【正文】 NNNN行 中 斷 開 始清 行 中 斷 標 志 位行 參 數(shù) r o w 加 1。 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。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。 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(diào)整小車的狀態(tài)，上面已經(jīng)介紹了通過單片機內(nèi)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。 ?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(nèi)部 AD 每行可以采集 40 點，但實際實驗中每行只能采集 20 點。 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。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(nèi)置的 AD 模塊， 25 為了充分開發(fā)單片機的內(nèi)部資源，這里使用第二種方法。信號的占空比可由通道占空比寄存器（ PWMDTY）來調(diào)節(jié)，具體計算如式 44 所示。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。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(diào)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）。 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]。 24 PWM 模塊初始化設計 脈沖寬度調(diào)制 PWM 是嵌入式應用系統(tǒng)的常用功能之一，即產(chǎn)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(diào)節(jié)方波信號波形的占空比、周期以及 相位。 T =(A+1)?(B+1)/?BUSCLK （ 42） 在上面已經(jīng)設計了 系統(tǒng)內(nèi)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。 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。PIT 模塊的工作原理是：通過片內(nèi)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(chǎn)生定時器溢出中斷，從而完成計時功能。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。 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。 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]。 ?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(nèi)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。 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(chǎn)生標志寄存器、時鐘后分頻寄存器以及時鐘選擇寄存器。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(nèi)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。主程序流程如圖 41 所示。當 cx的值為 0 時，執(zhí)行自動循跡子程序，通過單片機內(nèi)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(diào)整小車的狀態(tài)；當 cx 的值為 1 時，說明小車已經(jīng)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。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。 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。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。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。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 。在沒有光照時，反向電流很小（一般小于 ） ， 稱為暗電流。紅外接收管的工作原理是： 紅外線接收管核心部件是一個特殊材料 20 的 PN 結， 在結構上 與普通二極 管相比有很大的改變，為了能夠更多更大面積的接受入射光線，紅外線接收管 PN 結面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且 PN結的結深很淺，一般小于 1微米。 紅外對管電路 紅外線是光譜中波 長從 760至 400微米的電磁波，其是不可見光線，人眼無法識別，紅外線可用于檢測的優(yōu)點是受其他光線影響較小。