【正文】 9第四章 軟件設(shè)計 21 主函數(shù) 21 初始化程序設(shè)計 22 鎖相環(huán)初始化設(shè)計 22 TIM模塊初始化設(shè)計 22 PIT模塊初始化設(shè)計 23 PWM模塊初始化設(shè)計 24 AD轉(zhuǎn)換初始化設(shè)計 24 道路模塊程序設(shè)計 25 道路信息采集程序設(shè)計 25 引導(dǎo)線提取程序設(shè)計 27 交通燈模塊程序設(shè)計 28 小車自動入庫程序設(shè)計 29第五章 總結(jié) 31參考文獻 32附錄A：系統(tǒng)硬件仿真原理圖 34附錄B1：最小系統(tǒng)PCB原理圖 35附錄B2：電機驅(qū)動PCB原理圖 35附錄B3：電源模塊PCB原理圖 36附錄C：系統(tǒng)C語言源程序 37第一章 引言 設(shè)計背景及意義智能停車場實驗室是我校信息工程學(xué)院為本科研究生實踐訓(xùn)練和課程研究搭建的模擬平臺，該實驗室可以為自動化和測控專業(yè)在數(shù)字電路實驗、模擬電路實驗和嵌入式實驗等方向上提供支持，為我院學(xué)生的學(xué)習(xí)生活又增添了一種新的方式。測控技術(shù)與儀器專業(yè)是一個理論與實踐并重的專業(yè)，理論性與應(yīng)用性都極強。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和開發(fā)能力，我校信息與工程學(xué)院先后創(chuàng)辦了創(chuàng)新基地與秋實工作室，智能停車場課題也是在此基礎(chǔ)上提出的。該項目為我們提供了一個學(xué)習(xí)的平臺，讓有興趣的同學(xué)參與開發(fā)研究，可以開闊大家的視野，激發(fā)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的熱情。此外，通過這個實驗室還可以增進與其他院校的交流，以達到相互學(xué)習(xí)共同進步的目的。如果這項技術(shù)成熟并投入使用，不但可以改變現(xiàn)在車場管理效率低下的現(xiàn)狀，而且可以實現(xiàn)車場無人化管理，節(jié)省人力物力。此外，如果停車場內(nèi)有對外開放的臨時車位，自動停車系統(tǒng)更加有利于對這些車位的管理。車輛的高速增長導(dǎo)致城市交通擁堵，與此同時，停車入庫排隊時間長和尋找車位困難已經(jīng)成為十分嚴重的社會問題。 設(shè)計目標(biāo)本設(shè)計是在飛思卡爾智能小車的基礎(chǔ)上進行的，首先要按照飛思卡爾大賽的標(biāo)準設(shè)計出智能車系統(tǒng)，其系統(tǒng)主要包括微控制器模塊、電源管理模塊、路徑識別模塊、電機驅(qū)動模塊及轉(zhuǎn)向舵機控制模塊等[2]。在小車行駛的過程中，利用了攝像頭對道路進行感測，得到的數(shù)據(jù)送交單片機，單片機處理得到的數(shù)據(jù)，通過PWM波控制車頭舵機的轉(zhuǎn)動，從而調(diào)整小車的相對位置，以達到自動尋跡的目的。通過攝像頭采集交通燈的信息，經(jīng)過程序算法提取出交通燈的指向，指引小車向空車位行駛。本設(shè)計的具體任務(wù)如下：（1）、結(jié)合停車場模型，設(shè)計引導(dǎo)路線的識別方法；（2）、結(jié)合停車場模型，設(shè)計信號燈的識別方法；（3）、設(shè)計小車控制硬件電路原理圖、PCB；（4）、設(shè)計循跡、停車入庫軟件。每個模塊都包括硬件和軟件兩部分，硬件為系統(tǒng)工作提供硬件實體，軟件為系統(tǒng)提供各種算法。圖21 智能車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 微控制器根據(jù)圖像采集傳感器采集的道路信息快速準確地對路徑進行判斷，對舵機和后輪直流電機PWM控制，從而保證智能車能夠快速穩(wěn)定地行駛。 設(shè)計方案分析在設(shè)計小車自動停車入庫系統(tǒng)的過程中，通過對相關(guān)資料的查詢，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不同部分存在多種實現(xiàn)方案，各種方案都存在其利弊。 道路識別方案分析道路識別模塊要實現(xiàn)的功能是在白底黑線的車道上自動識別行駛的路線，檢測智能車相對于車道中央的偏移量、方向等信息使小車自主沿著車道運行。