【正文】 化的閥值為130。 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(xiàn)信息調(diào)整小車(chē)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。?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)，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)。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。轉(zhuǎn)換方法可以利用專(zhuān)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，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。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。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。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(xiàn)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(guò)設(shè)置變?yōu)?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]。 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。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(xiàn)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。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。PIT模塊的工作原理是：通過(guò)片內(nèi)總線(xiàn)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。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。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(chē)庫(kù)信息，捕捉端口PT4用于檢測(cè)左車(chē)庫(kù)信息。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]。?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(xiàn)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。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。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(xiàn)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。主程序流程如圖41所示。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(chē)與中心黑線(xiàn)的偏差，將偏差送給舵機(jī)1子程序，調(diào)整小車(chē)的狀態(tài)；當(dāng)cx的值為1時(shí)，說(shuō)明小車(chē)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(chē)的轉(zhuǎn)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(shí)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(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。右側(cè)車(chē)庫(kù)接受管的信號(hào)引腳與單片機(jī)PT2口連接，左側(cè)車(chē)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(xiàn)與單片機(jī)PT4口連接。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。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(chēng)為光電導(dǎo)。在沒(méi)有光照時(shí)，反向電流很?。ǎQ(chēng)為暗電流。紅外接收管的工作原理是：紅外線(xiàn)接收管核心部件是一個(gè)特殊材料的PN結(jié)，在結(jié)構(gòu)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(xiàn)，紅外線(xiàn)接收管PN結(jié)面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。 紅外對(duì)管電路 紅外線(xiàn)是光譜中波長(zhǎng)從760至400微米的電磁波，其是不可見(jiàn)光線(xiàn)，人眼無(wú)法識(shí)別，紅外線(xiàn)可用于檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是受其他光線(xiàn)影響較小。一般舵機(jī)的位置等級(jí)有1024個(gè)，脈沖控制精度為2us（2ms/1024）。由此可推導(dǎo)出舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與脈沖寬度的計(jì)算公式，如果要求舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)X度，則脈沖高電平時(shí)間T的計(jì)算如式33所示。在這選用的舵機(jī)型號(hào)是S3010。舵機(jī)內(nèi)部含有一個(gè)基準(zhǔn)電路，它可以產(chǎn)生周期為20ms，將電位器電壓與直流偏置電壓進(jìn)行比較獲得電壓差輸出，最后電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。圖311 舵機(jī)接線(xiàn)圖單片機(jī)的PWM控制信號(hào)傳給舵機(jī)的紅色端口，通過(guò)占空比的不同來(lái)控制舵機(jī)的位置。舵機(jī)的控制是智能車(chē)尋跡行走的關(guān)鍵，要求舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有準(zhǔn)確的角度控制和快速響應(yīng)的能力。 舵機(jī)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)中使用舵機(jī)對(duì)小車(chē)前進(jìn)方向控制，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)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(jī)是一種學(xué)名，它其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。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(hào)輸入端，在其之前接一個(gè)電容濾除雜波，與此同時(shí)視頻信號(hào)也接入單片機(jī)的AD0口；VSYNC引腳（即3腳）為場(chǎng)同步信號(hào)輸出端，與單片機(jī)輸入捕捉端口PT1連接，當(dāng)攝像頭信號(hào)的場(chǎng)同步脈沖到來(lái)時(shí)，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(hào)輸出端，與單片機(jī)輸入捕捉端口PT0連接，當(dāng)信號(hào)中的行同步脈沖到來(lái)時(shí)，該端將變?yōu)榈碗娖?；ODD引腳為奇偶同步信號(hào)輸出端，當(dāng)攝像頭信號(hào)處于奇場(chǎng)時(shí)，該端為高電平，當(dāng)處于偶場(chǎng)時(shí)，為低電平?，F(xiàn)在進(jìn)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(guò)單片機(jī)AD提取，因?yàn)樾型矫}沖、消隱脈沖或場(chǎng)同步脈沖信號(hào)的電平低于視頻信號(hào)電壓，可以在軟件上設(shè)置一個(gè)電壓閥值，通過(guò)對(duì)采集信號(hào)判斷出各種同步信號(hào)；硬件方法是利用外部芯片提取出攝像頭信號(hào)的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖以供單片機(jī)作控制之用。