一般舵機的位置等級有 1024個，由此可計算出舵機角度精度等級為 ，脈沖控制精度為 2us（ 2ms/1024），即脈沖每改變 2us舵機就轉動 。由此可推導出舵機轉動角度與脈沖寬度的計算公式，如果要求舵機轉動 X度，則脈沖高電平時間 T的計算如式 33所示。 在這選用的舵機型號是 S3010，其在 6V電壓時轉動速度可達 60度。舵機內(nèi)部含有一個基準電路，它可以 產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 ，將電位器電壓與直流偏置電壓進行比較獲得電壓差輸出，最后電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。 舵 機 插 頭 紅 線白 線黑 線 圖 311 舵機接線圖 單片機的 PWM控制信號傳給舵機的紅色端口，通過占空比的不同來控制舵機的位置。 舵機的控制是智能車 19 尋跡行走的關鍵，要求舵機驅動的轉向機構具有準確的角度控制和快速響應的能力。 舵機及舵機驅動電路 本設計中使用舵機對小車前進方向控制，舵機是一種位置伺服的驅動器，可以用于那些需要角度不斷變化并可以保持 的控制系統(tǒng)，舵機是一種學名，它其實是一種伺服馬達。 圖 310 攝像頭圖像采集電路 如上圖所示 CVBS引腳（即 2腳）為視頻信號輸入端，在其之前接一個電容濾除雜波，與此同時視頻信號也接入單片機的 AD0口； VSYNC引腳（即 3腳）為場同步信號輸出端，與單片機輸入捕捉端口 PT1連接， 當攝像頭信號的場同步 脈沖到來時，該端將變?yōu)榈碗娖?，一般維持 230us，然后重新變回高電平； CSYN引腳（即 2腳）為行同步信號輸出端，與單片機輸入捕捉端口 PT0連接， 當信號中的行同步脈沖到來時，該端將變?yōu)榈碗娖剑籓DD引腳為奇偶同步信號輸出端， 當攝像頭信號處于奇場時，該端為高電平，當處于偶場時，為低電平?，F(xiàn)在進行分離的方法可以分為硬件和軟件兩種：軟件方法是直接通過單片機 AD提取，因為行同步脈沖、消隱脈沖或場同步脈沖信號的電平低于視頻信號電壓， 18 可以在軟件上設置一個電壓閥值，通過對采集信號判斷出各種同步信號；硬件方法是利用外部芯片提取出 攝像頭信號的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖以供單片機作控制之用。經(jīng)示波器測試有效視頻信號的電壓范圍為 2～ 3V。 圖 39 攝像頭視頻信號 我國的電視標準為 PAL 制式，黑白視頻信號規(guī)定每幀圖像共 625 行，每場為 行，在每場的 行中，有一些行要用作場消隱，是不包含視頻信號的，按照 CCIR656標準規(guī)定的行編號方法，奇場的行號為第 1 至 行，偶場的行號為第 至 625行 [22]。場同步脈沖標志著新的一場的到來，但是場消隱區(qū)恰好跨在下一場的開 始部分和上一場的結尾部分，只有等場消隱區(qū)過去，下一場的視頻信號才真正到來 [21]。因為攝像頭是隔行掃描的方式，所以攝像頭跳過一行后，就開始掃描新的一行，如此下去直到掃描完該場的視頻信號。具體過程是攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的電壓視頻信號，該電壓信號的高低起伏正反映了 該行圖像的灰度變化情況。通常我們所見的攝像頭就是單板與鏡頭、外殼、引線和接頭組裝在一起而成的。 攝像頭的主要組成部分有鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路。 視頻采集電 路 視頻采集模塊主要有攝像頭、視頻分離電路以及單片機 AD 模塊組成，攝像頭輸出的視頻信號，一路傳給分離電路，分離出相應的場行同步信號；一路傳給單片機 AD 口，便于有用信號的采集，即視頻信號是 AD 采集的基礎。 16 圖 38 電機驅動電路 圖中 R R R5 和 R6 為電路的限流電阻，起保護電路的作用，防止過大的感應電壓對芯片內(nèi)部邏輯電路造成傷害， 根據(jù)實驗選用阻值 10K 比較理想。由于電機在進行 PWM 調(diào)制時三極管開關速率較快，導致電路產(chǎn)生較大的紋波電壓，所以在電源與地之間連接一個 470uF 的電容。將 IN 腳與單片機的 PWM 輸出口連接， 當 IN 為高電平且 INH 為高電平時，高邊 MOSET 三極管導通， OUT 引腳輸出高電平；當 IN 為低電平且 INH 為高電平時，低邊 MOSET 三極管導通， OUT 引腳輸出為低電平。 使用兩片 BTS7960 構成電機全橋驅動，一片就相當于一側的半橋。其內(nèi)部含有一個 N 溝道的低邊 MOSFET、一個 P 溝道的高邊 MOSFET 和一個驅動 IC，驅動 IC具有電流診斷、邏輯電平輸入、斜率調(diào)節(jié)和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護等功能。 選用 BTS7960 作為主控芯片。 H 橋示意圖如圖 37 所示。但需 15 要注意的是同側三極管不能一起導通，否則會導致短路。如要使電機轉動，就要使位于對角上 的三極管導通，根據(jù)導通情況不同，電流會從左至右或從右至左的流過電機，從而達到對單片機的正反控制。 電機驅動電路 電機驅動電路要求不僅能夠使電機在所需轉速轉動，而且要求能夠實現(xiàn)反轉的功能，所以需要使用 H 橋對電機驅動。工作電流的范圍為 ～ ，堵轉電流可達 24A。因為直流電機速度控制性能優(yōu)良，其輸出轉矩較大，可直接拖動后輪負載，重要的是可通過調(diào)節(jié)控制脈沖直接控制轉速和方向。運行時轉動的部分稱