路徑識別的主要要求是準確、快速、盡量超前地采集路面信息，把它轉(zhuǎn)變成點信號，傳送到單片機中處理。 （一）、基于光電傳感器的路徑識別方案對于飛思卡爾大賽來說，基于光電傳感器來進行路徑識別是完全可行的，因為賽道是在白色賽道上識別中間的黑色，可以在小車前面裝上光敏器件，光敏電阻或是光敏二極管，根據(jù)白色與黑色賽道對光的反射強度的不同，從而對光敏器件產(chǎn)生不同的電阻電壓，把這些數(shù)據(jù)送給單片機處理就可以讓小車識別具體的路線。其弊端是感知前方賽道距離有限，受外界紅外頻段光線干擾，精度比較低[3]。這種方案的特點是：磁場在空間的分布具有方向性，所以電磁傳感器采集的信息同樣具有特定的方向。（三）、采用攝像頭采集的路徑識別方案 使用攝像頭采集路徑信息的原理是通過調(diào)整攝像頭鏡頭的焦距，可以采集到小車前方不同范圍的道路圖像，得到智能車前方的道路信息，對圖像中的道路參數(shù)進行檢測。其優(yōu)點是可以獲得小車前方較遠路徑信息，不足是對圖像處理的計算量大，單片機處理數(shù)據(jù)時間長，電路設(shè)計相對復(fù)雜。其優(yōu)點是對比度高、動態(tài)特性好。另一種方案是采用CMOS圖像傳感器，這種傳感器的原理與CCD圖像傳感器的原理大致相同。綜上所述，在這次設(shè)計中路徑識別模塊選用CCD圖像傳感器的攝像頭方案。例如上海交通大學(xué)研究的基于級聯(lián)濾波交通燈識別方法，其是通過對已有的交通燈圖像進行訓(xùn)練及采用色彩分割的方法而提取候選區(qū)域，并將候選區(qū)域作為輸入[6]；同濟大學(xué)研究的方向是在HIS顏色空間進行交通燈的顏色分割，利用交通燈被黑色矩形框包圍這一典型特征進行形狀分割，根據(jù)形狀分割所得位置對顏色分割候選區(qū)進行確認，從而精確定位交通燈位置以及亮燈在交通燈中的位置[7]。因為在路徑采集模塊選用的是CCD攝像頭，為了減少智能車的硬件組成以及減少費用預(yù)算，所以在這里使用同樣的攝像頭，但對信息的處理算法卻迥然不同，在后續(xù)的論文中將會詳細介紹。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測量小車與車位的距離，具體做法是在車庫中央安裝發(fā)光二極管，車庫空著時二極管被點亮，在小車四周安裝八個光敏電阻，利用光敏電阻距離光源位置不同產(chǎn)生不同電阻的原理，進而產(chǎn)生電壓差，從而測出小車距離光源的位置。最嚴重的問題是光敏電阻受環(huán)境影響很大，遠遠不能實現(xiàn)車庫的精確定位。紅外對射管的接收范圍相對較小，所以并不受相鄰車庫對管的影響，精確度高，能夠?qū)崿F(xiàn)小車對車庫的精確定位[8]。其中車輪、舵機和電機已經(jīng)安裝在車上，不需要進行調(diào)節(jié)機械結(jié)構(gòu)。智能車硬件安裝如圖22所示。攝像頭安裝位置的高低對智能車行駛過程中路徑識別的范圍，以及路徑識別的準確性和實時性具有直接的影響。攝像頭又受到單片機采樣速率的影響，根據(jù)實驗發(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。車庫有左右之分，所以在小車的左右兩側(cè)各需要一個對管，用以區(qū)分空余車位在車的左側(cè)還是右側(cè)。 車場硬件安裝智能車場的設(shè)計是獨立于自動入庫系統(tǒng)的，但本次設(shè)計需要車場相關(guān)硬件配合，所以這里對車場的硬件安裝提出簡單要求，其主要部分有：紅外對管、交通燈以及用于空位查詢的光電管。安裝在車庫門口的紅外對管，其裝在右側(cè)還是左側(cè)取決于該車庫相對于主干道的位置?？瘴徊樵兊膫鞲衅靼惭b在車庫正中即可，車場系統(tǒng)硬件安裝如圖23所示。MC9S12X系列是HCS12系列的增強產(chǎn)品，其基于S12CPU內(nèi)核，可以達到之前產(chǎn)品2到5倍的性能。S12X單片機的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。此模塊是一個可編程的、智能的直接內(nèi)存存取模塊，可以進行通信處理、中斷處理和數(shù)據(jù)預(yù)處理。MC9S12XS128單片機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。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；因為單片機的地址總線是16位的，所以基本存儲器的尋址范圍是0x0000～0xFFFF,尋址空間為64KB。 