【文章內容簡介】 電池內阻造成電池兩端的電壓下降，甚至會低于穩(wěn)壓電路所需要的最低電壓值，產生單片機復位現像。為了克服啟動電磁信號的干擾，在驅動模塊中加入光耦隔離，實現“電—光—電”轉換，由于光耦合器輸入輸出互相隔離，電信號傳輸具有單向性特點，并具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力，所以很好的解決了驅動電路產生的干擾信號。而電池兩端的電壓下降，可以在電路中并聯(lián)加入大電容，當電池電壓拉低之后，大電容放電，可以使單片機不會產生復位現象。 電源保護在硬件電路設計的的過程中，最重要的就是電源部分的設計。在嵌入式應用中出現的很多諸如靜電復位、過流擊穿，等問題都是由于電源設計不周全造成的。自恢復保險和瞬態(tài)抑制二極管（TVS）的組合可以起到在電路出現過流過載和瞬態(tài)干擾時，及時的保證電源的安全，防止對于后級電路造成損害。自恢復保險絲的的動作原理是一種動態(tài)的能量平衡。正常情況下保險絲處于低阻狀態(tài)，當電流或者外部環(huán)境驟變，保險絲就會處于高阻保護狀態(tài)，對于后級的電路產生保護。當電流或施加的電壓回復正常，保險絲自恢復。當TVS兩端經受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度（最高達1*1012秒）使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。本設計使用一個自恢復保險絲串聯(lián)到電池電源和使用電源之間，并且在使用電源和模擬地之間串聯(lián)了一個雙向TVS，如圖4所示。在過流狀態(tài)下，自恢復保險絲內阻增大，產生過流保護。當出現靜電或瞬態(tài)干擾時，TVS內阻迅速變小，前級電源形成回路，保險絲內阻變大，保護了后級電路不受損壞，： 保險絲TVS電路 降壓穩(wěn)壓電路設計一[9]。LM1117 – ，最大輸出電流為1A。另外，其輸出電壓波動范圍僅為177。，精度較高，經實驗證明，能夠滿足本智能車系統(tǒng)中各項要求。 LM1117典型電路圖 降壓穩(wěn)壓電路設計二主要的穩(wěn)壓芯片是LM2940，足夠單片機使用。LM2940具有紋波小、電路結構簡單的優(yōu)點，但是效率較低，功耗大。對于單片機，需要提供穩(wěn)定的5V電源，由于LM2940的穩(wěn)壓的線性度非常好，所以選用LM29405V對其進行供電。 LM2940典型電路 電源模塊小結綜上，： 電源模塊框圖 路徑識別模塊電磁傳感器的設計主要包括：感應線圈的選擇、信號選頻放大、整流與檢測等幾個方面，將會涉及到電磁場與波、高頻、模電等相關學科的知識。 傳感器示意圖。 道路信息檢測流程圖： 傳感器電路檢測線圈采用組委會推薦的10mH 的工字型電感,，使用LC 串并聯(lián)電路來實現選頻電路，諧振頻率為。對于實際傳感器選擇的說明：電感線圈我們采用的是標準化的“工字型”電感線圈，這種線圈感應面積大，靈敏度好，缺點是體積較大。實踐證明這種電感線圈綜合效果還不錯，實際上我們只用兩個水平的線圈就可以完成尋跡功能，速度和穩(wěn)定性達到賽區(qū)的水平。缺點是太重，不穩(wěn)定，個體之間的電感量有一定的差異。由于電流的頻率為20KHz。在不加其他元件的情況下，直接用示波器查看檢測的波形（距導線8cm，豎直上方）為標準的20KHz，峰峰值為300mV 的正弦波。 電機模塊采用兩片BTS7960搭成H橋驅動電路，進行電機驅動。BTS7960是應用于電機驅動的大電流半橋高集成芯片，它帶有一個P溝道的高邊MOSFET、一個N溝道的低邊 MOSFET和一個驅動 Ic。