【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 頭來(lái)對(duì)交通燈進(jìn)行信息采集的。因?yàn)樵诼窂讲杉K選用的是 CCD 攝像頭，為了減少智能車的硬件組成以及減少費(fèi)用預(yù)算，所以在這里使用同樣的攝像頭，但對(duì)信息的處理算法卻迥然 不同，在后續(xù)的論文中將會(huì)詳細(xì)介紹。 小車自動(dòng)入庫(kù)方案分析 這一部分要實(shí)現(xiàn)的主要功能是小車行駛的過(guò)程中能夠準(zhǔn)確定位到空余車位。能夠?qū)崿F(xiàn)定位的傳感器數(shù)不勝數(shù)，最初試想的方案是利用光敏電阻來(lái)測(cè)量小車與車位的距離，具體做法是在車庫(kù)中央安裝發(fā)光二極管，車庫(kù)空著時(shí)二極管被點(diǎn)亮，在小車四周安裝八個(gè)光敏電阻，利用光敏電阻距離光源位置不同產(chǎn)生不同電阻的原理，進(jìn)而產(chǎn)生電壓差，從而測(cè)出小車距離光源的位置。實(shí)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(duì)麻煩，而且電路連接較為混亂。最嚴(yán)重的問(wèn)題是光敏電阻受環(huán)境影響 很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)車庫(kù)的精確定位。最終確定的方案是使用紅外線對(duì)射管，這種對(duì)管的原理是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的發(fā)射接收，車庫(kù)空著時(shí)對(duì)管發(fā)射信號(hào)，車輛行駛至車庫(kù)時(shí)接收紅外信號(hào)。紅外對(duì)射管的接收范圍相對(duì)較小，所以并不受相鄰車庫(kù)對(duì)管的影響，精確度高，能夠?qū)崿F(xiàn)小車 6 對(duì)車庫(kù)的精確定位 [8]。 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(dòng)一體化電路、紅外接收管、視頻分離電路。其中車輪、舵機(jī)和電機(jī)已經(jīng)安裝在車上，不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)。車體本身 機(jī)械參數(shù)如下：車長(zhǎng) ；車寬17cm；車輪直徑 5cm；軸寬 12cm[9]。智能車硬件安裝如圖 22 所示。 俯 視 圖左 庫(kù) 紅 外 對(duì) 管右 庫(kù) 紅 外 對(duì) 管 路 口 紅 外 對(duì) 管電 機(jī)1 71 15251 0 1 2主 控 電 路2 7 . 5舵 機(jī)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(guān)鍵的部分是攝像頭的安裝， 出于對(duì)車身重心位置以及探測(cè)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。 攝像頭安裝位置的高低對(duì)智能車行駛過(guò)程中路徑識(shí)別的范圍，以及路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性具有直接的影響。安裝位置過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致視野不夠開(kāi)闊，使得有效的路徑識(shí)別范圍縮??；安裝位置過(guò)高，又會(huì)導(dǎo)致黑色引導(dǎo)線變得過(guò)窄而無(wú)法被檢測(cè)到，而且會(huì)使智能車系統(tǒng)重 心抬高，從而降 7 低了其穩(wěn)定性。攝像頭又受到單片機(jī)采樣速率的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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。 其次便是紅外對(duì)射管的安裝，智能車在兩處需要用紅外對(duì)管定位，一處是車庫(kù)門(mén)前，另一處是在路口。車庫(kù)有左右之分，所以在小車的左右兩側(cè)各需要一個(gè)對(duì)管，用以區(qū)分空余車位在車的左側(cè)還是右側(cè)。車庫(kù)中道路是按照雙車道設(shè)計(jì)的，所以檢測(cè)路口的紅外對(duì)管需要安裝在車的右側(cè)，又因?yàn)椴捎玫膶?duì)管是同一個(gè)型號(hào)，為了避免出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，檢測(cè)路口的傳感器 安裝位置要高于其余兩個(gè)對(duì)管。 