【導(dǎo)讀】現(xiàn)了小車自動(dòng)停車入庫(kù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將Freescale16位單片機(jī)MC9S12XS128作為系統(tǒng)微。識(shí)別電路及對(duì)管定位電路，并介紹了電路相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。自動(dòng)從車場(chǎng)入口行駛至指定空車位，并準(zhǔn)確停車入庫(kù)。通過(guò)CCD攝像頭采集道路信息并。像頭來(lái)提取信號(hào)燈的指向，進(jìn)而指引小車正確駛向車庫(kù)。

　　

【正文】 電流。 在有紅外線光照時(shí)， 攜帶能量的紅外線光子進(jìn)入 PN 結(jié)后，把能量傳給 共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì) 。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電 流也越大，這種特性稱為光電導(dǎo) 。紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生 的電流叫光電流 [25]。如果外電路上存在負(fù)載，負(fù)載上的電壓信號(hào)就會(huì)隨之光強(qiáng)度的變化而變化。 在本次實(shí)驗(yàn) 中選用的 3個(gè)是 NPN常開(kāi)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(cè)車庫(kù)接受管的信號(hào)引腳與單片機(jī) PT2口連接，左側(cè)車庫(kù)接受管的信號(hào)引腳與單片機(jī) PT3口連接，十字路口接收管的信號(hào)引線與單片機(jī) PT4口連接。紅外接受與單片機(jī)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(gè) 1K 左右的上拉電阻可直接接單片機(jī)的 IO 口，當(dāng)紅外接收管沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，其信號(hào)輸出端在上拉電阻的作用下呈現(xiàn)高電平；當(dāng)有紅外信號(hào)射向接收管時(shí)，其輸出端呈現(xiàn)為低電平。 21 第四章 軟件設(shè)計(jì) 主函數(shù) 主函數(shù)是整個(gè)程序的入口，實(shí)現(xiàn)軟件功能的主體，這里主要完成的任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化及在不同條件下調(diào)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(shí)初始化、 PWM 初始化以及 AD 初始化。通過(guò)輸入捕捉功能檢測(cè)單片機(jī) PT2 口、 PT3 口和 PT4 口電平的高低變化，從而改變程序調(diào)用參數(shù) cx 的數(shù)值，根據(jù) cx 的大小決定主函數(shù)調(diào)用各子函數(shù)。當(dāng) cx的值為 0 時(shí)，執(zhí)行自動(dòng)循跡子程序，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部 AD 對(duì) 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(jī) 1 子程序，調(diào)整小車的狀態(tài)；當(dāng) cx 的值為 1 時(shí)，說(shuō)明小車已經(jīng)行駛到十字路口，同樣用 AD 將信號(hào)燈的數(shù)據(jù)采集出來(lái)，通過(guò)辨別信號(hào)燈的指向，確定小車的轉(zhuǎn)向。當(dāng) cx 的值為 2 時(shí)，說(shuō)明智能車已經(jīng)行至車庫(kù)，則執(zhí)行入庫(kù)程序，這里主要利用單片機(jī)的定時(shí)器功能，通過(guò)定時(shí)來(lái)控制電機(jī)方向和舵機(jī)轉(zhuǎn)角，至此整個(gè)程序運(yùn)行結(jié)束。主程序流程如圖 41 所示。 NNNYYY開(kāi) 始系 統(tǒng) 初 始 化參 數(shù) c x = 0小 車 自 動(dòng) 入 庫(kù)車 道 信 息采 集 及 處 理交 通 燈 信 息采 集 及 處 理舵 機(jī) 控 制 1舵 機(jī) 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(shè)計(jì) 鎖相環(huán)初始化設(shè)計(jì) 單片機(jī)一般采用內(nèi)部振蕩的方式為其提供時(shí)鐘源，振蕩器時(shí)鐘二分頻后作為 MCU內(nèi)部總線時(shí)鐘。如果想要系統(tǒng)有更加快速的 運(yùn)行速率，那么可以通過(guò)提高內(nèi)部總線時(shí)鐘頻率的方法實(shí)現(xiàn)，但過(guò)高的外部時(shí)鐘容易受到干擾，同時(shí)其也會(huì)影響其他器件的正常工作。 