集成的驅動Ic具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調節(jié)、死區(qū)時間產生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護的功能。BTS7960通態(tài)電阻典型值為 16mQ，驅動電流可達 43A。為方便使用，采用兩片BTS7960并聯(lián)來達到全橋的效果。圖 BTS7960電路示意圖 但是控制信號在傳輸的過程中，會受到耦合在線路中干擾的影響，控制器與作動器之間的連接也可能造成電流的反灌影響正常工作。光耦隔離器[22]當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電—光—電”轉換。由于光耦合器輸入輸出互相隔離，電信號傳輸具有單向性特點，并具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。而光耦隔離芯片6N137性能優(yōu)良，所以我們采用6N137。 光耦電路示意圖 舵機模塊 經過測試，所以我們直接將電池電壓供給舵機。 測速傳感器模塊 本智能車的測速采用光電編碼器，由LM29405為其提供5V工作電壓。光電編碼器使用5V24V電源，輸出5%85%VCC的方波信號以齒輪傳動，用CD5420作為測速脈沖技術器。每轉動一圈都會輸出一定個數的脈沖，通過在單位時間內測量得到的脈沖數，可以得出電機的轉速。第五章 軟件系統(tǒng)設計與實現第五章 軟件系統(tǒng)設計與實現 系統(tǒng)初始化 在各模塊中，MC9S12XS128微控制器模塊是控制核心，其他模塊的初始化正是通過對單片機內部設置實現的。系統(tǒng)的初始化主要是對MC9S12XS128內部各寄存器，各端口進行設置，并定義自變量，分配存儲空間，使之滿足系統(tǒng)要求。下面僅給出單片機初始化的結果，未涉及到的端口與模塊不予描述[17]。工作模式：通過軟件與硬件的結合，選定單片機工作模式為普通彈片模式。時鐘設置：單片機內部的總線頻率為24MHz，CPU單元工作頻率是總線頻率的2倍，即48MHz。存儲空間分配：對內部地址資源的分配采用普通單片工作模式初始化時默認的配置，即$0000到$0400為寄存器地址空間，$2000到$3FFF為內部RAM地址空間，$4000到$7FFF為一塊固定的Flash EEPROM地址空間，$8000到$BFFF為頁面Flash EEPROM地址空間，$C000到$FFFF為一塊固定的Flash EEPROM地址空間，其中$FF00到$FFFF為中斷向量地址空間。復用端口設置：A端口為普通輸入端口； J端口為中斷輸入端口；P端口為PWM信號輸出端口。各模塊初始化：PWM模塊0通道獨立使用，5通道合并為一16位的PWM通道使用；PWM時鐘選擇為總線頻率8分頻即3MHz；定時/計數器模塊全部通道設置為定時模式；時鐘選擇為總線頻率8分頻即3MHz；此外，初始化時也對下面需用到的自變量進行了定義與賦初值，在此不作贅述。智能模型車的路徑搜索算法（Line Searching Algorithm）是智能車設計的關鍵部分，智能車設計的大部分工作都是圍繞它來展開的[21]。我們約定沿著電流前進方向為Y軸，垂直Y軸向上為Z軸，垂直Y軸水平向右為X軸，符合右手規(guī)則，即右手坐標系，同時1）電感線圈軸線平行于Z軸為“立式”，2） 電感線圈軸線平行于X軸為“臥式”，3）電感線圈軸線平行于X軸為“臥式”。經過分析，一般有兩種不同的路徑搜索方法。（巡線和前瞻） (1) 巡線——利用3個電感線圈傳感器，對采集的數據進行了AD轉換，為了消除各個電感線圈傳感器之間的差異，我們對AD轉換后的數據進行了歸一化處理。在對其進行相應的控制。這樣對有利于舵機的PID位置調節(jié)，并且能夠提高舵機響應速度。