬實際示波器面板，簡單易用。如圖6.6.所示圖6.6.Proteus軟件示波器使用6.3硬件開發(fā)平臺硬件設(shè)計制作平臺主要為AltiumDesigner6.9。AltiumDesigner6.9為Protel99se的升級版，在Protel99se的基礎(chǔ)上增加了更多的功能，并且使操作更加方便簡單。AltiumDesigner提供了唯一一款統(tǒng)一的應(yīng)用方案，其綜合電子產(chǎn)品一體化開發(fā)所需的所有必須技術(shù)和功能。AltiumDesigner在單一設(shè)計環(huán)境中集成板級和FPGA系統(tǒng)設(shè)計、基于FPGA和分立處理器的嵌入式軟件開發(fā)以及PCB版圖設(shè)計、編輯和制造。并集成了現(xiàn)代設(shè)計數(shù)據(jù)管理功能，使得AltiumDesigner成為電子產(chǎn)品開發(fā)的完整解決方案－一個既滿足當(dāng)前，也滿足未來開發(fā)需求的解決方案。這款最新高端版本AltiumDesignerWinter09.除了全面繼承包括99SE，Protel2004在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點(diǎn)以外，還增加了許多改進(jìn)和很多高端功能。在PCB部分，AltiumDesigner實現(xiàn)了差分布線，F(xiàn)PGA器件差分對管腳的動態(tài)分配，PCB和FPGA之間的全面集成，從而實現(xiàn)了自動引腳優(yōu)化和非凡的布線效果。互式編輯、出錯查詢、布線和可視化功能，從而能更快地實現(xiàn)電路板布局,支持高速電路設(shè)計，具有成熟的布線后信號完整性分析工具。軟件運(yùn)行界面如圖6.7所示。圖6.7AltiumDesigner6.9運(yùn)行界面6.4調(diào)試及數(shù)據(jù)分析有效的調(diào)試手段，對于及時發(fā)現(xiàn)并解決問題至關(guān)重要。而調(diào)試工具最重要的職能是獲取智能車在行駛時的各項數(shù)據(jù)。我們在調(diào)試中主要使用了如下幾種工具。通過無線模塊，可以將智能車行駛過程中的數(shù)據(jù)實時傳送到電腦，是一種實用高效的調(diào)試手段。我們使用的無線模塊是nRF24L01無線模塊，發(fā)射和接受各需一塊，可以選擇不同的頻道，因為多輛車同時調(diào)試時不會互相影響。圖6.8無線模塊nRF2401另外，我們特意用美國意法半導(dǎo)體公司的STM32制作成遠(yuǎn)程移動終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，他在本次項目中扮演了極其重要的角色，本人中絕大多數(shù)數(shù)據(jù)的采集都靠其采集，存儲，并傳到上位機(jī)上。圖6-11STM32遠(yuǎn)程控制終端

總結(jié)本文詳細(xì)介紹了用于全國智能車大賽參加電磁組賽事的智能賽車軟件與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。硬件部分主要包括車模的調(diào)整、電磁信號采集模塊、起止線檢測模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊。在車模的調(diào)整上，由于車模是由組委會統(tǒng)一提供的，并且不允許對傳動機(jī)構(gòu)作出改動，所以調(diào)整空間并不大。對于前輪的調(diào)整主要影響的是賽車的轉(zhuǎn)向性能，包括前輪的主銷內(nèi)傾角（主銷裝在前軸略向內(nèi)傾斜的角度）、主銷后傾（主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度）、前束等幾方面。對于后輪的調(diào)整主要是差速機(jī)構(gòu)的調(diào)整，它的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動，并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機(jī)。除此之外，對賽車轉(zhuǎn)向舵機(jī)的連桿部分也做出了一些調(diào)整，適當(dāng)加長后的連桿使得賽車在舵機(jī)扭力允許的前提下?lián)碛辛烁斓霓D(zhuǎn)向響應(yīng)。信號采集模塊主要由電磁探頭部分、電磁信號放大部分、霍爾傳感器部分及速度反饋部分組成。信號放大電路的增益在考慮到輸入信號幾十毫伏的幅值與單片機(jī)A/D口0到5伏的采樣范圍以及導(dǎo)引信號20kHz±10%的頻率后決定采用具有2.5伏偏置、100倍放大增益、20kHz中心頻率、4kHz帶寬的帶通放大電路，為了具有上述性能，電路具體實現(xiàn)時使用兩級十倍的帶通放大電路串聯(lián)的形式。放大芯片采用的是NE5532，相比于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動能力和相當(dāng)高的小信號和電源帶寬?；魻杺鞲衅魇怯糜谄鹗季€檢測的傳感器，根據(jù)大賽在賽道起始線會鋪設(shè)一排磁鋼，用霍爾元件檢測起始線電路簡單且選用開關(guān)型霍爾元件后甚至可以不使用單片機(jī)A/D口而用I/O口通過高低電平判斷即可完成檢測。電機(jī)驅(qū)動模塊采用兩片BTS7960B半橋驅(qū)動芯片驅(qū)動，該芯片負(fù)載電流可以達(dá)到43A，而內(nèi)阻只有16mΩ，十分適合賽車使用。速度反饋模塊采用的是與電機(jī)用齒輪嚙合的光電編碼器，通過定時讀取光電編碼器即可達(dá)到測定車速進(jìn)而實現(xiàn)速度閉環(huán)控制的目的。探頭布局方案是硬件中很重要的一環(huán)，本文中給出了在不同路況下不同方向不同高度探頭信號的仿真結(jié)果，并經(jīng)過反復(fù)實驗在雙X方向探頭的基礎(chǔ)上得出了用4個X方向探頭檢測導(dǎo)引線位置的方案，該方案因可以用三段線性函數(shù)來描述導(dǎo)引線位置與探頭型號差值而具有很好的可操作性和準(zhǔn)確性。為彌補(bǔ)該方案賽車姿態(tài)不佳時可能出