【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 到 汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，汽車(chē)在道路中行 駛，自動(dòng)選取最優(yōu)路徑，可大大減少 對(duì)能源的浪費(fèi)，并可以減少交通事故的發(fā)生， 但是必須有智能交通系統(tǒng)與之匹配 ， 智能交通技術(shù)(ITS)，是指將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等應(yīng)用于交通運(yùn)輸行業(yè)從而形成的一種信息化、智能化、社會(huì)化的新型運(yùn)輸系統(tǒng)，它使交通基礎(chǔ)設(shè)施能發(fā)揮最大效能。 智能交通系統(tǒng)具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：一是著眼于交通信息的廣泛應(yīng)用與服務(wù)，二是著眼于提高既有交通設(shè)施的運(yùn)行效率 。 有組數(shù)據(jù) 我們看看： 隨著社會(huì)對(duì)汽車(chē)節(jié)能、環(huán)保、安全要求的日益嚴(yán)格以及人們對(duì)乘坐舒適性、駕駛便捷性要求的日益提 升，電子化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化成為汽車(chē)產(chǎn)品先進(jìn)性的重要體現(xiàn)。當(dāng)前世界汽車(chē)工業(yè)約 70%的技術(shù)創(chuàng)新來(lái)源于電子技術(shù)的應(yīng)用。 這更體現(xiàn)了小車(chē)研究的重要性。 本文主要研究工作 為本課題是一個(gè)多學(xué)科的綜合產(chǎn)物，主要包括電源，傳感器，步進(jìn)電機(jī)，控制核心電路，機(jī)身 5個(gè)部分。傳感器就是 小車(chē) 的眼睛，用來(lái)獲取各方面的信息，送到 LM3S615（ 微控制器 ）中處理，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，包括加減速，轉(zhuǎn)彎，停止。 它能夠探索并記憶給定的迷宮，經(jīng)過(guò)處理后得出并沿著一條最佳路徑到達(dá)目的地。 我所做的工作是 完成該新型高速 智能車(chē)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試，具體包括主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等的電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速、車(chē)輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向和緊急制動(dòng)停車(chē)等計(jì)算機(jī)控制電路。其次是對(duì)車(chē)上安裝的傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，并進(jìn)行必要的信號(hào)前處理 以及整車(chē)的硬件組裝調(diào)試 等。 所研究的工作主要包括： 系統(tǒng)的需求分析：對(duì)現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行研究，確定系統(tǒng)的方案。 分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：分析了分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)系統(tǒng)的容西安工業(yè)大北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 4 量選擇合適的控制器，并在此基礎(chǔ)上確定系統(tǒng)采用的分布式模型，完成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)：選擇系統(tǒng)所需要的硬件， 完成硬件之間的連接，端口的分配等。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 自動(dòng)走迷宮小車(chē)整體設(shè)計(jì)方案 自動(dòng)走迷宮小車(chē) 及迷宮 簡(jiǎn)介 迷宮底板的尺寸為 ，上面共有 88 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)迷宮單元格。如圖 圖 迷宮 自動(dòng)走迷宮小車(chē) 是使用嵌入式微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成的一種智能行走裝置 。 它可以在 “ 迷宮 ” 中自動(dòng)記憶和選擇路徑，尋找出口，最終達(dá)到所設(shè)定的目的地。 小車(chē) 可謂是一種具有人工智能的小型機(jī)器人，當(dāng) 小車(chē) 放入起點(diǎn)，按下啟動(dòng)鍵之后，它就必須自 行決定搜尋法則并且在迷宮中前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、記憶迷宮墻壁資料、計(jì)算最短路徑、搜尋終點(diǎn)等功能。 