飞思卡尔智能车

硬件部分：电机 舵机 传感器 车模

电机：主要作用是产生驱动转矩，作为小车的动力源。

舵机：能够转舵并保持舵位的装置，也就是让小车拐弯的装置。

传感器：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，在智能车中，最重要的传感器就是摄像头。

车模：智能车车架，包括底板、齿轮、车轮、电池等等。

主要内容：

•MCU最小系统设计

•电机及舵机驱动电路设计

•光电检测电路原理与设计

•图像检测原理与设计

1． 控制系统的构成

一般控制系统由传感器、控制器和执行器组成。智能车中主要体现：

光电器件或器件构成的寻线传感器。

用于操纵小车行走和转向的执行器。

根据传感器信息控制执行器动作的控制器。

三者之间的关系可用如下的关系图描述:

飞思卡尔杯规定了比赛用车模、控制器所使用的MCU、执行器、传感器的数量等，比赛中硬件设计所涉及的主要工作是：

•设计可靠的MCU控制电路；

•执行器驱动电路；

•传感器电路；

(进行硬件设计的工具很多，建议使用Protel99SE，该软件易上手、效率高，可满足一般电路设计要求。)

MC9S12DG128 的封装    

2 .MCU最小系统设计

MCU最小系统设计分为供电系统设计、复位系统设计、时钟电路设计、BDM调试接口设计、串口通讯设计。

2.1 MCU供电系统设计

    MCU正常工作需要合理供电，为获取良好的抗干扰能力，电源设计很重要。针对此次比赛使用的电池和MCU，在供电系统设计中要充分考虑以下因素的影响：

1.系统供电电源为7.2V镍氢电池组，不能直接为MCU及其它TTL电路供电。

2.为保证较高的行驶速度，驱动电机需使用电池组直接驱动，故电源电压波动较大。

3.转向用舵机工作电压为5V，其启动电流较大，如与MCU共用5V电源，会引入较大的干扰。

4.采用三端稳压器7805存在效率低、抗干扰能力差的缺点。

采用三端稳压器的电源设计:

升降压开关稳压电路

•MCU供电

   飞思卡尔S12系列单片机采用了若干组电源，必须很好的对这些供电电源进行良好的滤波，才能设计出抗干扰能力强的控制器。我们将MCU供电系统分为内部供电和外部供电，内部供电部分按要求采用滤波电容并合理布线即可；外部供电则需要LC滤波为好。

内部供电使用104～224的瓷片电容滤波，PCB布线可参考下图。

        外部供电滤波可采用L型LC滤波电路。

2.2复位系统设计

复位系统：保证系统上电或复位时，使MCU处于一种确定的状态。将MCU的复位引脚置为某一固定电平并保持规定的时间，即可将其设置为复位状态（起始状态）

         Freescale MCU一般使用低电平复位，复位时间因MCU不同而不同（查手册），一般为几ms~几十ms。

•简单复位电路

•采用复位芯片的复位电路

2.3 BDM调试接口设计

•BDM : Background Debug Mode

   BDM是Freescale广泛采用的调试接口，可以实现MCU的动态调试，排除程序设计中的错误。BDM原理框图如下：

•BDM接口只使用RESET、BKGD、GND和VCC即可，一般以IDC6插头形式引出。

•其引脚定义：

•DBM使用中一定要注意：插头且不可接反，否则芯片易损坏。设计时最好使用有定位键的接插件。

2.4串口通讯设计

•Freescale MCU 一般至少带有一个SCI接口，通过一定的外部电路，可实现与PC机串口之间的通讯。

•PC机使用的时RS232形式的接口协议，其信息表达方式不同于一般TTL信息表达方式，需要完成RS232电平与TTL电平之间的转换，以实现PC机与MCU的通讯。

•利用PC机与MCU之间通讯，可方便系统调试。

•SCI（Serial Communications Interface）

   接口有两条信号线RXD和TXD，其中RXD用于接收数据，TXD用于发送数据，两者信号均为TTL电平。

•可使用RS232收发器芯片进行转换，常用的芯片MAX232、SP232等。在设计时，一定要注意芯片适用电压范围，不要用3.3V芯片代替5V芯片。

典型电路:

MCU最小系统原理图：

3．电机及舵机驱动电路设计

Freescale 杯比赛使用的执行器主要是驱动电机和转向舵机。驱动电机需要设计功率驱动电路，转向舵机则只需提供电源和控制信号即可。驱动电机和转向舵机的控制信号一般由MCU的PWM模块产生，其参数的变化由控制软件决定。

3.1 舵机电路设计 

•比赛提供的转向舵机是标准的航模舵机，其接口形式为三线接口，插接件是带有定位键的专用插件。

•靠近定位键侧的为控制信号线，中间为电源线，剩下的一条为地线。

•转向舵机电源电压要按使用说明书要求使用，舵机驱动电流比较大，为其供电的电源应具备提供瞬时大电流的能力，不然会影响其动作速度。

•转向舵机的转向角一般接近±90°，转角与控制信号的关系如下：

脉冲宽度为1.5ms时，舵机处于0 °位置；脉冲宽度为2.5ms时，舵机处于90 °位置；脉冲宽度为0.5ms时，舵机处于－90 °位置。

为使舵机具有一定的保持力矩，需要每50ms加一次控制信号。控制信号频率过高可能会影响舵机的动态性能。

3.2 电机驱动电路设计

•直流电机的转速与流过电枢的电流及电机所带负载有关，控制电机转速的方法很多，最常用的是控制流过电枢的电流，来控制电机转速。

•为控制直流电机正转和反转，需要改变电流流动的方向。

•为电机提供一定的制动能力。

单向电机驱动电路：

电机驱动电路一般都以功率集成电路的形式提供，常见的单向驱动电路BTS442等。

双向驱动电路MC33886,BTS7710,BTS780等。

MC33886典型应用电路：

•利用半桥可以构成驱动能力很强的H桥驱动电路，如利用BTS7960可构成驱动能力很强的直流电机驱动电路。

•设计中注意问题

1.大电流线和接地线要粗。

2.电源滤波好。

3.续流二极管的使用与选取。

4.电磁干扰问题。

5.与电源的引线连接。

4 .光电检测电路原理与设计

•光电检测电路主要用于寻线传感器和转速传感器的设计。比赛中，正确寻线和测量转速是控制车模的必要条件。

•采用光电传感器具有电路简单、响应速度快的优点。缺点是消耗电流较大、抗外界干扰能力差。

•实战中可选择抗干扰能力好，对白色反射能力强、对黑色反射能力弱的光电对管。

•基本原理:

•发光二极管驱动电路可采取常亮驱动；优点是电路简单，缺点是消耗较多的电流，一般驱动电流需要5～50mA。

•采用脉冲供电方式，可节约较多电能，但需要外围电路配合工作。

   。

•光电接收电路设计

   光电接收电路决定系统的抗干扰能力，合理选择门限电平是提高抗干扰能力的重要方法，一般光电接收电路如下。

•对输出信号进行处理，以判断是黑色还是白色。可以使用AD转换，将采样的数据与门限置比较，以确定是白还是黑。

•也可以利用施密特电路，但此方法需要反复调节接收灵敏度。

•为确保电路工作可靠，需对使用的发光管和光敏管进行匹配和筛选。

•选择波长合适的收发管。

•基本原理

    CCD和CMOS的选择

4 .CCD图像检测原理与设计

•摄像头供电设计

•LM1881 视频同步信号分离芯片 

•驱动电路设计

总体原理图

总体PCB