【正文】 tem。該系統(tǒng)將Freescale16位單片機(jī)MC9S12XS128作為系統(tǒng)微控制器，設(shè)計了單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動電路、舵機(jī)驅(qū)動電路、路徑識別電路及對管定位電路，并介紹了電路相關(guān)參數(shù)的計算方法。在小車自動停車入庫系統(tǒng)中，小車通過采集道路信息、交通燈信息以及車庫信息，自動從車場入口行駛至指定空車位，并準(zhǔn)確停車入庫。 Image sampling。除了要學(xué)習(xí)測控的理論知識外，還要進(jìn)行相關(guān)實踐的訓(xùn)練，以提高解決實際問題的能力，加深對知識的理解。對于大四的學(xué)生，可以將其作為畢業(yè)設(shè)計深入研究，更好的了解現(xiàn)在社會上嵌入式發(fā)展的形勢。因為車輛入庫是按照空余車位指定的路線自動行駛停放的，從而解決了車庫排隊擁擠和停車安全的問題，減少了車主停車的時間。城市交通需求量不斷增大，城市人口又相對密集，無論是私家車還是公交車輛都很難滿足正常停放，一方面車主對停車的安全性和便利性都產(chǎn)生了新的需求，另一方面更加科學(xué)有效地管理車場，提高車場的使用率和安全性，已經(jīng)成為現(xiàn)在研究的熱門[1]。在此基礎(chǔ)上設(shè)計智能車自動進(jìn)入車庫并準(zhǔn)確停入空余車位，這部分主要包括識別交通燈和定位空車位兩部分。第二章 總體設(shè)計 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)智能小車系統(tǒng)的功能模塊主要有：控制核心(MCU)模塊、電源管理模塊、交通燈檢測模塊、路徑檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、舵機(jī)控制模塊以及輔助調(diào)試模塊，在這次自動入庫的設(shè)計中還有一個紅外傳感器模塊，用于準(zhǔn)確尋找空余車位。其中微控制器選用Freescale公司的MC9S12XS128開發(fā)模塊；電源管理模塊為開發(fā)模塊、各傳感器、舵機(jī)以及直流電機(jī)提供電源；圖像采集模塊采用面陣CCD攝像頭；舵機(jī)控制模塊用來控制小車轉(zhuǎn)向的，模塊化舵機(jī)只要送入脈寬調(diào)制信號就可控制其轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角，控制主要是通過單片機(jī)片內(nèi)資源PWM配合編程實現(xiàn)；直流電機(jī)驅(qū)動模塊為車后輪直流電機(jī)驅(qū)動。為了提高小車對車場環(huán)境的適應(yīng)能力，實現(xiàn)其自主沿著車道快速而穩(wěn)定的行駛，要選擇合適的采集賽道信息傳感器，設(shè)計合理的路徑識別方，以確保獲取足夠多、足夠遠(yuǎn)、足夠精確的車道信息來提高小車的運(yùn)行速度。這種方案的優(yōu)點是電路簡單，信號處理速度快。其缺點是磁場受附近車道上磁場影響較大，而且不同傳感器對磁場感應(yīng)的變化規(guī)律有很大的差距[4]。攝像頭的選擇也存在兩種方案，一種是采用CCD圖像傳感器，其是以PAL制式信號輸出到CCD信號處理模塊并進(jìn)行同步信號分離，連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)和同步信號同時輸入到S12單片機(jī)控制核心，進(jìn)行進(jìn)一步的圖像處理。雖然CMOS傳感器具有電源功耗低、感光度高的特點，但其受環(huán)境影響較大，適應(yīng)性較差[5]。但總的來說，各種方案都是使用攝像頭來對交通燈進(jìn)行信息采集的。實際證明這種方案并不合理，首先在小車上安裝光敏電阻相對麻煩，而且電路連接較為混亂。 系統(tǒng)硬件安裝 智能車系統(tǒng)硬件安裝智能車上的硬件有：車輪、舵機(jī)、路徑采集攝像頭、交通燈采集攝像頭、電機(jī)、主控芯片、電源驅(qū)動一體化電路、紅外接收管、視頻分離電路。圖22 智能車硬件安裝示意圖其中最關(guān)鍵的部分是攝像頭的安裝，出于對車身重心位置以及探測前瞻量的考慮，攝像頭最好裝在車體前部，以平衡重心并獲得較大的前瞻量。其次便是紅外對射管的安裝，智能車在兩處需要用紅外對管定位，一處是車庫門前，另一處是在路口。交通燈需要安裝十字路口，受到CCD攝像頭采集有效距離的影響，攝像頭要安裝在靠近車的路口，同時位置要高于攝像頭支桿。圖23 車場系統(tǒng)安裝示意圖第三章 硬件設(shè)計 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)MC9S12XS128簡介我們選用飛思卡爾公司的MC9S12XS128作為系統(tǒng)的主控芯片，其隸屬于MC9S12X系列。