小車(chē) 需具備有下列三件基本能力： （ 1） 擁有穩(wěn)定且快速的行走能力； （ 2） 能正確判斷能力； （ 3） 記憶路徑的能力。 小車(chē)具有以下特點(diǎn)： （ 1） 體積小，寬度只有迷宮格的一半； （ 2） 五組可測(cè)距的紅外線傳感器，靈敏度方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)； （ 3） 電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，控制容易； （ 4） 電池為 2200mAh， 的可充電鋰電池； （ 5） 支持電池的電壓監(jiān)測(cè)，避免電量不足帶來(lái)的麻煩； （ 6） 一個(gè)按鍵，完全滿足了實(shí)際需要； （ 7） 預(yù)留了 6 個(gè) GPIO 口，一個(gè)串口，一個(gè) SPI 接口。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 系統(tǒng)整體 框圖 圖 如上圖 為系統(tǒng)整體框圖， 把小車(chē)放在迷宮中任意位置或者起點(diǎn) 時(shí) ，在車(chē)頭的紅外線發(fā)收器發(fā)出信號(hào)，并由接收器收到， 把收到的信號(hào) 發(fā)送給微控制器LM3S615， 微控制器 由信號(hào)的強(qiáng)弱判斷車(chē)子的位置是否擺正 ， 前方 是否有障礙 ，處理過(guò)后微控制器給步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)芯片 發(fā)出指令，步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)芯片 驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī) 移動(dòng) 小車(chē)的位置， 當(dāng)車(chē)子移動(dòng)后 ， 紅外 傳感器 發(fā)收信號(hào)， 傳 送給微控制器， 微控制器再判斷，再 給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，這樣形成一個(gè)循環(huán)，使小車(chē)自動(dòng)在迷宮中行走 。 數(shù)碼管共有 8個(gè)，第 1到 5數(shù)碼管分別指示 U1到 U5五個(gè)傳感器的狀態(tài)，第6個(gè)數(shù)碼管空閑，第 8個(gè)數(shù)碼管顯示電池的電壓。 鍵盤(pán) 復(fù)位電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 步進(jìn)電機(jī) 電源 LM3S615 微控制器 JTAG 紅外傳感器 數(shù)碼管顯示 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 3 自動(dòng)走迷宮小車(chē)硬件電路 設(shè)計(jì)及功能 小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 普通 汽車(chē)一般由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、車(chē)身和電氣設(shè)備四個(gè)基本部分組成。我設(shè)計(jì)的小車(chē)也是如此，發(fā)動(dòng)機(jī)就是小車(chē)的動(dòng)力裝置，底盤(pán)就是小車(chē)的電路附著板，車(chē)身就是小車(chē)的整體框架，電氣設(shè)備就是小車(chē)的電路部分。有所不同的是普通的小車(chē)是由人控制的，這樣才能安全行駛，但是我做的這個(gè)小車(chē)是需要自動(dòng)行走的，所以需要再添加探測(cè)模塊。 看看迷宮的尺寸： 迷宮底板的尺寸為 ，上面共有 88 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)迷宮單元格。 再看看小車(chē)的大?。?寬度只有迷宮格的一半 。也就是說(shuō)小車(chē)的寬度大概就是 8cm～ 9cm。從迷宮圖片和數(shù)據(jù)上看到，迷宮是一個(gè)正方形，而且整個(gè)迷宮又被分成了 64 個(gè)大小相同的正方形，根據(jù)小車(chē)所要達(dá)到的性能指標(biāo)，小車(chē)在行駛的中必然會(huì)進(jìn)行 90176。或 180176。的轉(zhuǎn)彎，所以小車(chē)的長(zhǎng)度應(yīng)不宜過(guò)長(zhǎng)，小車(chē)的其中一個(gè)要求是： 擁有穩(wěn)定且快速的行走能力 ，要快速那么電機(jī)就應(yīng)具備足夠的動(dòng)力，動(dòng)力越大意味著小車(chē) 的電機(jī)也就越大，設(shè)計(jì)中這是幾個(gè)個(gè)矛盾的問(wèn)題。 