MC9S12XS128 單片機(jī)內(nèi)部集成了時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，可利用外部穩(wěn)定的振蕩器頻率，鎖定內(nèi)部更高的壓控振蕩器頻率作為系統(tǒng)時(shí)鐘，其鎖相環(huán)時(shí)鐘可達(dá) 80MHz，即使內(nèi)部總線時(shí)鐘達(dá)到 40MHz[27]。 與鎖相環(huán)相關(guān)的寄存器有時(shí)鐘分頻寄存器（ REFDV）、時(shí)鐘合成寄存器（ SYNR）、鎖相環(huán)控制寄存器、時(shí)鐘產(chǎn)生標(biāo)志寄存器、時(shí)鐘后分頻寄存器以及時(shí)鐘選擇寄存器。其中后分頻寄存器用于設(shè)定 ?VCOCLK 與 ?PLLCLK 之間的頻率比例，一般比例為 1， ?VCOCLK為內(nèi)部壓控振蕩器頻率， ?PLLCLK 為鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率；時(shí)鐘選擇寄存器用于控制總線時(shí)鐘的選擇，這里選擇鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率的二分頻作為內(nèi)部總線的時(shí)鐘；鎖相環(huán)控制寄存器用于確定鎖相環(huán)的功能；時(shí)鐘分頻寄存器和時(shí)鐘合成寄存器用于確定鎖相環(huán)與內(nèi)部總線的時(shí)鐘頻率，內(nèi)部總線時(shí)鐘頻率 ?BUSCLK 的計(jì)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(shí)鐘分頻寄存器的后 5 位確定，為了使鎖相環(huán)穩(wěn)定，應(yīng)該選擇盡可能大的 REFDV，綜合考慮到其他因素，程序中設(shè)置其值為 1； SYNR 的值由時(shí)鐘合成寄存器的后 5 位決定，設(shè)計(jì)中要求內(nèi)部總線的時(shí)鐘頻率達(dá)到 40MHz，所以這里設(shè)置時(shí)鐘合成寄存器的值為 0x44，即 SYNR 的值為 4。 TIM 模塊初始化設(shè)計(jì) MC9S12XS128 單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置有定時(shí)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(cè)量輸 入波形、產(chǎn)生輸出波形、統(tǒng)計(jì)脈沖或邊沿個(gè)數(shù)，還可用于作為時(shí)間基準(zhǔn)使用。 TIM 模塊的主要組成部分有 1個(gè) 16 位自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器、 1 個(gè) 16 位脈沖累加器和 8 個(gè) 16 位輸入捕捉 /輸出比較通道，通過(guò)可編程預(yù)分頻器為其提供時(shí)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(guò)捕捉 16 位自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器的計(jì)算值來(lái)檢測(cè)外部事件和輸入變化的。 23 捕捉端口 PTO 用于檢測(cè)視頻的行同步信號(hào)，捕捉端口 PT1 用于檢測(cè)視頻的場(chǎng)同步信號(hào)，捕捉端口 PT2 用于檢測(cè)交叉口的對(duì)管信息，捕捉端口 PT3 用于檢測(cè)右車庫(kù)信息，捕捉端口 PT4 用于檢測(cè)左 車庫(kù)信息。 與輸入捕捉功能相關(guān)的寄存器有定時(shí)器系統(tǒng)控制寄存器 1（ TSCR1）、定時(shí)器輸入捕捉 /輸出比較選擇寄存器（ TIOS）、定時(shí)器控制寄存器 3（ TCTL3）、定時(shí)器控制寄存器 4（ TCTL4）及定時(shí)器中斷使能寄存器（ TIE）等。其中 TSCR1 寄存器控制定時(shí)器的使能位； TIOS 寄存器用于選擇定時(shí)器的具體功能，清零時(shí)相應(yīng)通道起輸入捕捉的作用，置一時(shí)相應(yīng)通道起輸出比較的作用，硬件上需要 5個(gè)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(shè)置為 0x01 和 0x55，也就是說(shuō) 5 個(gè)端口都是上升沿捕捉； TIM 寄存器控制定時(shí)器的中斷使能位。 PIT 模塊初始化設(shè)計(jì) 周期中斷定時(shí)器 PIT 模塊的全稱是 Periodic Interrupt Timer，其主要作用是周期性產(chǎn)生中斷和外設(shè)模塊觸發(fā)，其包含 4 路 24 位定時(shí)器，程序中利用 PIT 模塊實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。PIT 模塊的工作原理是：通過(guò)片內(nèi)總線時(shí)鐘的 8 位微計(jì)數(shù)器減一操作完成，當(dāng)此微計(jì)數(shù)器的數(shù)值減到 0 時(shí)，就會(huì)觸發(fā)高 16 位計(jì)數(shù)器做一次減一操作，如此循環(huán)計(jì)數(shù)直到這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的數(shù)值都減到 0，則就會(huì) 產(chǎn)生定時(shí)器溢出中斷，從而完成計(jì)時(shí)功能。 