其系列單片機(jī)最大的優(yōu)點是添加了一個平行處理的外圍處理器XGATE模塊，該模塊是一個可編程的16位RISC核心，設(shè)計的最高運(yùn)行速率可達(dá)100MHz。因為本次設(shè)計需要的引腳較多，所以選用的是112引腳的封裝。通常時鐘電路的連接方法有三種：串聯(lián)型、并聯(lián)型和使用外部有源振蕩器[13]。在設(shè)計時鐘電路PCB時要注意下面三點：（1） 晶振體的周圍盡量不要有線路，特別是對信號質(zhì)量要求高的器件連線；（2） 為了保證單片機(jī)的穩(wěn)定性和避免晶振對周圍電路造成干擾，它們之間的連線要盡量短，盡量寬；（3） 為了阻擋晶振體的噪聲，可以將地線包圍和覆蓋在其周圍，這樣也可以避免其他信號的干擾。復(fù)位電路如圖32所示。 BDM接口電路設(shè)計BDM模塊可以實現(xiàn)程序下載、讀寫存儲器/寄存器、硬件斷點、條件斷點、單步運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行等全部在線調(diào)試功能，而只需要簡單的外部接口電路。按照第二種方式設(shè)計的BDM接口電路如圖33所示。 電源電路設(shè)計電源模塊的設(shè)計是為整個系統(tǒng)提供所需的電源，所以首先需要設(shè)計出滿足要求的電壓電流，其次需要考慮電源轉(zhuǎn)換率和噪聲等方面，穩(wěn)定可靠的電源是整個硬件電路穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在常用的5V穩(wěn)壓芯片有LM780LM2940等，其中LM7805內(nèi)部功率損耗大，全部壓降均轉(zhuǎn)換成熱量損失了，電源效率比較低，因此選用LM2940作為5V穩(wěn)壓芯片。舵機(jī)工作時需要的工作電流一般在幾十毫安左右，且電壓無需十分穩(wěn)定，所以這里選用LM2941作為穩(wěn)壓芯片。6V穩(wěn)壓電路原理圖如圖35所示。此外輸出電壓的穩(wěn)定性；也取決于R1和R2的穩(wěn)定性；即電阻穩(wěn)定性好，則電路就不會因溫度等因素而引起輸出電壓的不穩(wěn)定，所以這兩個電阻不能太小或者不接。其輸入的工作電壓為3～40V，工作頻率為100KHz，基準(zhǔn)度為2%。當(dāng)比較器的輸入電平低于閥值電平時，與門的D輸入端表現(xiàn)為高電平，反之，則表現(xiàn)為低電平。當(dāng)該電阻上的壓降接近于300mV時，電流限制功能便被啟用，主要是通過對CT引腳上定時電容進(jìn)行快速充電，從而減少充電時間和輸出開關(guān)管的導(dǎo)通時間，其結(jié)果是輸出開關(guān)的關(guān)閉時間減少，電路中的電流大小下降，達(dá)到電流限制功能[19]。 （32）根據(jù)MC34063工作頻率等特性，可以計算出定時電容CT的大小為470pF,濾波電容C和C0的大小都為100uF。運(yùn)行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，組成部分有轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器等?！?，堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)24A。如要使電機(jī)轉(zhuǎn)動，就要使位于對角上的三極管導(dǎo)通，根據(jù)導(dǎo)通情況不同，電流會從左至右或從右至左的流過電機(jī)，從而達(dá)到對單片機(jī)的正反控制。H橋示意圖如圖37所示。其內(nèi)部含有一個N溝道的低邊MOSFET、一個P溝道的高邊MOSFET和一個驅(qū)動IC，驅(qū)動IC具有電流診斷、邏輯電平輸入、斜率調(diào)節(jié)和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)等功能。將IN腳與單片機(jī)的PWM輸出口連接，當(dāng)IN為高電平且INH為高電平時，高邊MOSET三極管導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；當(dāng)IN為低電平且INH為高電平時，低邊MOSET三極管導(dǎo)通，OUT引腳輸出為低電平。圖38 電機(jī)驅(qū)動電路圖中RRR5和R6為電路的限流電阻，起保護(hù)電路的作用，防止過大的感應(yīng)電壓對芯片內(nèi)部邏輯電路造成傷害，根據(jù)實驗選用阻值10K比較理想。攝像頭的主要組成部分有鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路。