單片機時鐘電路設(shè)計時鐘電路是單片機最小系統(tǒng)設(shè)計中的關(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)計不合理會使其工作時產(chǎn)生的高頻信號對其他電路造成干擾，特別對模擬部分的干擾較大，甚至?xí)率箚纹瑱C系統(tǒng)無法正常工作。并聯(lián)型電路連接如圖31所示。R3的作用是保證晶體正常起振，它的大小一般為10MΩ。 復(fù)位電路設(shè)計單片機要正常工作需要在上電的時候給它一個復(fù)位信號，使CPU和其他部件都置為一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。S12單片機的復(fù)位引腳是低電平有效，即在正常狀態(tài)時要求該引腳被上拉至高電平，在對單片機進行復(fù)位時其要保持一定時間的低電平[14]。圖32 單片機復(fù)位電路系統(tǒng)上電時，復(fù)位按鈕處于松開狀態(tài)，由于電容C1要進行充電，所以電壓不會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間的低電平。但是該電路不具備低壓復(fù)位保護功能，而且在對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高的場所，需要在R1兩端并聯(lián)反向保護二極管[15]。此部分電路設(shè)計就是為了連接BDM調(diào)試器的，BDM調(diào)試器的功能是將程序從微機上下載到單片機里，并可實現(xiàn)在線調(diào)試，同時它還可以給單片機供電[16]。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，也不會引起任何嚴重的后果。圖33 BDM接口電路為了充分保護單片機的引腳，通常串聯(lián)如圖所示的電阻R13，其典型阻值為51歐姆。當(dāng)單片機與調(diào)試器分離時，單片機就會自動回到普通模式。電源管理模塊主要包括：主電源、舵機電源、攝像頭電源、電機驅(qū)動電源以及各芯片供電電源[17]。 5V電源電路設(shè)計，主要為單片機、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。其最大輸出輸出電流可達1A，并且具有短路保護的特點。圖34 5V穩(wěn)壓電路圖 6V電源電路設(shè)計 6V電源只給前輪舵機提供工作電壓。LM2941是一種可調(diào)式低壓穩(wěn)壓器，其優(yōu)勢主要在于：；；輸出電壓范圍為0～20V，最大輸出電壓可達26V；具有短路保護、熱過載保護和自我保護功能。當(dāng)輸出電流為1A 并且輸入輸出壓差為5V 時,靜態(tài)電流僅為30mA。圖35 6V穩(wěn)壓電路圖當(dāng)引腳ON/OFF為高電平時，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， 芯片被開啟，有電壓輸出。 （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，實際電路中R1通常取1K，[18]。需要注意的是電路中的電源濾波電容在布線時要原理調(diào)節(jié)端。MC34063是一塊高效的開關(guān)型DC/DC變換控制電路，內(nèi)部含有直流到直流變換器所要求的主要功能，即具有溫度補償?shù)幕鶞孰妷涸春捅容^器、具有激勵電流限制的占空比可控的振蕩器和驅(qū)動器以及大電流輸出開關(guān)等。MC34063片內(nèi)的恒流源不斷對接在CT引腳上的定時電容進行充電和放電，從而使振蕩器產(chǎn)生震蕩波。當(dāng)振蕩器對外充電時，片內(nèi)與門的C輸入端呈現(xiàn)為高電平，反之，則呈現(xiàn)出低電平。當(dāng)C端和D端都為高電平時，片內(nèi)觸發(fā)器被置為高電平，從而使輸出開關(guān)管導(dǎo)通。通過判斷連接在5V電源與SI檢測口的電阻上的壓降來完成電流限制的功能。12V穩(wěn)壓電路如圖36所示。這里選用電阻R1R2的大小分別為2K和18K，具體計算方法按式32所示。將電感L的大小設(shè)置為100uH。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，組成部分有機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等。