【正文】 整體的軟件設(shè)計(jì)平衡系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計(jì)。 二、 整體 方案設(shè)計(jì)： 在 整體方案設(shè)計(jì)中，分為 這么 幾個(gè)模塊： 硬件方案設(shè)計(jì)：硬件方案包括電源設(shè)計(jì)、 MCU 最小 系統(tǒng) 及外圍電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、 陀螺儀 加速度計(jì)傳感器外圍電路設(shè)計(jì)、 CMOS攝像頭設(shè)計(jì)、人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)（ 包括 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備） 。 軟件 方案設(shè)計(jì)：軟件方案設(shè)計(jì) 包括 MCU 的配置、傳感器陀螺儀加速度計(jì) 的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計(jì)、 PWM 技術(shù)的軟件 實(shí)現(xiàn) 、 PID 算法實(shí)現(xiàn)、CMOS攝像頭軟件設(shè)計(jì)、視覺導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)。 人機(jī) 接口及調(diào)試接 口調(diào)試 軟件設(shè)計(jì) ： 包括輸入輸出設(shè)備（按鍵 、 TFT 液晶等）和 PC 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。 整體 概述 ： 對(duì)于 基于視覺導(dǎo)航的兩輪平衡車，我們可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究將系統(tǒng)分為幾個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)模塊化研究， 使 系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到大幅提高。 我們 可以將車體分為 平衡 系統(tǒng)、 速度 系統(tǒng) 和轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)。 對(duì)于 平衡系統(tǒng)， 我 們可以控制左右電機(jī)的正反向加速運(yùn)動(dòng) 使 系統(tǒng)保持平衡。 對(duì)于 速度系統(tǒng)，我們需要對(duì)系統(tǒng)的速度進(jìn)行測(cè)量并精確控制系統(tǒng)的速度 ， 實(shí)際上是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)速度控制，最后還是演變?yōu)橥ㄟ^控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制速度。 對(duì)于轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)， 通過 控制左右電機(jī)的差速，控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向。 硬件 設(shè)計(jì)： 電源 設(shè)計(jì)： 電源模塊 是整個(gè)系統(tǒng)比較重要的單元，如果電源不穩(wěn)定就 可能 導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)、復(fù)位等癥狀。 根據(jù) 此系統(tǒng)的需要， 系統(tǒng) 由 24V電源供電，本系統(tǒng)需要三種電壓，分別是電機(jī)供電 24V、 MCU 供電 陀螺儀 加速度計(jì)供電 、 編碼器 等供電 5V。主要設(shè)計(jì) 如下： 采用 穩(wěn)壓芯片 LM2940將 24V電源電壓穩(wěn)壓至 5V，給攝像頭、編碼器等外圍設(shè)備供電。 采用 穩(wěn)壓芯片 LM1117 將 5V 電源穩(wěn)壓至 ，給 MCU、陀螺儀加速度計(jì)等供電 。 本供電 系統(tǒng)同時(shí) 采用 了大量電容濾波，保證電源電壓穩(wěn)定 ， 防止系統(tǒng)崩潰。 MCU 最小 系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計(jì) ： MK60FX512VLQ15 MCU 簡(jiǎn)介： MK60FX512VLQ15 是 以 ARM CortexM4F內(nèi)核設(shè)計(jì)，外圍設(shè)備豐富，具有 High speed analogtodigital converter、 FlexTimers、 Low power timer、 Periodic interrupt timer、 CAN、 Serial peripheral interface、 Interintegrated circuit (I2C)、 UART 等 設(shè)備。是飛思卡爾公司 專業(yè) 汽車電子嵌入式 MCU。 ARM CortexM4F Core是 ARM公司基于 ARMv7構(gòu)架 的內(nèi)核，精簡(jiǎn)指令集（ RISC）具有 DSP內(nèi)核和 FPU硬件 浮點(diǎn) 單元。對(duì)于 復(fù)雜 的控制算法具有很好的運(yùn)算 性能 。 復(fù)位 電路設(shè)計(jì)： MK60FX512VLQ15 MCU 是低電平復(fù)位，因此復(fù)位電路 設(shè)計(jì) 如下： 本 系統(tǒng)復(fù)位電路采用簡(jiǎn)單的阻容復(fù)位電路，應(yīng)用簡(jiǎn)單 。阻容 復(fù)位可以再系統(tǒng)上電的時(shí)候自動(dòng)復(fù)位 MCU， 同時(shí)在系統(tǒng) 死機(jī) 或者想要系統(tǒng)重新啟動(dòng)的時(shí)候可以 按下 復(fù)位按鍵 使 系統(tǒng)復(fù)位。 