MC9S12XSl28單片機的智能循跡小車的硬件設計流程詳解

ID:105323 · 發表于 2016-2-22 23:45

O 引言
　　智能車輛作為智能交通系統的關鍵技術之一，是許多高新技術綜合集成的載體。它體現了車輛工程、人工智能、自動控制及計算機技術于一體的綜合技術，是未來汽車發展的趨勢。本自動循跡小車系統采用數字攝像頭0V6620來采集路面信息，核心控制器MC9S12XSl28則可分析和處理圖像數據，識別道路中央黑色引導線。另外，控制器還可根據道路前方黑色引導線距車體中心線之間的偏差送出控制信號給轉向舵機和電機驅動模塊MC33886，進而控制小車，以實現快速穩定的循跡行駛。
　　1 系統硬件總體架構
　　整個系統可以構成一速度閉環控制系統，其總體框圖如圖1所示。
　　圖中，RS232模塊用于向PC機上傳圖像采集數據，車速檢測采用歐姆龍公司的E6A2CS3C旋轉編碼器來檢測后輪驅動電機速度。

　　2 核心控制板設計
　　本系統的核心控制板實質上是MC9S12XSl28的最小硬件系統。它由時鐘晶振電路、BDM接口電路、復位電路、MC9S12XSl28芯片、濾波電感、電容及接插件等構成。
　　另外，可用BDM(背景調試模塊)來向目標板下載程序。以將MC9S12XSl28內部128KBFLASH中的程序擦除，這是BDM的編程功能。通過單片機只需用一個6針插頭將信息引出并和BDM調試器連接。其中BKGD是背景調試引腳。它可采用自定義協議并通過BDM調試工具進行單線雙向通信，從而進行實時在線調試。
　　3 外圍接口和驅動電路板設計
　　3.1 電源管理模塊
　　整個系統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LM2940-5.0模塊轉換后，可產生5 V電壓分別供給MC9S12XSl28單片機和RS232電平轉換芯片、OV6620攝像頭模塊和光電耦合器件6N137，同時給核心控制器的MC9S12XSl28單片機單獨進行5 V供電以防干擾。單片機和MC33886電機驅動模塊之間則通過光電耦合器件進行連接。電池的7.2 V電壓則直接供給E6A2CS3C光電編碼器、舵機和MC33886驅動模塊。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彩色數字CMOS圖像傳感器，其圖像是NAL制，一幀圖像為356x292像素，數據格式為YCrCb4：2：2，GRB4：2：2和raw GRB。內部的I2C可編程用來調整攝像頭的參數(如最大灰度、對比度、曝光率控制等)，其本質是SCCB協議的寄存器寫入。本設計采用默認模式，OV6620攝像頭模塊和MC9S12XSl28單片機的引腳連接圖如圖4所示。其中：Y0-Y7為灰度信號輸出引腳。由于本系統只需識別道路中黑線，故只需提取數據格式為YCrCb4：2：2中的亮度信號Y。灰度信號Y0-Y7則可送給MC9S12XSl28單片機的B口。

　　SCCB協議寫入的數據信號引腳SDA和數據時鐘引腳SCL分別連接MC9S12XSl28單片機的SCI接口的PS0、PSl引腳。
　　采集圖像數據的時鐘控制信號FODD(奇偶場同步信號)、HREF(行中斷信號)、VSYN(場中斷信號)分別接單片機中ECT。(增強型捕捉定時器)模塊中的PTl、PT2、PT6引腳。利用增強型捕捉定時器模塊的輸入捕捉功能，每個通道可以擁有單獨的中斷向量，各通道分別設置成不同的觸發極性，以滿足HREF(行中斷信號)要通過下降沿捕捉及VSYN(場中斷信號)要通過上升沿捕捉的要求。像素同步信號PCLK被忽略的原因是因為MC9S12XSl28單片機采集圖像的速度比CMOS的圖像輸出慢。
　　通過VTO模擬圖像輸出引腳可以外接監視器來查看采集圖像的質量。
　　3.3 電機驅動模塊
　　驅動電機控制選用MC33886 H橋電機驅動芯片，其整個驅動電路如圖5所示。在此應用中，MC33886的作用是將恒定的直流電源電壓(電池電壓)調制成頻率一定、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。為了增強驅動電機的能力，可將兩片MC33886并聯。而為了提高控制精度，則可將MC9S12XSl28單片機內部的PWM2和PWM3兩個通道8位寄存器級聯成16位寄存器，并從PWM3通道輸出脈沖。同理。可將PWM4和PWM5兩個通道8位寄存器也級聯成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復用，MC9S12XSl28單片機的PP3和PP5引腳輸出的PWM脈沖經器件6N137光耦隔離后，通過信號INl和IN2進入MC33886 H橋輸入端，MC33886 H橋輸出端OUTl和OUT2分別接電機電樞兩端，從而控制電機的四象限運行。

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

　　3.5 舵機模塊
　　本設計采用的是Futaba S3010型號的舵機，其接線如圖7所示。該舵機實質上是一個位置隨動系統，它由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機和控制電路組成，通過內部位置反饋，可使它的舵盤輸出轉角正比于給定控制信號，這樣，在負載力矩小于其最大輸出力矩的情況下，它的輸出轉角就會正比于給定的脈沖寬度。Futaba S3010型號舵機的接口是三根線，黑線(接地)、紅線(電源線)和白色線(控制信號線)。為了提高舵機的響應速度，一般選擇最大的工作電壓7.2 V，并將單片機內部PWM0和PWMl兩路8位輸出級聯成一個16位PWM輸出，然后從PWMl通道輸出脈沖。同時由于PWMl通道和引腳PPl復用，因此，引腳PPl便可輸出控制脈沖給舵機。
　　4 結束語
　　本文介紹了黑線循跡智能車的硬件系統實現方法，實踐證明，該車自動循跡效果好，響應速度快，在規定的賽道上能跑出20秒的好成績，從而證明了該系統硬件設計的正確性。

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