XS128 單片機(jī)的這部分有運(yùn)行、等待、停止和凍結(jié)四種工作模式 [29]。 設(shè)計(jì)中決定 PIT 模塊定時(shí)時(shí)間的寄存器是微定時(shí)器加載寄存器和加載寄存器，其中微定時(shí)器加載寄存器是給微定時(shí)器 0 和 1 裝載數(shù)據(jù)的，加載寄存器為 16 為計(jì)數(shù)器裝載計(jì)數(shù)初值。如果 16 位計(jì)數(shù)器和 8 位微計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的加載寄存器的值分別是 A 和 B，則定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的計(jì)算如式 42 所示。 T =(A+1)?(B+1)/?BUSCLK （ 42） 在上面已經(jīng)設(shè)計(jì)了 系統(tǒng)內(nèi)部總線的時(shí)鐘頻率為 40MHz，這部分設(shè)計(jì)要求定時(shí)最小時(shí)間為 100ms，再通過(guò)這個(gè)時(shí)間進(jìn)行更大時(shí)間的計(jì)時(shí)，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(shí)器的定時(shí)通道選擇 0，多路選擇寄存器的值設(shè)置為 0x00，即設(shè)定通道 0 連接的微定時(shí)基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器也是 0，同時(shí)要開(kāi)啟定時(shí)器中斷使能。 24 PWM 模塊初始化設(shè)計(jì) 脈沖寬度調(diào)制 PWM 是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的常用功能之一，即產(chǎn)生一個(gè)在低電平和高電平之間交替重復(fù)的方波輸出信號(hào)，通過(guò)軟件編程可以調(diào)節(jié)方波信號(hào)波形的占空比、周期以及 相位。 S12XS 系列單片機(jī)可以通過(guò)兩種方式產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，一種是利用 TIM 模塊的比較功能，另一種是采用 MCU 內(nèi)置的 PWM 模塊實(shí)現(xiàn)，前者可通過(guò)軟件編程設(shè)定輸出任意脈沖信號(hào)，但其不易產(chǎn)生精確的脈沖序列，后者專門(mén)用于輸出 PWM 信號(hào)，而且占用的 CPU 資源極少。 MCS12XS128 內(nèi)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(guò)設(shè)置變?yōu)?4 個(gè) 16 位的 PWM 通道，每個(gè)通道由獨(dú)立運(yùn)行的 8 位通道計(jì)數(shù)器、通道周期寄存器和占空比寄存器等組成 [30]。 設(shè)計(jì)中用到 3 路 PWM 控制，即舵機(jī)控制和電機(jī)控制，其中電機(jī)要 實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，所以電機(jī)需要兩路 PWM 控制。將 PWM 控制寄存器的值設(shè)置為 0x70，實(shí)現(xiàn)通道 0 和 2和 4 和 5 的 16 位級(jí)聯(lián)；極性寄存器決定了先輸出電平的高低，則設(shè)置其的大小為 0xff，PWM 信號(hào)在周期開(kāi)始時(shí)輸出高電平，達(dá)到占空比計(jì)數(shù)后翻轉(zhuǎn)為低電平；要輸出精確的脈寬調(diào)制信號(hào)，首先要選擇和設(shè)置時(shí)鐘參數(shù)，程序中設(shè)置預(yù)分頻時(shí)鐘選擇寄存器為 0x33，即時(shí)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(shí)鐘 SA 和 SB 的頻率為時(shí)鐘 A 和 B 的四十分之一（ ）。選擇時(shí)鐘 SA 作為通道 1 和 5 的時(shí)鐘源，選擇時(shí)鐘 SB作為通道 3 的時(shí)鐘源，即時(shí)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(lái)設(shè)置，周期計(jì)算如式 43 所示。 P W M P E RT ?? 時(shí)鐘周期 （ 43） 上面已經(jīng)設(shè)置了時(shí)鐘周期為 4 毫秒，又因?yàn)橐?PWM 周期為 20ms，由此可計(jì)算出通道周期寄存器的值為 5000。信號(hào)的占空比可由通道占空比寄存器（ PWMDTY）來(lái)調(diào)節(jié)，具體計(jì)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(zhuǎn)換初始化設(shè)計(jì) CCD 攝像頭輸出的是模擬信號(hào)，而單片機(jī)只能接受數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算，所以需要將CCD 的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。