具體 原理如下 ： 由于阻容串連電路中電容 C46兩端電壓不能突變，因此在上電時(shí)， RST 端會(huì)維持一段時(shí)間的低電平起到低電平復(fù)位信號(hào)的作用，隨著 電源通過電阻 R23向電容 C46充電， C46兩端的電壓差逐漸增大，經(jīng)過一段時(shí)間后變?yōu)楦唠娖?，上電?fù)位信號(hào)結(jié)束。 當(dāng) 需要手動(dòng) 復(fù)位時(shí)按下按鍵 S1，電容 C46 兩端被短路放電，按鍵松開后 RST端仍會(huì)維持一段時(shí)間的低電平起到低電平復(fù)位信號(hào)的作用，隨著 Vcc電源通過電阻 R23向電容 C46充電， C46兩端的電壓差逐漸增大，經(jīng)過一段時(shí)間后變?yōu)楦唠娖剑謩?dòng)復(fù)位信號(hào)結(jié)束。 電源設(shè)計(jì)： MK60FX512VLQ15 MCU 是 ，因此電源設(shè)計(jì)如下： 通過 穩(wěn)壓芯片 LM2940將 電源電壓穩(wěn)壓至 5V再 通過 LM1117將 5V穩(wěn)壓至 給 MCU 供電。 晶體 電路設(shè)計(jì)： MK60FX512VLQ15 MCU 時(shí)鐘電路包括兩部分，一個(gè)是芯片的主晶振 給 PLL提供時(shí)鐘 ，用于產(chǎn)生芯片和外設(shè)所需要的工作時(shí)鐘；另外一個(gè)是實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC 的時(shí)鐘 電路，實(shí)時(shí)時(shí)鐘（ RTCReal Time Clock）提供一套計(jì)數(shù)器在系統(tǒng)上電和關(guān)閉操作時(shí)對(duì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量 需要主晶體，因此電路設(shè)計(jì)如下： MK60FX512VLQ15 MCU 時(shí)鐘系統(tǒng)如下： 調(diào)試 接口 JTAG電路設(shè)計(jì)： MK60FX512VLQ15 MCU 使用的是 ARM CortexM4F內(nèi)核，該內(nèi)核內(nèi)部集成了聯(lián)合測(cè)試行為組織 JTAG 接口，通過 JTAG 接口可以實(shí)現(xiàn)程序下載和調(diào)試功能。 JTAG(Joint Test Action Group；聯(lián)合測(cè)試工作組 )是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（ IEEE 兼容），主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試?，F(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 DSP、 FPGA 器件等。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是 4 線： TMS、 TCK、 TDI、 TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù) 輸出線。 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)串行的移位寄存器。寄存器的每一個(gè)單元分配給 IC 芯片的相應(yīng)引腳，每一個(gè)獨(dú)立的單元稱為 BSC（ BoundaryScan Cell）邊界掃描單元。這個(gè)串聯(lián)的 BSC 在 IC 內(nèi)部構(gòu)成 JTAG 回路，所有的 BSR（ BoundaryScan Register）邊界掃描寄存器通過 JTAG 測(cè)試激活，平時(shí)這些引腳保持正常的 IC 功能。 JTAG 引腳定義： TCK—— 測(cè)試時(shí)鐘輸入； TDI—— 測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過 TDI輸入 JTAG 口； TDO—— 測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過 TDO從 JTAG 口輸出； TMS—— 測(cè)試模式選擇， TMS用來設(shè)置 JTAG 口處于某種特定的測(cè)試模式。 TRST—— 測(cè)試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 模塊電路設(shè)計(jì)： 此視覺 導(dǎo)航平衡車系統(tǒng)采用 24V 直流電機(jī)，為此設(shè)計(jì)了一塊基于 BTS7970B 的電機(jī)驅(qū)動(dòng) 。 電路 設(shè)計(jì) 如下圖： 此 電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用了 英飛凌 公司的 BTS7970B 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 。 該 芯片具有 PWM頻率高，輸出方波穩(wěn)定，具有自動(dòng)保護(hù)功能。 同時(shí) 內(nèi)部使用MOS管設(shè)計(jì)，導(dǎo)通電阻 小 ，導(dǎo)通電流大。 陀螺儀 加速度計(jì)電路設(shè)計(jì)： 此視覺 導(dǎo)航平衡車系統(tǒng)采用 MPU6050陀螺儀 加速度計(jì)集成芯片 。 MPU6050整合了 3軸陀螺儀、 3軸加速器，并含可藉由第二個(gè) I2C 端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運(yùn)動(dòng)處理 (DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要 I2C 端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的 9軸融合演算技術(shù) InvenSense 的運(yùn)動(dòng)處理資料庫(kù)，可處理運(yùn)動(dòng)感測(cè)的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對(duì)操作系統(tǒng)的負(fù)荷，并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的 API。 