飞思卡尔-智能车入门

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从外观上看，智能车系统主要表现为由一系列的硬件组成，包括组成车体的底盘、轮胎、舵机装置、马达装置、道路检测装置、测速装置和控制电路板等。硬件是智能车系统的基础，没有一个好的硬件平台，智能车就无法运行。而软件部分则是整个智能车系统的灵魂，软件的核心是控制算法，完成这些任务的编程语言有汇编语言和C语言。在智能车竞赛中，硬件往往大同小异，真正决定比赛成绩的往往是软件部分，尤其是核心控制算法的设计。

下面从硬件和软件两个方面来解决一些智能车设计中的问题。

硬件部分：

1. 飞思卡尔智能车的大脑与核心——MC9S12DG128。 MC9S12DG128是飞思卡尔半导体公司的汽车电子类产品，隶属于飞思卡尔单片机的S12系列，其内核为CPU12 高速处理器。MC9S12DG128B拥有丰富的片内资源，flash 达128kb，有16路AD转换，精度最高可设置为10 位；有8路8位PWM并可两两级联为16位精度PWM，特别

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适合用于控制多电机系统。它的串行通信端口也非常丰富，有2路SCI，2路SPI此外还有IIC，CAN总线等端口，并且采用了引角复用功能，使得这些功能引角也可设置为普通的IO 端口使用。此外它内部还集成了完整的模糊逻辑指令，可以简化我们的程序设计。

MC9S12DG128的功能非常强大，也很复杂，但是我们也不需要完全了解，只需要学习智能车制作中用到的几个模块，比如ECT、ADC 、PWM、MDC、PLL、SCI等。S12单片机在使用过程中会涉及到电源、时钟、滤波、IO接口、 复位、BDM接口、串行通讯等各种硬件电路设计，电路布局可以参考飞思卡尔官方用户指导的说明。同时各寄存器模块功能参数也可以查阅用户指导。

2. 智能车动力的源泉——直流电机。

直流电机为智能车提供动力，控制着智能车的车速，是智能车系统的重要部分。在飞思卡尔智能车大赛中，电机涉及到的方面包括驱动电路，电机调速电路，转速测量电路等。

1） 电机驱动电路。

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图1

图1是一个典型实用的简单直流电机调速驱动电路，功率管的选择由电机的功率决定，由于电机启动的时候存在较大的浪涌电流，其标称电流取电机正常工作时电流的3～5倍。PWM信号的占空比决定电机的转速，故电机的调速可通过改变PWM信号的占空比实现。

2） PWM（脉宽调制）调速

在PWM 调速系统中，在电源电压Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值U0取决于占空比的大小， 即改变占空比的值可以改变电枢端电压的平均值，从而达到调速的目的。一般可以采用定宽调频、调宽调频、定

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频调宽三种方法改变占空比的值，但是前两种方法在调速时改变了控制脉宽的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时将会引起振荡，因此常采用定频调宽法改变占空比的。

图2. PWM调速控制输出电压波形

直流电机电枢两端电压：

电机驱动调速电路既可以直接采用MC33886电机驱动芯片，也可以采用大功率MOS管来自行设计电机驱动电路。

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图3. MC33886驱动电路

图4. 大功率MOS管驱动电路

3）. 车速检测

车速检测是通过检测驱动电机的转速来实现的，常用的测速方法有三种：

1. 转角编码盘

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转角编码盘分为绝对位置输出和增量式位置输出两种。一般可使用增量式编码盘。它输出脉冲的个数正比于电机转动的角度，从而使编码盘输出脉冲的频率正比于转速。可以通过测量单位周期内脉冲个数或者脉冲周期得到脉冲的频率。

2.反射式光电检测

反射式光电检测是在后轮齿轮传动盘上粘贴一个黑白相间的码盘，通过安装在码盘侧面的反射式红外传感器，来读取光码盘的转动脉冲。其原理和转角编码盘测速原理是类似的。

图5.光电式脉冲编码器结构

3. 霍尔传感器检测

霍尔传感器是基于霍尔效应原理，将电流、磁场、位移、压力、转速等被测量转换成电动势输出的一种传感器。虽然转换率低、温度影响大，要求转换精度较高

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时必须进行温度补偿，但霍尔传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围大、无触点、寿命长、可靠性高，以及易于微型化和集成电路化等优点。

图6. 三种不同结构的霍尔式转速传感器

图7.测速传感器的安装

3. 光电式传感器布局——光电组

光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变

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化，从而实现非电量的测量。光电式传感器的核心是光电器件，光电器件的基础是光电效应。

各个光电传感器的布局间隔对智能车的运行，是有一定影响的。传感器的间隔是否合适，对过弯的精确性以及防止飞车有很大的影响。设定传感器间隔的原则是：既要满足一定的密度以保证走弯道时轨迹相对精确，又要尽可能拥有大的横向控制范围来防止飞车。若传感器间隔设置合适，当赛道有一点微小的变化时，小车的控制单元就能进行相应的反应（改变前轮转角），从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合，精确性好。

光电式传感器有以下几种布局：

（1）“一”字形布局 : “一”字形布局是传感器最常用的布局形式，即各个传感器在一条直线上，从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在横向上，其排布如下图所示。

图8. “一“字型布局

（2）“八”字形布局: “八”字形布局从横向来看与“一”字形布局类似，但它增加了纵向的特性，从而具有了一定的前瞻性，其排布如图9所示。

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图9. “八”字形布局

（3）“W”字形布局: 为了能够提早地预测到弯道的出现，我们还可以将左右两端的传感器进行适当前置，从而形成“W”形布局，此外，还可利用“W”形布局来检测赛道的弯曲程度。其光电管排布如图10所示。

图10. “W”字形布局

4. 摄像头安装与视频信号采集——摄像头组

图像传感器又称为摄像器件，在智能车设计中非常常见，能够实现可见光、紫外线、X射线、近红外光等的探测。摄像头以隔行扫描的方式采样图像，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对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。

CCD摄像头的性能参数包括灵敏度、分辨率、信噪比、光谱响应、动态范围和暗电流等，摄像头性能的优劣可由上述参数来衡量。

（1）光电转换特性

CCD图像传感器的光电转换特性如图所示。图中x轴表示曝光量，y轴表示输出信号幅值，QSAT表示饱和输出电荷，QDARK表示暗电荷输出，ES表示饱

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和曝光量。

图11. 光电转换特性

（2）灵敏度和灵敏度不均匀性

CCD图像传感器的灵敏度或称为量子效率，标志着器件光敏区的光电转换效率，用在一定光谱范围内单位曝光量下器件输出的电流或电压表示。实际上，图11中CCD光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度，即

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