具體過程是攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的電壓視頻信號，該電壓信號的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。場同步脈沖標(biāo)志著新的一場的到來，但是場消隱區(qū)恰好跨在下一場的開始部分和上一場的結(jié)尾部分，只有等場消隱區(qū)過去，下一場的視頻信號才真正到來[21]。經(jīng)示波器測試有效視頻信號的電壓范圍為2～3V。圖310 攝像頭圖像采集電路如上圖所示CVBS引腳（即2腳）為視頻信號輸入端，在其之前接一個電容濾除雜波，與此同時視頻信號也接入單片機(jī)的AD0口；VSYNC引腳（即3腳）為場同步信號輸出端，與單片機(jī)輸入捕捉端口PT1連接，當(dāng)攝像頭信號的場同步脈沖到來時，該端將變?yōu)榈碗娖?，一般維持230us，然后重新變回高電平；CSYN引腳（即2腳）為行同步信號輸出端，與單片機(jī)輸入捕捉端口PT0連接，當(dāng)信號中的行同步脈沖到來時，該端將變?yōu)榈碗娖?；ODD引腳為奇偶同步信號輸出端，當(dāng)攝像頭信號處于奇場時，該端為高電平，當(dāng)處于偶場時，為低電平。舵機(jī)的控制是智能車尋跡行走的關(guān)鍵，要求舵機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有準(zhǔn)確的角度控制和快速響應(yīng)的能力。舵機(jī)內(nèi)部含有一個基準(zhǔn)電路，它可以產(chǎn)生周期為20ms，將電位器電壓與直流偏置電壓進(jìn)行比較獲得電壓差輸出，最后電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。由此可推導(dǎo)出舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度與脈沖寬度的計算公式，如果要求舵機(jī)轉(zhuǎn)動X度，則脈沖高電平時間T的計算如式33所示。 紅外對管電路 紅外線是光譜中波長從760至400微米的電磁波，其是不可見光線，人眼無法識別，紅外線可用于檢測的優(yōu)點是受其他光線影響較小。在沒有光照時，反向電流很?。ǎ?，稱為暗電流。如果外電路上存在負(fù)載，負(fù)載上的電壓信號就會隨之光強(qiáng)度的變化而變化。圖312 紅外接受管電路由紅外接受管的特性可知，在輸出和正極之間串連一個1K左右的上拉電阻可直接接單片機(jī)的IO口，當(dāng)紅外接收管沒有檢測到信號時，其信號輸出端在上拉電阻的作用下呈現(xiàn)高電平；當(dāng)有紅外信號射向接收管時，其輸出端呈現(xiàn)為低電平。當(dāng)cx的值為0時，執(zhí)行自動循跡子程序，通過單片機(jī)內(nèi)部AD對CCD攝像頭的數(shù)據(jù)采集，判斷出小車與中心黑線的偏差，將偏差送給舵機(jī)1子程序，調(diào)整小車的狀態(tài)；當(dāng)cx的值為1時，說明小車已經(jīng)行駛到十字路口，同樣用AD將信號燈的數(shù)據(jù)采集出來，通過辨別信號燈的指向，確定小車的轉(zhuǎn)向。如果想要系統(tǒng)有更加快速的運(yùn)行速率，那么可以通過提高內(nèi)部總線時鐘頻率的方法實現(xiàn)，但過高的外部時鐘容易受到干擾，同時其也會影響其他器件的正常工作。?BUSCLK=?PLLCLK/2=?VCOCLK/2=?OSCCLK?(SYNR+1)/(REFDV+1) （41）上式中?OSCCLK為外部振蕩器的頻率，即?OSCCLK等于16MHz；REFDV的值由時鐘分頻寄存器的后5位確定，為了使鎖相環(huán)穩(wěn)定，應(yīng)該選擇盡可能大的REFDV，綜合考慮到其他因素，程序中設(shè)置其值為1；SYNR的值由時鐘合成寄存器的后5位決定，設(shè)計中要求內(nèi)部總線的時鐘頻率達(dá)到40MHz，所以這里設(shè)置時鐘合成寄存器的值為0x44，即SYNR的值為4。捕捉端口PTO用于檢測視頻的行同步信號，捕捉端口PT1用于檢測視頻的場同步信號，捕捉端口PT2用于檢測交叉口的對管信息，捕捉端口PT3用于檢測右車庫信息，捕捉端口PT4用于檢測左車庫信息。PIT模塊的工作原理是：通過片內(nèi)總線時鐘的8位微計數(shù)器減一操作完成，當(dāng)此微計數(shù)器的數(shù)值減到0時，就會觸發(fā)高16位計數(shù)器做一次減一操作，如此循環(huán)計數(shù)直到這兩個計數(shù)器的數(shù)值都減到0，則就會產(chǎn)生定時器溢出中斷，從而完成計時功能。T =(A+1)?