（控制理论与控制工程专业论文）基于flexis系列的模型车控制系统开发.pdf

摘要 本文是根据“飞思卡尔 杯全国大学生智能汽车竞赛的技术要求，设计制作 了该模型车控制系统。采用凡e x i s 系列q e 控制器，以c o d e w a r r i o rv 6 0 为开发 平台，根据光的反射原理，本文主要探讨离散布置光电传感器的模型小车，如何 识别白色赛道上的黑色引导线，从而沿任意给定黑色封闭曲线自动平稳寻迹。主 要内容如下： 首先是关于模型智能车的国内外发展现状，概要描述本小车控制系统的各组 成模块，包括具体功能、系统特点、传感器参数、以及所用m c u 简介。硬软件 实施方案有路径识别、舵机转向、电机驱动、码盘测速等7 个组成部分，其中路 径识别是整个系统的关键，直接影响控制性能好坏。针对离散布置光电传感器的 道路识别，软件处理采用了数据归一、仿模糊运算和最小二乘法，以及抗干扰技 术，电机调速采用的数字p i d 。前期应用两个8 位控制器，最后是关于c o l d f i r e v 1 控制下的模型小车，利用m c 9 s 0 8 q e l 2 8 和m c f 5 1 q e l 2 8 两款m c u 的高兼 容性，在不重新设计硬件电路板的条件下，轻松实现8 位到3 2 位的代码移植， 并且明显可见置换m c u 后的性能提升。该应用研究表明f l e x i s 系列q e 控制器 不仅兼容性好，升级容易，而且功能强大，性价比高。 无论是采用两个8 位控制器并行运行，还是单片c o l d f i r ev l 控制，本小车 系统的功能都相当完善，运行可靠，自动寻迹效果良好。本课题首次将f r e e s c a l e 具有可移植和低功耗特性的两款m c u 实地应用于模型汽车控制，不仅提高了小 车性能，加快识别过程的运算速度，还延长了电池使用寿命。 关键词：模型小车，数据归一化，代码移植，双8 位控制器并行运行，q e l 2 8 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ed e s i g no fm o d e ls m a r t c a rc o n t r o ls y s t e m i ti s b a s e do nt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n to ff r e e s c a l ei n t e l l i g e n t - c a rc o m p e t i t i o ni nc h i n e s e u n i v e r s i t i e s i t sk e r n e lm c ua d o p tq em i c r o c o n t r o l l e ro ff l e x i ss e r i e s ，a n dt h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sc o d e w a r r i o rv 6 0 u s i n gt h er e f l e c t i o np r i n c i p l e o fi n f r a r e d - r a y , t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h em o d e ls m a r t - c a rh o wt oi d e n t i f yt h e b l a c kg u i d e l i n eo nw h i t er o a d ，w h i c hp h o t o e l e c t r i cs e n s o r s l o c a t i o na r ed i s c r e t e ，s o t h a ti tc a nt r a c kt h eb l a c k - l i n ea u t o m a t i c a l l ya n ds m o o t h l ya l o n ga n yg i v e nc l o s ep a t h f i r s t t h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya b o u ts m a r t - c a ri si n v e s t i g a t e di nc o u n t r ya n d o v e r s e a s m o d u l e so fi t ss y s t e ma r ed e s c r i b e dg e n e r a l l y , i n c l u d i n gs p e c i f i e d f u n c t i o n ， s y s t e mf e a t u r e s ，s e n s o r sp a r a m e t e r , a n dt h eb r i e fi n t r o d u c t i o no fs e l e c t e dm c u a c t u a lh a r d w a r ea n ds o f t w a r es c h e m e sa r ei n v o l v e di nt h ec h a p t e r t h e r ea r ea l ls e v e n p a r t s ，m a i nc o n t a i n i n gp a t hi d e n t i f y i n g ，t u r n i n g ，d r i v i n g ，s p e e dd e t e c t i n g ，a n ds oo n e s p e c i a l l bt h ei d e n t i f y i n gm o d u l ei sv e r yi m p o r t a n t , a n di t sr e s u l tm a