【導讀】現(xiàn)了小車自動停車入庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)將Freescale16位單片機MC9S12XS128作為系統(tǒng)微。識別電路及對管定位電路，并介紹了電路相關參數(shù)的計算方法。自動從車場入口行駛至指定空車位，并準確停車入庫。通過CCD攝像頭采集道路信息并。像頭來提取信號燈的指向，進而指引小車正確駛向車庫。

　　

【正文】 電流。 在有紅外線光照時， 攜帶能量的紅外線光子進入 PN 結后，把能量傳給 共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子空穴對 。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 。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]。如果外電路上存在負載，負載上的電壓信號就會隨之光強度的變化而變化。 在本次實驗 中選用的 3個是 NPN常開型紅外接收三極管，發(fā)射管是紅外發(fā)射二極管，其有效距離是 50厘米。右側車庫接受管的信號引腳與單片機 PT2口連接，左側車庫接受管的信號引腳與單片機 PT3口連接，十字路口接收管的信號引線與單片機 PT4口連接。紅外接受與單片機的連接如圖 312所示。 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的 IO 口，當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；當有紅外信號射向接收管時，其輸出端呈現(xiàn)為低電平。 21 第四章 軟件設計 主函數(shù) 主函數(shù)是整個程序的入口，實現(xiàn)軟件功能的主體，這里主要完成的任務是對系統(tǒng)進行初始化及在不同條件下調用各種函數(shù) [26]。初始化程序包括參數(shù)初始化、鎖相環(huán)初始化、輸入捕捉初始化、定時初始化、 PWM 初始化以及 AD 初始化。通過輸入捕捉功能檢測單片機 PT2 口、 PT3 口和 PT4 口電平的高低變化，從而改變程序調用參數(shù) cx 的數(shù)值，根據(jù) cx 的大小決定主函數(shù)調用各子函數(shù)。當 cx的值為 0 時，執(zhí)行自動循跡子程序，通過單片機內部 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 1 子程序，調整小車的狀態(tài)；當 cx 的值為 1 時，說明小車已經行駛到十字路口，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，確定小車的轉向。當 cx 的值為 2 時，說明智能車已經行至車庫，則執(zhí)行入庫程序，這里主要利用單片機的定時器功能，通過定時來控制電機方向和舵機轉角，至此整個程序運行結束。主程序流程如圖 41 所示。 NNNYYY開 始系 統(tǒng) 初 始 化參 數(shù) c x = 0小 車 自 動 入 庫車 道 信 息采 集 及 處 理交 通 燈 信 息采 集 及 處 理舵 機 控 制 1舵 機 控 制 2參 數(shù) c x = 1參 數(shù) c x = 2 圖 41 主程序流程圖 22 初始化程序設計 鎖相環(huán)初始化設計 單片機一般采用內部振蕩的方式為其提供時鐘源，振蕩器時鐘二分頻后作為 MCU內部總線時鐘。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。 MC9S12XS128 單片機內部集成了時鐘產生模塊，可利用外部穩(wěn)定的振蕩器頻率，鎖定內部更高的壓控振蕩器頻率作為系統(tǒng)時鐘，其鎖相環(huán)時鐘可達 80MHz，即使內部總線時鐘達到 40MHz[27]。 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。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。 ?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，應該選擇盡可能大的 REFDV，綜合考慮到其他因素，程序中設置其值為 1； SYNR 的值由時鐘合成寄存器的后 5 位決定，設計中要求內部總線的時鐘頻率達到 40MHz，所以這里設置時鐘合成寄存器的值為 0x44，即 SYNR 的值為 4。 TIM 模塊初始化設計 MC9S12XS128 單片機內部設置有定時器 TIM 模塊，其全稱是 Timer Module，這部分可以完成輸入捕捉、輸出比較和脈沖累加等功能，可用于測量輸 入波形、產生輸出波形、統(tǒng)計脈沖或邊沿個數(shù)，還可用于作為時間基準使用。 TIM 模塊的主要組成部分有 1個 16 位自由運行計數(shù)器、 1 個 16 位脈沖累加器和 8 個 16 位輸入捕捉 /輸出比較通道，通過可編程預分頻器為其提供時鐘源 [28]。這里使用的是 TIM 模塊的輸入捕捉功能，輸入捕捉功能是通過捕捉 16 位自由運行計數(shù)器的計算值來檢測外部事件和輸入變化的。 23 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。 與輸入捕捉功能相關的寄存器有定時器系統(tǒng)控制寄存器 1（ TSCR1）、定時器輸入捕捉 /輸出比較選擇寄存器（ TIOS）、定時器控制寄存器 3（ TCTL3）、定時器控制寄存器 4（ TCTL4）及定時器中斷使能寄存器（ TIE）等。其中 TSCR1 寄存器控制定時器的使能位； TIOS 寄存器用于選擇定時器的具體功能，清零時相應通道起輸入捕捉的作用，置一時相應通道起輸出比較的作用，硬件上需要 5個輸入捕捉端口，因此 TIOS的值為 0xe0，即通道 0、 3 和 4 作為輸入捕捉端口； TCTL3 和 TCTL4 是輸入捕捉邊沿控制位 ，程序上將其分別設置為 0x01 和 0x55，也就是說 5 個端口都是上升沿捕捉； TIM 寄存器控制定時器的中斷使能位。 