(B+1)/?BUSCLK （42）在上面已經(jīng)設(shè)計了系統(tǒng)內(nèi)部總線的時鐘頻率為40MHz，這部分設(shè)計要求定時最小時間為100ms，再通過這個時間進(jìn)行更大時間的計時，則A的值為19999，B的值為199。MCS12XS128內(nèi)置的PWM模塊包括8路具有可編程周期和占空比的PWM通道，亦可通過設(shè)置變?yōu)?個16位的PWM通道，每個通道由獨立運(yùn)行的8位通道計數(shù)器、通道周期寄存器和占空比寄存器等組成[30]。選擇時鐘SA作為通道1和5的時鐘源，選擇時鐘SB作為通道3的時鐘源，即時鐘選擇寄存器的值為0x2a；PWM的周期可由通道周期寄存器（PWMPER）來設(shè)置，周期計算如式43所示。轉(zhuǎn)換方法可以利用專用的AD轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，這種方法轉(zhuǎn)換速度較快，但需要設(shè)計相關(guān)的外圍電路，也可以用XS128單片機(jī)內(nèi)置的AD模塊，為了充分開發(fā)單片機(jī)的內(nèi)部資源，這里使用第二種方法。?ATDCLK=?BUSCLK/(2?(PRS+1)) （45）上式中的PRS由控制寄存器4（ATDCTL4）后四位對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)決定，設(shè)置AD時鐘預(yù)分頻因子時，所以設(shè)置控制寄存器4的值為0x04，ATDCTL4的高4為決定了采樣時間與轉(zhuǎn)換時間的倍數(shù)，即采樣時間是AD轉(zhuǎn)換時間的4倍，所以AD的進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換所需的時間為1微妙，而CCD攝像頭輸出信號每行持續(xù)的時間為40毫秒，也就是說通過單片機(jī)內(nèi)部AD每行可以采集40點，但實際實驗中每行只能采集20點。對于每個點采集到的數(shù)據(jù)，可以直接用于數(shù)據(jù)處理，也可以對其先進(jìn)行二值化再做數(shù)據(jù)處理，因為車道是在白色底板上鋪設(shè)黑色引導(dǎo)線，因此干擾比較小，黑線與白色低板在攝像頭中轉(zhuǎn)換的電壓值差距很大，根據(jù)實驗可知，黑線在單片機(jī)中反應(yīng)的數(shù)字量在90左右，而白色底板在單片機(jī)中反應(yīng)的數(shù)字量在140左右，所以設(shè)置二值化的閥值為130。圖42 攝像頭采集數(shù)據(jù)流程圖通過AD采集的數(shù)據(jù)首先存放在數(shù)組get_n[]中，如果采集的數(shù)據(jù)是信號燈信息，則可直接存入包含行信息的數(shù)組a[][]，如果所采集數(shù)據(jù)是道路信息則需要對其進(jìn)行二值化處理，然后將其存入數(shù)組a[][]。圖43 引導(dǎo)線提取流程圖 上圖中參數(shù)error為小車偏離引導(dǎo)線的相對距離，其為正數(shù)時小車位于引導(dǎo)線的左側(cè)，需要對舵機(jī)進(jìn)行右打輪。與之不同的是不用對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化，而是直接用程序?qū)ふ业綌?shù)據(jù)中的最大值，因為亮色在攝像頭中的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于暗色的電壓，而實驗中信號燈可分為左中右三個燈，同一時間只有一個燈亮，將一幅圖像分為左中右三部分，根據(jù)數(shù)據(jù)最大值在圖像中的位置，便可分辨出信號燈的指向。因為小車收到車庫紅外發(fā)射器信號的時候，安置接受器的車頭位于車庫最前方，要讓小車安全進(jìn)入車庫仍需要前行一段距離。因為停車場設(shè)計里面將道路設(shè)計成雙車道，按照我國的交通行駛規(guī)則，小車是在道路右側(cè)的，靠近右側(cè)車庫而遠(yuǎn)離左側(cè)車庫，所以停入左側(cè)車庫與停入右側(cè)車庫的程序有所不同。之后將小車前輪打正。第五章 總結(jié)時光飛逝，4個多月的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，雖然這一學(xué)期一直都很緊張，但每天都過的充實有意義。在做畢業(yè)設(shè)計的過程中，我不僅復(fù)習(xí)查閱了單片機(jī)和硬件電路方面的知識，而且學(xué)習(xí)了不少新的軟件知識。建議下一屆使用外部AD轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計合理AD模塊硬件電路；在采集道路信息和信號燈信息中，使用了兩個CCD攝像頭，為節(jié)約資源最好使用舵機(jī)控制