經(jīng)示波器測(cè)試有效視頻信號(hào)的電壓范圍為2～3V。圖39 攝像頭視頻信號(hào)我國(guó)的電視標(biāo)準(zhǔn)為PAL制式，黑白視頻信號(hào)規(guī)定每幀圖像共625行，有一些行要用作場(chǎng)消隱，是不包含視頻信號(hào)的，按照CCIR656標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的行編號(hào)方法，[22]。場(chǎng)同步脈沖標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來(lái)，但是場(chǎng)消隱區(qū)恰好跨在下一場(chǎng)的開(kāi)始部分和上一場(chǎng)的結(jié)尾部分，只有等場(chǎng)消隱區(qū)過(guò)去，下一場(chǎng)的視頻信號(hào)才真正到來(lái)[21]。因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的方式，所以攝像頭跳過(guò)一行后，就開(kāi)始掃描新的一行，如此下去直到掃描完該場(chǎng)的視頻信號(hào)。具體過(guò)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(hào)，該電壓信號(hào)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(jiàn)的攝像頭就是單板與鏡頭、外殼、引線(xiàn)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(jī)AD模塊組成，攝像頭輸出的視頻信號(hào)，一路傳給分離電路，分離出相應(yīng)的場(chǎng)行同步信號(hào)；一路傳給單片機(jī)AD口，便于有用信號(hào)的采集，即視頻信號(hào)是AD采集的基礎(chǔ)。圖38 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖中RRR5和R6為電路的限流電阻，起保護(hù)電路的作用，防止過(guò)大的感應(yīng)電壓對(duì)芯片內(nèi)部邏輯電路造成傷害，根據(jù)實(shí)驗(yàn)選用阻值10K比較理想。由于電機(jī)在進(jìn)行PWM調(diào)制時(shí)三極管開(kāi)關(guān)速率較快，導(dǎo)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(gè)470uF的電容。將IN腳與單片機(jī)的PWM輸出口連接，當(dāng)IN為高電平且INH為高電平時(shí)，高邊MOSET三極管導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；當(dāng)IN為低電平且INH為高電平時(shí)，低邊MOSET三極管導(dǎo)通，OUT引腳輸出為低電平。使用兩片BTS7960構(gòu)成電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)，一片就相當(dāng)于一側(cè)的半橋。其內(nèi)部含有一個(gè)N溝道的低邊MOSFET、一個(gè)P溝道的高邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC，驅(qū)動(dòng)IC具有電流診斷、邏輯電平輸入、斜率調(diào)節(jié)和過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路保護(hù)等功能。選用BTS7960作為主控芯片。H橋示意圖如圖37所示。但需要注意的是同側(cè)三極管不能一起導(dǎo)通，否則會(huì)導(dǎo)致短路。如要使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，就要使位于對(duì)角上的三極管導(dǎo)通，根據(jù)導(dǎo)通情況不同，電流會(huì)從左至右或從右至左的流過(guò)電機(jī)，從而達(dá)到對(duì)單片機(jī)的正反控制。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要求不僅能夠使電機(jī)在所需轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，而且要求能夠?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)的功能，所以需要使用H橋?qū)﹄姍C(jī)驅(qū)動(dòng)?！?，堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)24A。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)速度控制性能優(yōu)良，其輸出轉(zhuǎn)矩較大，可直接拖動(dòng)后輪負(fù)載，重要的是可通過(guò)調(diào)節(jié)控制脈沖直接控制轉(zhuǎn)速和方向。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱(chēng)為電樞，組成部分有轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。 直流電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)RS380簡(jiǎn)介 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。 （32）根據(jù)MC34063工作頻率等特性，可以計(jì)算出定時(shí)電容CT的大小為470pF,濾波電容C和C0的大小都為100uF。圖36 12V穩(wěn)壓電路圖，根據(jù)MC34063的工作原理可知，電路輸出電壓的大小只與電阻R1和R2有關(guān)，但R1R2的阻值不能過(guò)小，否則支路的分流電流將會(huì)變大，導(dǎo)致輸出端的負(fù)載能力下降。當(dāng)該電阻上的壓降接近于300mV時(shí)，電流限制功能便被啟用，主要是通過(guò)對(duì)CT引腳上定時(shí)電容進(jìn)行快速充電，從而減少充電時(shí)間和輸出開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，其結(jié)果是輸出開(kāi)關(guān)的關(guān)閉時(shí)間減少，電路中的電流大小下降，達(dá)到電流限制功能[19]。當(dāng)C端和D端有一端為低電平時(shí)，觸發(fā)器被置為低電平，輸出開(kāi)關(guān)管就被關(guān)閉。當(dāng)比較器的輸入電平低于閥值電平時(shí)，與門(mén)的D輸入端表現(xiàn)為高電平，反之，則表現(xiàn)為低電平。因?yàn)槌潆姾头烹姷碾娏鞫际呛愣ǖ模哉袷幤鞯恼袷庮l率完全取決于定時(shí)電容的容量。其輸入的工作電壓為3～40V，工作頻率為100KHz，基準(zhǔn)度為2%。 12V電源電路設(shè)計(jì)CCD攝像頭的額定工作電壓是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。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。輸出電壓的計(jì)算方法如式31所示。6V穩(wěn)壓電路原理圖如圖35所示。此外當(dāng)輸入輸出壓差超過(guò)3V 時(shí), 芯片內(nèi)部有專(zhuān)門(mén)的電路將引腳地的靜態(tài)電流減小。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。5V穩(wěn)壓電路原理圖如圖34所示?，F(xiàn)在常用的5V穩(wěn)壓芯片有LM780LM2940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。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(lèi)，其中鎳氫電池電路簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟而且價(jià)格便宜，其額定容量為1300mAh。 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(mǎn)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)。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。按