y b ea f f e c t st h e s y s t e m sp e r f o r m a n c ed i r e c t l y a i m i n ga tt h ep a t hi d e n t i f y i n go fd i s c r e t ep h o t o e l e c t r i c s e n s o r s ，s o m em e t h o d sa r ea p p l i e di ns o f t w a r ep r o c e s s i n g , s u c ha sd a t au n i t a r y , f u z z y a r i t h m e t i ci m i t a t i o n ，l e a s ts q u a r em e t h o d ，a n da n t i - j a m m i n gt e c h n i q u e a l s o ，t h e m o t o rs p e e da d j u s t sb yd i g i t a lp i d t h es y s t e m si n i t i a l a p p l i c a t i o ni si n 8 - b i t m i c r o c o n t r o l l e r , b u tt h el a s ti sa b o u tt h em o d e l c a rc o n t r o l l e db yc o l d f i r ev 1 u s i n g t h eh i g hc o m p a t i b i l i t yo ft h et w om c ub e t w e e nm c 9 s 0 8 q e l 2 8a n dm c f 5 1 q e l 2 8 ， w i t h o u td e s i g nt h ec i r c u i tb o a r da g a i n ，i ti se a s yt or e a l i z et h ec o d et r a n s p l a n tf r o m 8 - b i tt o3 2 - b i t ，a n da f t e rm c u r e p l a c e m e n t ，t h ea d v a n c e dp e r f o r m a n c ei so b v i o u s t h i sa p p l i c a t i o ns t u d yi n d i c a t e st h a tt h eq ec o n t r o l l e ro ff l e x i si sn o to n l yg o o d c o m p a t i b i l i t y , e a s yu p g r a d e ，b u tp o w e r f u la n dh i g hp e r f o r m a n c e t o p r i c er a t i o w h e t h e rt h es y s t e m sm c ui sd o u b l e8 - b i t c o n t r o l l e ro ro n ec o l d f i r ev 1 ，t h e m o d e l c a r sf u n c t i o ni sp e r f e c t i tc a nr u nr e l i a b l ya n dt r a c kt h eg u i d e l i n ew e l l t h i s i st h ef i r s ta p p l i c a t i o ni nm o d e l - c a r sc o n t r o la b o u tf r e e s c a l es i n g l e - c h i p ，w h i c ht r a i t s a r et r a n s p l a n t a b l ea n d l o wd i s s i p a t i o n i nt h es a m es t r a t e g y , t h i su p g r a d en o to n l yc a n i m p r o v et h ec a r sp e r f o r m a n c e ，a n da c c e l e r a t et h ec a l c u l a t i o nr a t ei ni d e n t i f y i n g ，b u t a l s oc a np r o l o n gt h eb a t t e r y sl i r e k e y w o r d s ：t h em o d e ls m a r t c a r , d a t au n i t a r y , c o d et r a n s p l a n t ，d o u b l e8 - b i t - c o n t r o l l e r r u n n i n gp a r a l l e l ，q e l 2 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另j d n n j , 标注和致谢之处j l - ，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： - 4 - - 案签字日期：讼，忙2 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：冉萤 导师签名： 签字同期：川年z 月哆同 列易 签字嗍a 咔2 月哆日 学位论文的主要创新点 一、系统在路径识别部分仿照模糊推理机，采用相关数学方法求取小 车中心线与引导线间的相对距离，包括数据归一、仿模糊运算和最小 二乘法，以及归一之前的抗干扰处理，使综合技术得到充分应用。 