【正文】 .......................................................................... 27 交通燈模塊程序設計 ............................................................................................... 28 小車自動入庫程序設計 ........................................................................................... 29 第五章 總結 ............................................................................................................................ 31 參考文獻 .................................................................................................................................. 32 附錄 A：系統(tǒng)硬件仿真 原理圖 .............................................................................................. 34 附錄 B1：最小系統(tǒng) PCB 原理圖 ........................................................................................... 35 附錄 B2：電機驅動 PCB 原理圖 ........................................................................................... 35 附錄 B3：電源模塊 PCB 原理圖 ........................................................................................... 36 附錄 C：系統(tǒng) C 語言源程序 .................................................................................................. 37 1 第一章 引言 設計背景及意義 智能停車場實驗室是我校信息工程學院為本科研究生實踐訓練和課程研究搭建的模擬平臺，該實驗室可以為自動化和測控專業(yè)在數(shù)字電路實驗、模擬電路實驗和嵌入式實驗等方向上提供支持，為我院學生的學習生活又增添了一種新的方式。在此平臺上能夠實現(xiàn)自動停車和車庫設計兩方面的功能，其中自動停車方面可以研究自動循跡、信號燈識別、圖像識別以及 PWM 控制等，車庫設計方面可以研究空位查詢、各種安全報警以及停車信 息系統(tǒng)管理等。這部分要實現(xiàn)的主要功能是：智能車在攝像頭的配合下， 能夠 自動識別指定 道路 并沿著 道路 上的引導線行駛 。 現(xiàn)在做路徑識別的技術很多，方法也 是千差萬別，但其目的都是為小車尋到前進的方向，現(xiàn)在分析下面三種方案的利弊。 交通燈識別方案分析 現(xiàn)在各學科對識別交通燈的研究很多，依據(jù)的理論也各不相同。安裝位置過低，會導致視野不夠開闊，使得有效的路徑識別范圍縮小；安裝位置過高，又會導致黑色引導線變得過窄而無法被檢測到，而且會使智能車系統(tǒng)重 心抬高，從而降 7 低了其穩(wěn)定性。 MC9S12X 系列單片機目前有一下幾個子系列： MC9S12XA 系列、 MC9S12XB 系列、 MC9S12XD 系列、MC9S12XE 系列、 MC9S12XS 系列 [11]。當按鈕被按下時， 復位引腳被拉到低電平，單片機進入復位狀態(tài)。 5V穩(wěn)壓電路原理圖如圖 34 所示。因為充電和放電的電流都是恒定的，所以振蕩器的振蕩頻率完全取決于定時電容的容量。因為直流電機速度控制性能優(yōu)良，其輸出轉矩較大，可直接拖動后輪負載，重要的是可通過調節(jié)控制脈沖直接控制轉速和方向。 使用兩片 BTS7960 構成電機全橋驅動，一片就相當于一側的半橋。因為攝像頭是隔行掃描的方式，所以攝像頭跳過一行后，就開始掃描新的一行，如此下去直到掃描完該場的視頻信號。 舵 機 插 頭 紅 線白 線黑 線 圖 311 舵機接線圖 單片機的 PWM控制信號傳給舵機的紅色端口，通過占空比的不同來控制舵機的位置。