電機是小車動作的主要執(zhí)行機構(gòu)，在這我們選用RS380直流電機作為驅(qū)動電機。,工作電壓范圍3～8V。其在很多方面有優(yōu)越性，具體如下：（1）較大的轉(zhuǎn)矩能夠克服傳動裝置的摩擦和負載轉(zhuǎn)矩；（2）電機速度調(diào)整范圍寬且精度高，機械特性及調(diào)節(jié)特性線性好，且速度平穩(wěn)； （3）電機有很硬的負載特性且過載能力較大，可保證速度不受負載沖擊的影響；（4）響應(yīng)速度快，可滿足復(fù)雜變化速度的情況；（5）可以長時間的處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)而不會燒毀電機。H橋驅(qū)動電路因其形狀酷似英文字母H而得名，其電路包含4個三極管和一個電機，三極管位于H的4個垂直腿，電機則位于H的橫杠上。通過調(diào)節(jié)電機導(dǎo)通的時間，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的，當(dāng)無需電機轉(zhuǎn)動時，讓四個三極管都不導(dǎo)通即可。4個三極管的安排應(yīng)該是上面兩個位同種，下面兩個位另一種[20]。圖37 H橋驅(qū)動電路示意圖現(xiàn)在市場集成H橋電機驅(qū)動芯片有3388BTS7960等，因為小車電機內(nèi)阻大約為430毫歐，而飛思卡爾公司的33886內(nèi)部的每個MOSET導(dǎo)通電阻都在120毫歐以上，會大大增加電樞回路總電阻，導(dǎo)致直流電機轉(zhuǎn)速下降，驅(qū)動電路的效率也隨著降低，所以在本次設(shè)計中不采用33886芯片。BTS7960是Novalithic系列的三個獨立芯片的一部分，它是一般用于電機驅(qū)動的大電流半橋集成芯片。BTS7960電源輸入為5～25V，通態(tài)電阻典型值為16mΩ，驅(qū)動電流可達43A。當(dāng)INH引腳為高電平時，便可使能BTS7960，反之，芯片邊進入睡眠狀態(tài)，所以設(shè)計中將兩芯片的這一引腳連接在一起。SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間，具有防電磁干擾的功能，該電阻越大則三極管延遲時間就越大，但開關(guān)變化率就會越小，綜合考慮開關(guān)變化率和死區(qū)時間，選取該電阻阻值為10K。電機驅(qū)動電路如圖38所示。IS引腳是電流檢測輸出引腳，正常情況下片內(nèi)電流源與該引腳直接相連。 CCD攝像頭的工作原理攝像頭有彩色和黑白之分，因為本次設(shè)計利用攝像頭的目的是采集道路中心線和信號燈方向，所以只需提取畫面的灰度信息即可，而不需要知道其色彩信息，也就是說黑白攝像頭就可以滿足設(shè)計要求。其最重要的部分是圖像傳感芯片，該芯片需要與外圍電路配合才能正常工作，單板就是圖像傳感芯片與外圍電路的總稱，單板上通常的三個端子是電源端、地端和視頻信號端，部分板子上還有一個音頻信號端。攝像頭的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點，當(dāng)掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對應(yīng)關(guān)系的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。當(dāng)掃描完一行，視頻信號端就輸出一低于最低視頻信號電壓的電平，并保持一段時間，即緊接著每行圖像對應(yīng)的電壓信號之后都會有一個電壓凹槽，此凹槽叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。之后就會出現(xiàn)一段場消隱區(qū)，此區(qū)中有若干個復(fù)合消隱脈沖，在這些消隱脈沖中，有個脈沖遠寬于其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標(biāo)志。攝像頭輸出信號如圖39所示。 攝像頭每秒掃描25 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，奇場時只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時則只掃描偶數(shù)行，故每秒掃描50 場圖像，每行需要64微妙，但在實際測量中每行的時間為40