車場(chǎng)硬件安裝 智能車場(chǎng)的設(shè)計(jì)是獨(dú)立于自動(dòng)入庫(kù)系統(tǒng)的，但本次設(shè)計(jì)需要車場(chǎng)相關(guān)硬件配合，所以這里對(duì)車場(chǎng)的硬件安裝提出簡(jiǎn)單要求，其主要部分有：紅外對(duì)管、交通燈以及用于空位查詢的光電管。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(shí)位置要高于攝像頭支桿。安裝在車庫(kù)門(mén)口的紅外對(duì)管，其裝在右側(cè)還是左側(cè)取決于該車庫(kù)相對(duì)于主干道的位置。用于定位路口的紅外對(duì)管需要安裝距離路口 11cm的地方，這是由裝在車上對(duì)管的位置決定 [10]。空位查詢的 傳感器安裝在車庫(kù)正中即可，車場(chǎng)系統(tǒng)硬件安裝如圖 23 所示。 51 5空 位 查 詢車 庫(kù) 對(duì) 管1 13 57 05 0A 1 A 2 B 1 B 2 B 3A 3 A 4 B 4 B 5 B 6單 位 ： c m3 5路 口 對(duì) 管 圖 23 車場(chǎng)系統(tǒng)安裝示意圖 8 第三章 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 單片機(jī) MC9S12XS128 簡(jiǎn)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。 MC9S12X 系列是 HCS12 系列的增強(qiáng)產(chǎn)品，其基于 S12CPU 內(nèi)核，可以達(dá)到之前產(chǎn)品 2 到 5 倍的性能。 S12X 系列單片機(jī)增加了 172 條指令，可以執(zhí)行 32 位計(jì)算，總線頻率最高可達(dá) 40MHz，并完全具備了 CAN 功能，改進(jìn)了中斷處理能力。 S12X 單片機(jī)的 CPU 以復(fù)雜指令集 CISC 為架構(gòu)，集成了中斷控制器，有豐富的尋址方式。其系列單片機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是添加了一個(gè)平行處理的外圍處理器 XGATE 模塊，該模塊是一個(gè)可編程的 16 位 RISC 核心，設(shè)計(jì)的最高運(yùn)行速率可達(dá) 100MHz。此模塊是一個(gè)可編程的、智能的直接內(nèi)存存取模塊，可以進(jìn)行通信處理、中斷處理和數(shù)據(jù)預(yù)處理。 MC9S12X 系列單片機(jī)目前有一下幾個(gè)子系列： MC9S12XA 系列、 MC9S12XB 系列、 MC9S12XD 系列、MC9S12XE 系列、 MC9S12XS 系列 [11]。 MC9S12XS128 單片機(jī)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。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)需要的引腳較多，所以選用的是 112 引腳的封裝。其主要功能如下：中央處理器是高速的 16 位處理單元，數(shù)據(jù)總線也是 16 位，由算數(shù)邏輯單元（ ALU）、核心寄存器組以及控制單元三部分組成；因?yàn)閱纹瑱C(jī)的地址總線是 16 位的，所以基本存儲(chǔ)器的尋址范圍是 0x0000～ 0xFFFF,尋址空間為 64KB。這些地址空間分給了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM、程序存儲(chǔ)器 EPROM、數(shù)據(jù)閃存器 EEPROM 和 I/O 口寄存器；共有十一個(gè) 并行 I/O 口，分別是： A、 B、 E、 K、 T、 S、M、 P、 H、 J 和 AD，其中除了 A、 B 和 H 作為通用 I/O 口，其他端口都存在復(fù)用功能；中斷模塊實(shí)現(xiàn)了 7 級(jí)嵌套，每個(gè)中斷源靈活分配中斷級(jí)別，中斷源又分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷；串行通信 SCI 模塊由 13 位的波特率選擇，同時(shí)支持 LIN 總線協(xié)議； 16通道的 AD 轉(zhuǎn)換位數(shù)有 8 位 /10 位 /12 位可選，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)左對(duì)齊或右對(duì)齊，存在單次或連續(xù)轉(zhuǎn)換兩種方式； 8 通道 8 位的脈沖寬度調(diào)制器 PWM 可轉(zhuǎn)換成 4 通道 16 位；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊分為輸入捕捉 /輸出比較模塊和周期中斷定時(shí)模塊；內(nèi)部集成 了系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視功能，即看門(mén)狗功能，用硬件監(jiān)視軟件是否正常運(yùn)行，從而可以保證出錯(cuò)后系統(tǒng)快速恢復(fù)；工作環(huán)境溫度范圍寬等 [12]。 