PIT 模塊初始化設計 周期中斷定時器 PIT 模塊的全稱是 Periodic Interrupt Timer，其主要作用是周期性產生中斷和外設模塊觸發(fā)，其包含 4 路 24 位定時器，程序中利用 PIT 模塊實現(xiàn)定時功能。PIT 模塊的工作原理是：通過片內總線時鐘的 8 位微計數(shù)器減一操作完成，當此微計數(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 產生定時器溢出中斷，從而完成計時功能。 XS128 單片機的這部分有運行、等待、停止和凍結四種工作模式 [29]。 設計中決定 PIT 模塊定時時間的寄存器是微定時器加載寄存器和加載寄存器，其中微定時器加載寄存器是給微定時器 0 和 1 裝載數(shù)據(jù)的，加載寄存器為 16 為計數(shù)器裝載計數(shù)初值。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。 T =(A+1)?(B+1)/?BUSCLK （ 42） 在上面已經設計了 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。此外，其他的寄存器決定了 PIT 的主要工作功能，定時器的定時通道選擇 0，多路選擇寄存器的值設置為 0x00，即設定通道 0 連接的微定時基準計數(shù)器也是 0，同時要開啟定時器中斷使能。 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。 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。 MCS12XS128 內置的 PWM 模塊包括 8 路具有可編程周期和占空比的 PWM 通道，亦可通過設置變?yōu)?4 個 16 位的 PWM 通道，每個通道由獨立運行的 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]。 設計中用到 3 路 PWM 控制，即舵機控制和電機控制，其中電機要 實現(xiàn)正反轉，所以電機需要兩路 PWM 控制。將 PWM 控制寄存器的值設置為 0x70，實現(xiàn)通道 0 和 2和 4 和 5 的 16 位級聯(lián)；極性寄存器決定了先輸出電平的高低，則設置其的大小為 0xff，PWM 信號在周期開始時輸出高電平，達到占空比計數(shù)后翻轉為低電平；要輸出精確的脈寬調制信號，首先要選擇和設置時鐘參數(shù)，程序中設置預分頻時鐘選擇寄存器為 0x33，即時鐘 A 和 B 的頻率為總線頻率的四分之一（ 40/4=10MHz）。比例因子 A 寄存器和比例因子 B 寄存器的值都為 20，即時鐘 SA 和 SB 的頻率為時鐘 A 和 B 的四十分之一（ ）。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）來設置，周期計算如式 43 所示。 P W M P E RT ?? 時鐘周期 （ 43） 上面已經設置了時鐘周期為 4 毫秒，又因為要求 PWM 周期為 20ms，由此可計算出通道周期寄存器的值為 5000。信號的占空比可由通道占空比寄存器（ PWMDTY）來調節(jié)，具體計算如式 44 所示。 %10 0/ ?? P W M P E RP W M D T Y占空比 （ 44） AD 轉換初始化設計 CCD 攝像頭輸出的是模擬信號，而單片機只能接受數(shù)字量進行計算，所以需要將CCD 的模擬信號轉換成數(shù)字信號。轉換方法可以利用專用的 AD 轉換器實現(xiàn)，這種方法轉換速度較快，但需要設計相關的外圍電路，也可以用 XS128 單片機內置的 AD 模塊， 25 為了充分開發(fā)單片機的內部資源，這里使用第二種方法。 MC9S12XS128 內部包含 16 路模擬輸入通道，轉換位數(shù)有 8 位、 10 位 和 12 位三種，具有數(shù)據(jù)對齊方式、單次 /連續(xù)轉換、結果比較等多種轉換方式 [31]。 設置 AD轉換結果為 8位右對齊的數(shù)據(jù)，即 AD控制寄存器 1和 5的數(shù)值分別為 0x00、0x20，由此可知 AD 的轉換精度為 28，因為單片機的參考電壓輸入為 0～ 5V，所以 AD轉換的最小分辨電壓為 毫伏。 AD 的轉換時鐘可由控制寄存器 4 來確定，計算如式45 所示。 ?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。此外，設置 AD 模塊在連續(xù)轉換模式下工作，其轉換結果從結果寄存器的第一位開始依次存放，用到最后一個結果寄存器，再返回到第一個接著 存放。 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。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。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黑色引導線，因此干擾比較小，黑線與白色低板在攝像頭中轉換的電壓值差距很大，根據(jù)實驗可知，黑線在單片機中反應的數(shù)字量在 90 左右，而白色底板在單片機中反應的數(shù)字量在 140 左右，所以設置二值化的閥值為 130。而在采集信號燈的過程中并不需要對采集的數(shù)據(jù)進行二值化處理。 硬件設計中用單片機 26 的輸入捕捉來采集攝像頭的行場中斷，所以在軟件設計中，將數(shù)據(jù)采集模塊放在行中斷里面。攝像頭采集數(shù)據(jù)程序流程 如圖 42 所示。 NNNN行 中 斷 開 始清 行 中 斷 標 志 位行 參 數(shù) r o w 加 1