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電 流也越大，這種特性稱為光電導 。 與鎖相環(huán)相關的寄存器有時鐘分頻寄存器（ REFDV）、時鐘合成寄存器（ SYNR）、鎖相環(huán)控制寄存器、時鐘產生標志寄存器、時鐘后分頻寄存器以及時鐘選擇寄存器。 24 PWM 模塊初始化設計 脈沖寬度調制 PWM 是嵌入式應用系統(tǒng)的常用功能之一，即產生一個在低電平和高電平之間交替重復的方波輸出信號，通過軟件編程可以調節(jié)方波信號波形的占空比、周期以及 相位。 道路模塊程序設計 道路信息采集程序設計 道路模塊主要實現(xiàn)的功能是通過采集道路黑線信息調整小車的狀態(tài)，上面已經(jīng)介紹了通過單片機內部 AD 可以對畫面上每行采集 20 個點，由 CCD 攝像頭的原理可知，每場畫面上包含 300 行左右，而這里并不需要對每一行的信息都進行采集，而且又考慮單片機的運行速率，設計中設置每場畫面采集 37 行，采集的行信息用數(shù)組 get_n[]來表示。 ?ATDCLK=?BUSCLK/(2?(PRS+1)) （ 45） 上式中的 PRS 由控制寄存器 4（ ATDCTL4）后四位對應的十進制數(shù)決定 ，設置 AD時鐘預分頻因子時，要使 ?ATDCLK 的值不小于 ，同時不大于 ，所以設置控制寄存器 4 的值為 0x04， ATDCTL4 的高 4 為決定了采樣時間與轉換時間的倍數(shù)，即采樣時間是 AD 轉換時間的 4 倍，所以 AD 的進行一次轉換所需的時間為 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內部 AD 每行可以采集 40 點，但實際實驗中每行只能采集 20 點。 T =(A+1)?(B+1)/?BUSCLK （ 42） 在上面已經(jīng)設計了 系統(tǒng)內部總線的時鐘頻率為 40MHz，這部分設計要求定時最小時間為 100ms，再通過這個時間進行更大時間的計時，則 A 的值為 19999， B 的值為 199。如果想要系統(tǒng)有更加快速的 運行速率，那么可以通過提高內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。在沒有光照時，反向電流很?。ㄒ话阈∮?） ， 稱為暗電流。 舵機的控制是智能車 19 尋跡行走的關鍵，要求舵機驅動的轉向機構具有準確的角度控制和快速響應的能力。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。其內部含有一個 N 溝道的低邊 MOSFET、一個 P 溝道的高邊 MOSFET 和一個驅動 IC，驅動 IC具有電流診斷、邏輯電平輸入、斜率調節(jié)和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護等功能。運行時轉動的部分稱為 轉子 ，其主要作用是產生 電磁轉矩 和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為 電樞 ，組成部分有轉軸、電樞鐵心、 電樞繞組 、 換向器 等。其輸入的工作電壓為3～ 40V， 工作頻率為 100KHz，基準度為 2%，控制的開關電流達到 ?，F(xiàn)在常用的 5V 穩(wěn)壓芯片有 LM780 LM2940 等，其中 LM7805 內部功率損耗大，全部壓降均轉換成熱量損失了，電源效率比較低，因此選用 LM2940 作為 5V 穩(wěn)壓芯片。復位電路如圖 32 所示。其系列單片機最大的優(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，設計的最高運行速率可達 100MHz。 俯 視 圖左 庫 紅 外 對 管右 庫 紅 外 對 管 路 口 紅 外 對 管電 機1 71 15251 0 1 2主 控 電 路2 7 . 5舵 機路 徑 C C D交 通 燈 C C D單 位 ： c m左 視 圖 圖 22 智能車硬件安裝示意圖 其中最關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。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，適應性較差 [5]。為了提高小車對車場環(huán)境的適應能力，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，設計合理的路徑識別方，以確保獲取足夠多、足夠遠、足夠精確的車道信息來提高小車的運行速度。