第一：迷宮尺寸的限制，小車(chē)不能過(guò)長(zhǎng)； 第二：小車(chē)的電機(jī)不能過(guò)小，要提供足夠的動(dòng)力； 第三：保證用做簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)完成設(shè)計(jì)。 折中的辦法就是減少小車(chē)轱轆數(shù)量，一般的汽車(chē)有四個(gè)轱轆，我這個(gè)小車(chē)使用兩個(gè)轱轆，采用兩個(gè)電機(jī)分別對(duì)兩個(gè)轱轆進(jìn)行控制，這樣不但簡(jiǎn)化了車(chē)子的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且動(dòng)力問(wèn)題也就迎刃而解。再加上前面說(shuō)的檢測(cè)單元。 結(jié)構(gòu)如 圖 ： 圖 小車(chē)結(jié)構(gòu)圖 檢測(cè)單元 電機(jī) 車(chē)身 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 動(dòng)力裝置除了電機(jī)外還應(yīng)包括給電機(jī)和整個(gè)系統(tǒng)供電的電源。小車(chē)在迷宮中行走我要時(shí)時(shí)掌握小車(chē)的具 體狀態(tài)，還應(yīng)設(shè)計(jì)顯示單元。當(dāng)小車(chē)在迷宮中行走的時(shí)候觀察者是鳥(niǎo)瞰整個(gè)過(guò)程，這就需要把顯示單元放在最上面，電源部分放在顯示和底盤(pán)中間，于是設(shè)計(jì)出以下的結(jié)構(gòu)圖 ： 圖 小車(chē)結(jié)構(gòu)圖 微控制器 微控制器簡(jiǎn)介 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所用的微處理器是 Stellaris 系列的 LM3S615，它擁有 ARM 微控制器所具有的眾多優(yōu)點(diǎn)。如擁有廣泛使用的開(kāi)發(fā)工具，片上系統(tǒng)（ SoC）的底層結(jié)構(gòu) IP 的應(yīng)用，以及眾多的用戶群體。 LM3S615微 控制器還采用了 ARM 可兼容 Thumb174。的 Thumb2 指令集來(lái)降低內(nèi)存的需求量，進(jìn)而降低成本。 LM3S615管腳圖： Stellaris 系列的 LM3S615共有 48個(gè)管腳。 圖 顯示單元 電源 底板電路部分 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 微控制器 LM3S615 特 性 LM3S615 微控制器包含以下的特性： （ a） 32 位 RISC 性能 RISC（ reduced instruction set puter，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）是一種執(zhí)行較少類(lèi)型計(jì)算機(jī)指令的微處理器 。 RISC 微處理器不僅精簡(jiǎn)了 指令系統(tǒng) ，采用超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu)；它們的指令數(shù)目只有幾十條，卻大大增強(qiáng)了并行處理能力。 － 采用為小型嵌入式應(yīng)用方案而優(yōu)化的 32 位 ARM174。 CortexTM M3 v7M 結(jié)構(gòu) － 可兼容 Thumb174。的 Thumb2 專(zhuān)用指令集處理器內(nèi)核，可提高代碼密度 － 50MHz 操作 － 硬件除法和單周期乘法 － 集成了嵌套向量中斷控制器以提供明確的中斷處理 － 29 個(gè)中斷，帶 8 個(gè)優(yōu)先級(jí) － 內(nèi)存保護(hù)單元 (MPU)提供一個(gè)特權(quán)模式用于受 保護(hù)的操作系統(tǒng)功能 － 非對(duì)齊式的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，使數(shù)據(jù)可以有效地壓縮到內(nèi)存中 － 極細(xì)微的位處理操作 (bitbanding)可最大限度地使用內(nèi)存，并且提供創(chuàng)新的外設(shè)控制 （ b）內(nèi)部存儲(chǔ)器 － 32KB 單周期 Flash 用戶管理的 Flash 塊保護(hù)，以 2KB 塊大小為基礎(chǔ) 用戶管理的 Flash 數(shù)據(jù)編程 用戶定義和管理的 Flash 保護(hù)塊 － 8KB 單周期 SRAM （ c) 通用定時(shí)器 － 3 個(gè)定時(shí)器，每個(gè)都可配置為一個(gè) 32 位定時(shí)器或兩個(gè) 16 位定時(shí)器，或用來(lái)啟動(dòng)一個(gè) ADC 事件 － 32 位定時(shí)器模式： 可編程的單次觸發(fā) (oneshot)定時(shí)器 可編程的周期定時(shí)器 使用外部 時(shí)鐘作為輸入時(shí)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 在周期和單次觸發(fā)模式下進(jìn)行調(diào)試期間，當(dāng)控制器使 CPU 的暫停 (Halt)標(biāo)志有效時(shí)的暫停操作 (stalling)可由用戶來(lái)控制使能 ADC 事件觸發(fā)器 － 16 位定時(shí)器模式 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 帶有 8 位預(yù)分頻器的通用定時(shí)器功能 可編程的單次觸發(fā)定時(shí)器 可編程的周期定時(shí)器 在調(diào)試期間，當(dāng)控制器使 CPU 的暫停 (Halt)標(biāo)志有效時(shí)的暫停操作(stalling)可由用戶來(lái)控制 使能 ADC 事件觸發(fā)器 － 16 位輸入捕獲模式 輸入邊沿計(jì)數(shù)捕獲 輸入邊沿時(shí)間捕獲 － 16 位 PWM 模式 簡(jiǎn)單 PWM 模式， PWM 信號(hào)的輸出反相可由軟件編程 （ d）可遵循 ARM FiRM 規(guī)范的看門(mén)狗定時(shí)器 － 帶有可編程裝載寄存器的 32 位向下計(jì)數(shù)器 － 帶有使能的獨(dú)立看門(mén)狗時(shí)鐘 － 帶有中斷屏蔽的可編程中斷產(chǎn)生邏輯 － 提供鎖定寄存器保護(hù)，以防止軟件跑飛 (runaway)的情況 － 帶有使能 /禁能的復(fù)位產(chǎn)生邏輯 － 在調(diào)試期間，當(dāng)控制器使 CPU 的暫停 (Halt)標(biāo)志有效時(shí)的暫停操(stalling)可由用戶來(lái)控制使能 （ e) 同步串行接口 (SSI) － 主機(jī)或從機(jī)操作 － 可編程的時(shí)鐘位速率和預(yù)分頻 － 獨(dú)立的發(fā)送和接收 FIFO， 16 位寬、 8 單元深 － Freescale SPI、 MICROWIRE 或 Texas 工具同步串行接口的可編程接口操作 － 從 4 到 16 位的可編程數(shù)據(jù)幀大小 － 用于診斷 /調(diào)試測(cè)試的內(nèi)部回送測(cè)試模式 （ f) UART － 2 個(gè)完全可編程的 16C550類(lèi)型 UART － 獨(dú)立的 16 8 發(fā)送 (Tx)和 16 12 接收 (Rx) FIFO，減少 CPU 中斷服務(wù)裝載 － 帶小數(shù)分頻器的可編程波特率發(fā)生器 － 可編程的 FIFO 長(zhǎng)度，包含 1 字節(jié)深度的操作提供常用的雙緩沖接口 － FIFO 觸發(fā)點(diǎn)為 1/8, 1/4, 1/2, 3/4 和 7/8 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 － 用于起始、停止和奇偶的標(biāo)準(zhǔn)異步通信位 － 錯(cuò)誤 起始 位檢測(cè) － linebreak 的產(chǎn)生和檢測(cè) （ g) ADC － 單輸入和差分輸入配置 － 當(dāng)用作單端輸入時(shí)有 2 路 10 位通道（輸入） － 采樣速率： 500,000 次 /秒 － 靈活、可配置的模數(shù)轉(zhuǎn)換 － 4 個(gè)可編程采樣轉(zhuǎn) 換序列的入口長(zhǎng)度為 1 到 8，同時(shí)帶有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果 FIFO － 每個(gè)序列由軟件或內(nèi)部事件（定時(shí)器，模擬比較器， PWM 或 GPIO）觸發(fā) （ h) 模擬比較器 － 3 個(gè)獨(dú)立集成的模擬比較器 － 可配置輸出來(lái)：驅(qū)動(dòng)輸出管腳、產(chǎn)生中斷或啟動(dòng)一個(gè) ADC 采樣序列 － 將外部管腳輸入與外部管腳輸入相比或與內(nèi)部可編程的電壓參考相比 （ i) I2C － 在標(biāo)準(zhǔn)模式中，主機(jī)和從機(jī)接收和發(fā)送操作的傳輸速度高達(dá) 100Kbps；在高速模式中，傳輸速度高達(dá) 400Kbps － 中斷產(chǎn)生 － 主機(jī)具有仲裁和時(shí)鐘同步，多主機(jī)支持，以及 7 位尋址模式 （ j) PWM － 3 個(gè) PWM 發(fā)生器模塊 (每個(gè) PWM 發(fā)生器模塊產(chǎn)生兩個(gè) PWM 信號(hào) )，每個(gè)模塊具有一個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器、兩個(gè)比較器、一個(gè) PWM 發(fā)生器和一個(gè)死區(qū)(deadband)發(fā)生器 － 一個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器 在 Down 或 Up/Down 模式中運(yùn)行 16 位裝載值控制的輸出頻率 可同步進(jìn)行裝載值的更新 在到達(dá)零和裝載值時(shí)產(chǎn)生輸出信號(hào) － 兩個(gè)比較器 同步進(jìn)行比較器值的更新 匹配時(shí)產(chǎn)生輸出信號(hào) － PWM 發(fā)生器 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 根據(jù)計(jì)數(shù)器和比較器輸出信號(hào)執(zhí)行的操作來(lái)構(gòu)造