9 單片機(jī)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于使用的晶振體工作頻率很高，如果電路設(shè)計(jì)不合理會(huì)使其工作時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)對(duì)其他電路造成干擾，特別對(duì)模擬部分的干擾較大，甚至?xí)率箚纹瑱C(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。通常時(shí)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]。并聯(lián)型電路連接如圖 31 所示。 圖 31 時(shí)鐘電路 圖中晶振的大小選用 16MHz，電容 C C2 稱為負(fù)載電容，將它們分別與晶振連接后接地，作用是消減諧波對(duì)電路穩(wěn)定性的影響，其典型值為 22pF。 R3 的作用是保證晶體正常起振，它的大小一般為 10MΩ。在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路 PCB 時(shí)要注意下面三點(diǎn)： （ 1） 晶振體的周圍盡量不要有線路，特別是對(duì)信號(hào)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(duì)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(hào)的干擾。 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)要正常工作需要 在上電的時(shí)候給它一個(gè)復(fù)位信號(hào)， 使 CPU 和其他部件都置為一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。 此外，在調(diào)試程序的時(shí)候經(jīng)常需要手動(dòng)對(duì)單片機(jī)復(fù)位，所以復(fù)位電路的設(shè)計(jì)必不可少。 S12 單片機(jī)的復(fù)位引腳是低電平有效，即在正常狀態(tài)時(shí)要求該引腳被上拉至高電平，在對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位時(shí)其要保持一定時(shí)間的低電平 [14]。復(fù)位電路如圖 32 所示。 10 圖 32 單片機(jī)復(fù)位電路 系統(tǒng)上電時(shí)，復(fù)位按鈕處于松開(kāi)狀態(tài)，由于電容 C1 要進(jìn)行充電，所以電壓不會(huì)突然變化而只能緩慢上升，這樣就可以在復(fù)位引腳上保持一段時(shí)間的低電平。當(dāng)按鈕被按下時(shí)， 復(fù)位引腳被拉到低電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。但是該電路不具備低壓復(fù)位保護(hù)功能，而且在對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)所，需要在 R1 兩端并聯(lián)反向保護(hù)二極管 [15]。 BDM 接口電路設(shè)計(jì) BDM 模塊可以實(shí)現(xiàn)程序下載、讀寫(xiě)存儲(chǔ)器 /寄存器、硬件斷點(diǎn)、條件斷點(diǎn)、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(jiǎn)單的外部接口電路。此部分電路設(shè)計(jì)就是為了連接 BDM 調(diào)試器的， BDM 調(diào)試器的功能是將程序從微機(jī)上下載到單片機(jī)里，并可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，同時(shí)它還可以給單片機(jī)供電 [16]。 BDM 接頭存在兩種定義方式，一是飛思卡爾的方式 ，方法是將通訊口 BKGD 設(shè)置在第一腳， VDD 在第六腳，若 BDM插反， VDD 將直接與 BKGD 短接，很可能引起芯片 BDM 模塊故障，甚至燒毀芯片。第二種方法是清華大學(xué)提出的，該方式將 BKGD 設(shè)置到第三腳，這樣即使 BDM 頭插反，也不會(huì)引起任何嚴(yán)重的后果。按照第二種方式設(shè)計(jì)的 BDM 接口電路如圖 33 所示。 圖 33 BDM 接口電路 11 為了充分保護(hù)單片機(jī)的引腳，通常串聯(lián)如圖所示的電阻 R13，其典型阻值為 51 歐姆，此外單片機(jī)的工作模式?jīng)Q定了要在 MODC 引腳與電源之間串聯(lián)一個(gè) 的電阻。