MPU6050的角速度全格感測(cè)范圍為177。 250、177。 500、177。 1000與177。 20xx176。 /sec (dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍為177。2g、177。 4g177。 8g與177。 16g。產(chǎn)品傳輸可透過最高至 400kHz 的 IC 或最高達(dá) 20MHz 的SPI（ MPU6050 沒有 SPI）。 MPU6000 可在不同電壓下工作， VDD 供電電壓介為177。 5%、 177。 5%或 177。 5%，邏輯接口 VVDIO供電為 177。 5%（ MPU6000僅用 VDD）。 MPU6000 的包裝尺寸 (QFN)， 在業(yè)界是革命性的尺寸。 其他的特征包含內(nèi)建的溫度感測(cè)器、包含在運(yùn)作環(huán)境中僅有177。 1%變動(dòng)的振蕩器。 電路 設(shè)計(jì)如下圖： 攝像頭 電路 設(shè)計(jì)： 攝像頭 一般具有視頻攝像 /傳播和靜態(tài)圖像捕捉等基本功能，它是借由鏡頭采集圖像后，由攝像頭內(nèi)的感光組件電路及控制組件對(duì)圖像進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換成電腦所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后借由并行端口或 USB 連接輸入到電腦后由軟件再進(jìn)行圖像還原。 攝像頭的工作原 理 ：景物通過鏡頭 (LENS)生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過 A/D (模數(shù)轉(zhuǎn)換 )轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，再送到數(shù)字信號(hào)處理芯片 (DSP)中加工處理，再通過 USB 接口傳輸?shù)诫娔X中處理，通過顯示器就可以看到圖像了。 此視覺 導(dǎo)航平衡車系統(tǒng)采用 比亞迪 公司的 CMOS攝像頭 BF3003U， 比亞迪 公司提供各類 CMOS， CCD圖像處理解決方案，產(chǎn)品涉及手機(jī)攝像頭模組，筆記本攝像頭模組，安防攝像頭，車載攝像頭及光電導(dǎo)航模塊等 。 BF3003U 是一款車載攝像頭 。 電路 設(shè)計(jì)如下圖： 軟件 設(shè)計(jì)： 硬件 電路設(shè)計(jì)是系統(tǒng) 功能 實(shí)現(xiàn)的保證，軟件 設(shè)計(jì) 是 系統(tǒng) 控制理論的實(shí)現(xiàn) 。 本系統(tǒng) 采用 IAR Systems公司的 IAR Enbedded Workbench for arm集成 開發(fā)環(huán)境。IAR Enbedded Workbench for arm 適用于 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)試的每一個(gè)階段， IAR Enbedded Workbench for arm 含有 很多模塊， 包括：帶有 C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機(jī)建模工具。 需要使用的資源配置： 此視覺 導(dǎo)航平衡車系統(tǒng)采 用 飛思卡爾 MK60FX512VLQ15 MCU ，MK60FX512VLQ15 是 以 ARM CortexM4F內(nèi)核設(shè)計(jì)， 具有 IEEE 1558以太網(wǎng)，全速和高速 USB OnTheGo 帶設(shè)備充電探測(cè)、硬件加密以及防篡改探測(cè)能力，具有豐富的模擬、通信、定時(shí)和控制外設(shè)、單精度浮點(diǎn)單元、 NAND閃存控制器和DRAM控制器，如 High speed analogtodigital converter、 FlexTimers、 Low power timer、 Periodic interrupt timer、 CAN、 Serial peripheral interface、 Interintegrated circuit (I2C)、 UART 等 設(shè)備 ，從 144LQFP封裝 256KB 閃存開始可擴(kuò)展到 256MAPBGA 1MB 內(nèi)存 。是飛思卡爾公司 專業(yè) 汽車電子嵌入式 MCU。 ARM CortexM4F Core是 ARM公司基于 ARMv7構(gòu)架 的內(nèi)核，精簡(jiǎn)指令集（ RISC）具有 DSP 內(nèi)核和 FPU 硬件 浮點(diǎn) 運(yùn)算 單元。對(duì)于 復(fù)雜 的控制算法具有很好的運(yùn)算性能 。 軟件 設(shè)計(jì)分為 PWM輸出 模塊 、 陀螺儀 加速度計(jì)采集模塊、 周期 中斷定時(shí)器模塊、互補(bǔ)濾波算法 及 平衡控制模塊、 速度采集 及 速度控制模塊、 CMOS攝像頭采集 處理 算法及 轉(zhuǎn)向 模塊。 （ Pulse Width Modulation） 輸出 模塊： 脈寬調(diào)制（ PWM）基本原理：控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正 弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PWM 控制電機(jī)原理：利用 MCU 的 PWM 端口 ，固定 PWM 的周期，通過改變PWM的占空比，從而控制輸出的電壓 。 以達(dá)到控制速度的 目的 。 通過 MK60FX512VLQ15 MCU 內(nèi)部的 FTM 模塊可以實(shí)現(xiàn) 脈寬 調(diào)制 波形 （ PWM）輸出 。具體的配置如下： FTM0MODE |= FTM_MODE_WPDIS_MASK。 FTM0MODE amp。= ~FTM_MODE_FTMEN_MASK。 FTM0QDCTRL amp。= ~FTM_QDCTRL_QUADEN_MASK。 FTM0SC amp。= ~FTM_SC_CPWMS_MASK。 FTM0CONTROLS