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生了新的需求，另一方面更加科學有效地管理車場，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]。 Image sampling。 測控技術與儀器專業(yè)是一個理論與實踐并重的專業(yè)，理論性與應用性都極強。 在小車 行駛 的過程中，利用了 攝像頭 對 道路 進行感測，得到的數(shù)據(jù)送交單片機，單片機 處理 得到的數(shù)據(jù)，通過 PWM波控制 車頭 舵機的轉動， 從而調整小車的相對位置， 以達到自動尋跡的目的。 （一）、基于光電傳感器的路徑識別方案 對于飛思卡爾大賽來說，基于光電傳感器來進行路徑識別是完全可行的，因為賽道是在白色賽道上識別中間的黑色，可以在小車前面裝上光敏器件，光敏電阻或是光敏二極管，根據(jù)白色與黑色賽道對光的反射強度的不同，從而對光敏器件產生不同的電阻電壓，把這些數(shù)據(jù)送給單片機處理就可以讓小車識別具體的路線。例如上海交通大學研究的基于級聯(lián)濾波交通燈 識別方法，其是通過對已有的交通燈圖像進行訓練及采用色彩分割的方法而提取候選區(qū)域，并將候選區(qū)域作為輸入 [6]；同濟大學研究的方向是在 HIS顏色空間進行交通燈的顏色分割，利用交通燈被黑色矩形框包圍這一典型特征進行形狀分割，根據(jù)形狀分割所得位置對顏色分割候選區(qū)進行確認，從而精確定位交通燈位置以及亮燈在交通燈中的位置 [7]。攝像頭又受到單片機采樣速率的影響，根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)用于路徑采集攝像頭的高度 為 10 厘米、向下傾角 30 度為宜，用于交通燈信息采集攝像頭的高度為 12 厘米、向上傾角 30 度為宜。 MC9S12XS128 單片機存 在三種不同的引腳封裝： 112 引腳 LQFP 封裝、 80 引腳 QFP封裝、 64 引腳 LQFP 封裝，他們的功能基本相同。但是該電路不具備低壓復位保護功能，而且在對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高的場所，需要在 R1 兩端并聯(lián)反向保護二極管 [15]。 圖 34 5V 穩(wěn)壓電路圖 12 6V 電 源電路設計 6V 電源只給前輪舵機提供工作電壓。當振蕩器對外充電 時，片內與門的 C 輸入端呈現(xiàn)為高電平，反之，則呈現(xiàn)出低電平。電機 RS380 的額定電壓為 ,工作電壓范圍3～ 8V，空載轉速在 時可達 30000 轉。當 INH 引腳為高電平時，便可使能 BTS7960，反之，芯片邊進入睡眠狀態(tài)，所以設計中將兩芯片的這一引腳連接在一起。之后就會出現(xiàn)一段場消隱區(qū)，此區(qū)中有若干個復合消隱脈沖，在這些消隱脈沖中，有個脈沖遠寬于其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標志?？刂菩盘栍啥鏅C內部 接收機的通道進入信號調制芯片，經(jīng)比較獲得直流偏置電壓。紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產生 的電流叫光電流 [25]。其中后分頻寄存器用于設定 ?VCOCLK 與 ?PLLCLK 之間的頻率比例，一般比例為 1， ?VCOCLK為內部壓控振蕩器頻率， ?PLLCLK 為鎖相環(huán)時鐘頻率；時鐘選擇寄存器用于控制總線時鐘的選擇，這里選擇鎖相環(huán)時鐘頻率的二分頻作為內部總線的時鐘；鎖相環(huán)控制寄存器用于確定鎖相環(huán)的功能；時鐘分頻寄存器和時鐘合成寄存器用于確定鎖相環(huán)與內部總線的時鐘頻率，內部總線時鐘頻率 ?BUSCLK 的計算方法入式 41 所示。 S12XS 系列單片機可以通過兩種方式產生 PWM 信號，一種是利用 TIM 模塊的比較功能，另一種是采用 MCU 內置的 PWM 模塊實現(xiàn)，前者可通過軟件編程設定輸出任意脈沖信號，但其不易產生精確的脈沖序列，后者專門用于輸出 PWM 信號，而且占用的 CPU 資源極少。因為在 AD 初始化中設置其為連續(xù)轉換模式，所以采集每行點的數(shù)據(jù)值依次存放在 AD的 16 個結果寄存器中，這就要求在提取數(shù)據(jù)的過程中也要依 次讀取這 16 個寄存器。 AD 的轉換時鐘可由控制寄存器 4 來確定，計算如式45 所示。如果 16 位計數(shù)器和 8 位微計數(shù)器對應的加載寄存器的值分別是 A 和 B，則定時器定時時間的計算如式 42 所示。 NNNYYY開 始系 統(tǒng) 初 始 化參 數(shù) c x = 0小 車 自 動 入 庫車