當(dāng)使用 BDM 下載程序時(shí)，單片機(jī) 需要處于調(diào)試模式，即要求 MODC 引腳處于低電平，實(shí)現(xiàn)過(guò)程是 BDM 調(diào)試器的對(duì)應(yīng)引腳自動(dòng)將其拉低。當(dāng)單片機(jī)與調(diào)試器分離時(shí)，由于MODC 上存在 的上拉電阻，單片機(jī)就會(huì)自動(dòng)回到普通模式。 電源電路設(shè)計(jì) 電源模塊的設(shè)計(jì)是為整個(gè)系統(tǒng)提供所需的電源，所以首先需要設(shè)計(jì)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(gè)硬件電路穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。電源管理模塊主要包括： 主電源、舵機(jī)電源、攝像頭電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源以及各芯片供電電源 [17]。其中主電源需要一塊充電電池， 現(xiàn)在市場(chǎng)上常見(jiàn)的充電電池 有鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、堿性電池和封閉式鉛酸電池等幾類，其中鎳氫電池電路簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟而且價(jià)格便宜，所以這里選用一塊由 6 節(jié)型號(hào)相同 電池串聯(lián)的 電池，其額定容量為 1300mAh。 5V 電源電路設(shè)計(jì) 5V 電源模塊是對(duì) 電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，主要為單片機(jī)、視頻分離電路以及輔助電路提供穩(wěn)定電壓，所以要求電壓穩(wěn)定、噪聲小、電流容量大。現(xiàn)在常用的 5V 穩(wěn)壓芯片有 LM780 LM2940 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。 LM2940 穩(wěn)壓芯片的典型 壓降只有 ，其最大輸出輸出電流可達(dá) 1A，并且具有短路保護(hù)的特點(diǎn)。 5V穩(wěn)壓電路原理圖如圖 34 所示。 圖 34 5V 穩(wěn)壓電路圖 12 6V 電 源電路設(shè)計(jì) 6V 電源只給前輪舵機(jī)提供工作電壓。 舵機(jī)工作時(shí)需要的工作電流一般在幾十毫安左右，且電壓無(wú)需十分穩(wěn)定，所以這里選用 LM2941 作為穩(wěn)壓芯片。 LM2941 是一種可調(diào)式低壓穩(wěn)壓器，其優(yōu)勢(shì)主要在于： 典型壓降為 ；最大輸出電流為 ；輸出電壓范圍為 0～ 20V，最大輸出電壓可達(dá) 26V；具有短路保 護(hù)、熱過(guò)載保護(hù)和自我保護(hù)功能。此外當(dāng)輸入輸出壓差超過(guò) 3V 時(shí) , 芯片內(nèi)部有專門(mén)的電路將引腳地的靜態(tài)電流減小。當(dāng)輸出電流為 1A 并且輸入輸出壓差為 5V 時(shí) ,靜態(tài)電流僅為 30mA。 6V 穩(wěn)壓電路原理圖如圖 35 所示。 圖 35 6V 穩(wěn)壓電路圖 當(dāng)引腳 ON/OFF 為高電平時(shí)，芯片被關(guān)閉，引腳 OUTPUT 輸出電壓為 0V， 反之當(dāng)其接低電平時(shí) ， 芯片 被 開(kāi)啟 ， 有電壓輸出。 輸出電壓的計(jì)算方法如式 31 所示。 )/1( 12 RRVV REFO UT ??? （ 31） 從上式可以看出 LM2941 輸出電壓的大小取決于 R2 與 R1 比值的大小， 其中它的基準(zhǔn)電壓 VREF 的大小為 ，實(shí)際電路中 R1 通常取 1K，根據(jù)輸出電壓為 6V 計(jì)算出R2 的大小為 [18]。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(huì)因溫度等因素而引起輸出電壓的不穩(wěn)定，所以這兩個(gè)電阻不能太小或者不接。需要注意的是電路中的電源濾波電容在布線時(shí)要原理調(diào)節(jié)端。 12V 電源電路設(shè)計(jì) CCD 攝像頭的額定工作電壓是 12V，所以需要使用升壓電路將 電源升壓至12V，在這里我們使用 MC34063 構(gòu)成直流升壓電路，這款芯片使用不同的外圍 電路可產(chǎn)生不同的電壓值。 MC34063 是一塊高效的開(kāi)關(guān)型 DC/DC 變換控制電路，內(nèi)部含有直流 13 到直流變換器所要求的主要功能，即具有溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源和比較器、具有激勵(lì)電流限制的占空比可控的振蕩器