轉(zhuǎn)換方法可以利用專用的 AD 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，這種方法轉(zhuǎn)換速度較快，但需要設(shè)計(jì)相關(guān)的外圍電路，也可以用 XS128 單片機(jī)內(nèi)置的 AD 模塊， 25 為了充分開(kāi)發(fā)單片機(jī)的內(nèi)部資源，這里使用第二種方法。 MC9S12XS128 內(nèi)部包含 16 路模擬輸入通道，轉(zhuǎn)換位數(shù)有 8 位、 10 位 和 12 位三種，具有數(shù)據(jù)對(duì)齊方式、單次 /連續(xù)轉(zhuǎn)換、結(jié)果比較等多種轉(zhuǎn)換方式 [31]。 設(shè)置 AD轉(zhuǎn)換結(jié)果為 8位右對(duì)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(zhuǎn)換精度為 28，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的參考電壓輸入為 0～ 5V，所以 AD轉(zhuǎn)換的最小分辨電壓為 毫伏。 AD 的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘可由控制寄存器 4 來(lái)確定，計(jì)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(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)決定 ，設(shè)置 AD時(shí)鐘預(yù)分頻因子時(shí)，要使 ?ATDCLK 的值不小于 ，同時(shí)不大于 ，所以設(shè)置控制寄存器 4 的值為 0x04， ATDCTL4 的高 4 為決定了采樣時(shí)間與轉(zhuǎn)換時(shí)間的倍數(shù)，即采樣時(shí)間是 AD 轉(zhuǎn)換時(shí)間的 4 倍，所以 AD 的進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間為 1 微妙，而CCD 攝像頭輸出信號(hào)每行持續(xù)的時(shí)間為 40 毫秒，也就是說(shuō)通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部 AD 每行可以采集 40 點(diǎn)，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)中每行只能采集 20 點(diǎn)。此外，設(shè)置 AD 模塊在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下工作，其轉(zhuǎn)換結(jié)果從結(jié)果寄存器的第一位開(kāi)始依次存放，用到最后一個(gè)結(jié)果寄存器，再返回到第一個(gè)接著 存放。 道路模塊程序設(shè)計(jì) 道路信息采集程序設(shè)計(jì) 道路模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò)采集道路黑線信息調(diào)整小車的狀態(tài)，上面已經(jīng)介紹了通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部 AD 可以對(duì)畫(huà)面上每行采集 20 個(gè)點(diǎn)，由 CCD 攝像頭的原理可知，每場(chǎng)畫(huà)面上包含 300 行左右，而這里并不需要對(duì)每一行的信息都進(jìn)行采集，而且又考慮單片機(jī)的運(yùn)行速率，設(shè)計(jì)中設(shè)置每場(chǎng)畫(huà)面采集 37 行，采集的行信息用數(shù)組 get_n[]來(lái)表示。因?yàn)樵?AD 初始化中設(shè)置其為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，所以采集每行點(diǎn)的數(shù)據(jù)值依次存放在 AD的 16 個(gè)結(jié)果寄存器中，這就要求在提取數(shù)據(jù)的過(guò)程中也要依 次讀取這 16 個(gè)寄存器。對(duì)于每個(gè)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，可以直接用于數(shù)據(jù)處理，也可以對(duì)其先進(jìn)行二值化再做數(shù)據(jù)處理， 因?yàn)檐嚨朗窃诎咨装迳箱佋O(shè)黑色引導(dǎo)線，因此干擾比較小，黑線與白色低板在攝像頭中轉(zhuǎn)換的電壓值差距很大，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，黑線在單片機(jī)中反應(yīng)的數(shù)字量在 90 左右，而白色底板在單片機(jī)中反應(yīng)的數(shù)字量在 140 左右，所以設(shè)置二值化的閥值為 130。而在采集信號(hào)燈的過(guò)程中并不需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理。 硬件設(shè)計(jì)中用單片機(jī) 26 的輸入捕捉來(lái)采集攝像頭的行場(chǎng)中斷，所以在軟件設(shè)計(jì)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(kāi) 始清 行 中 斷 標(biāo) 志 位行 參 數(shù) r o w 加 1