(2) 前瞻——使用3個電感線圈傳感器，模糊控制是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應能力，使之具有一定的智能水平，模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。通過這兩種算法的結合，車可以在基本巡線的情況下選擇最佳路徑行駛，例如大彎切內線跑，S彎可以基本直線行駛。（我們將在下面詳細介紹）由法拉第電磁感應知道[20]： (1)使用高等數學的矢量積分容易得到直道的磁場分布： (2)所以進一步深入分析可得： (3) (4)其中h是電感線圈距離地面的垂直距離。為了討論的方便，記： (5) (6)下圖是我們使用MATLAB和Ansoft Maxwell軟件分析電感線圈傳感器在同一地點不同方向得來得圖表： “立式”線圈 “大彎”內磁場分布(1) B39。X是x的偶函數，在Y軸兩側單調。B39。Z是x的奇函數（注：在此所有數全部取正），在Y軸兩側沒有單調關系。(2) 在相同的高度下，B39。X幅值是B39。Z的兩倍，但是在x=20的時候，B39。X只有B39。Z的一半左右了，因此B39。X的衰減較B39。Z快很多。綜上可推知，水平線圈比較適合做x的正負判別，垂直線圈比較適合用來解算x的具體數值，B39。Z較B39。X衰減慢得多，說明水平線圈對遠處道路狀況相對比較敏感，可以用來預測前方的彎道。 “臥式”線圈各個電感線圈傳感器的布局間隔將影響車對路徑的識別精度以及對舵機的控制算法的優(yōu)劣。我們將電感線圈傳感器由一種狀態(tài)起始到下一種狀態(tài)起始所需移動的距離稱為有效距離，有效距離越短，則電感線圈傳感器在該狀態(tài)的停留時間短，可能造成該狀態(tài)為瞬態(tài)，而越長，則可能造成某一狀態(tài)過長，舵機控制算法成跳躍式響應，造成軟件無法彌補的缺陷。經過對于“臥式”電感線圈傳感器的理論分析和大量實驗，我們確定其為“巡線”跑，“臥式”電感線圈傳感器的穩(wěn)定性相當高！干擾小，車速還比較高。為了有效的利有所有6路“橫式”電感線圈傳感器并且不超出車寬限制。 電感線圈排布方式圖 電感線圈傳感器的干擾主要分為兩種，一是結構化賽道導線之間的干擾，二是電感線圈傳感器之間的相互干擾，三是車子上工作的PWM信號和電機工作時產生的磁場對電感線圈的干擾，由于電感線圈傳感器的感應電壓值和磁場方向以及磁感應強度有著密切的聯(lián)系，當賽道導線相互之間離得很近時，磁場相互交織，相當復雜，因此，賽道導線相互之間離得很近時，易于使電感線圈傳感器誤判，這就產生了結構化賽道導線之間的干擾。而當兩電感線圈傳感器的距離較近時，會產生一路電感線圈傳感器不僅感應導線產生的磁場，甚至也受到臨路電感線圈傳感器的干擾，這樣便產生了電感線圈傳感器之間的相互干擾。同時，當電感線圈傳感器離驅動電路或者電機很近時，產生的干擾更為嚴重，對于驅動電路，電路中的PWM信號會產生干擾，對于電機，電機產生的磁場會產生干擾。這樣就產生了車子上工作的PWM信號和電機工作時產生的磁場對電感線圈的干擾。:由于結構化賽道我們無法提前預知，所以我們無法提前預知磁場如何交織疊加。而為了減小結構化賽道導線之間的干擾，我們采用兩種方式，（1）不用“前瞻”，使用“臥式”電感線圈傳感器，其特性是衰減快，對于“巡線”，程序易于實現，（2）減小“前瞻”，對于“立式”電感線圈傳感器，干擾是很大的，將電感線圈傳感器電路的放大倍數減小。經過理論研究和大量實驗，我們采用特殊體位（互相垂直）克服相互電感線圈傳感器之間的干擾。為了電磁屏蔽，采用鋁箔將車子上所有導線包住，并且用鋁箔把電機包住。為了防止電路板短路，在鋁箔與電路板之間再添加一層絕緣膠帶。這樣，即可以防短路，又可以利用絕緣膠帶作為鋁箔的襯子，防止鋁箔破損。 舵機控制算法舵機作為車的方向控制結構，其控制算法直接影響到車的整體質量，如果舵機的控制算法不好，會導致舵機轉角不平滑，過彎時多次轉彎，使車速在彎道時