二、双8 位控制器并行运行，两块c p u 分主从模式，相互配合，协 调动作，以s p i 交换数据；还充分应用其a d 模块一次转换完毕自 动进入低功耗状态的特性，延长电池使用寿命。 三、利用m c 9 s 0 8 q e l 2 8 和m c f 5 1 q e l 2 8 两款芯片的高兼容性，在 不重新设计硬件电路板的条件下，实现8 位到3 2 位的m c u 升级， 适应了新技术发展要求。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 模型小车国内外研究现状 1 1 1 国外现状 早年前，韩国智能模型车竞赛就已在飞思卡尔导体公司资助下由汉阳大学汽 车控制实验室举办以h c s l 2 单片机为核心控制器的大学生课外科技竞赛。组委 会提供一个标准的模型汽车、直流电机、转向伺服电机和可充电电池，参赛队要 设计一个能够自主识别路线的模型车控制系统，使小车能在专门设计的限赛跑道 上自动识别路径，平稳行驶，力求跑完全程用时最短，而且技术报告评分较高的 参赛队为优胜者。设计模型小车控制系统，需要应用规定的嵌入式开发软件 c o d e w a r r i o r 及其在线开发手段，自行设计并制作可以自动识别路径的传感电路、 电机驱动电路、转向控制电路和车速检测电路等。再配合相应的软件处理，对由 实时传感器信号反映出的外部环境及路面信息进行详细分析，并采取适当的控制 策略有效地控制转向和调节速度，力求实现模型车的真正智能化。其专业知识涉 及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，作 为- 1 7 综合技术，具有良好的应用前景。全国范围内的模型车比赛不仅只对学生 的知识融合和实践动手能力进行培养，也对提高高等学校汽车电子学科的学术水 平起推动作用。 随着赛事的逐年开展，将不仅有助于大学生自主创新能力的提高，对于高校 相关学科领域学术水平的提升也有一定帮助。2 0 0 0 年智能车比赛首先由韩国汉 阳大学承办，至今己成功举办过8 届，并且参赛队伍也逐年增加，全韩国由原来 的几十支队伍壮大到今天的几百支。近几年还挑出最好的参赛队在国外进行表 演，相互切磋，得到了众多高校和大学生的欢迎，也逐渐得到了企业界的极大关 注。韩国现代公司自2 0 0 4 年开始免费捐赠一辆轿车作为赛事的特等奖项。德国 宝马公司也提供了不菲的资助，邀请3 名获奖学生到德国宝马公司研究所访问， 2 0 0 5 年s u n m o o n 大学的参赛者获得了这一殊荣， 1 1 2 国内现状 我国自2 0 0 6 年8 月举办第一届“飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛以 来，越来越多的学校参与其中，目前已成功举办过三届，且在模型车的速度提升 上从第二届开始已有新突破。该项赛事是教育部高等学校自动化专业教学指导分 委员会在飞思卡尔半导体公司资助下主办的，最初只允许“2 1 1 ”学校和拥有 天津工业人学硕士学位论文 “f r e e s c a l e ”研发基地的学校参与，总共5 9 所高校1 1 2 支代表队；并且规定只能 使用组委会提供的1 6 位控制器m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 。后来，为了全国越来越多的汽 车电子学生爱好者，从第二届开始放宽到所有学校均可参与，总共约3 0 0 支队伍， 核心控制器不变。鉴于队伍数量庞大，实行先分赛，再决赛的办法，其中决赛有 一定坡度。无论分赛还是决赛，都分预赛和决赛两个过程，这与第一届实行的办 法相同。 辗转2 年发展到了今天，为更能发挥国内大学生的潜力，组委会将核心控制 器放宽到可以使用1 6 位控制器1 片，或者8 位控制器2 片，其中2 片8 位控制 器要求出自f r e e s c a l e 公司的同一个系列。为求公平，在第二届分赛和决赛的基础 上又增加了将光电组和摄像头组分开，且决赛跑道是双层( 比以往增厚一倍) 。 本课题就是在此基础上选用f l e x i s 系列8 位控制器2 片m c 9 s 0 8 q e l 2 8 作为模型 小车的控制核心，此次参赛总共有1 0 0 余所大学的五六百支队伍，选5 个分赛区 的前十几名参加总决赛，并且0 8 年总决赛赛场上邀请了比较优秀的韩国队进行 表演。 由此可见，国内模型智能车的制作已备受关注，队伍日渐庞大，控制器要求 逐年放宽，跑道难度逐年增加，技术交流已跨出国界，使得小车控制系统的设计 在技术上很具挑战性。从本次开始可以实际检验一下8 位和1 6 位的控制效果有 何不同，预计在明年很可能引入3 2 位机，并将中国的优胜队派往新加坡等地参 与国际表演。 一个最佳的智能控制系统，除了需要软件算法最优，还离不开机械结构最优， 真正做到这一点是非常困难的。虽已有前2 次的经验可借鉴，但要求逐年苛刻， 设计难度也逐渐增加。要使模型车跑起来并不困难，困难的是平稳寻迹条件下运 行时间最短。 1 2 课题背景及意义 单片机作为微型计算机的一个重要分支，发展很快。当前生产单片机的厂商 正朝着高性能和多品种方向开拓市场，进一步向低功耗、小体积、大容量、高性 能、低价格和外围电路内装化等趋势发展。在8 位机已经相当普及的今天， f r e e s c a l e 新推出f l e x i s 系列微控制器，主要是基于s 0 8 内核的q e 系列和基于 c o l d f i r ev 1 的m c f 5 1 q e 系列，使得8 位与3 2 位机在软硬件方面有很好的兼容 性。它的主要特点是低功耗，能够运行一个外部3 2 k h z 、消耗电流小于1ua 的 振荡器。同时，f l e x i sq e 器件具有内部电压调节器，可帮助系统从停止模式下 快速唤醒，唤醒时间一般为缸s ；该设备在停止模式下的功耗较低，最低功耗所 需电流为3 7 0 h a ；时钟门控用来关闭无需启用的模块时钟，这样可以进一步降低 第一章绪论 运行模式功耗达3 3 。 由于对这方面的研究尚属比较新的领域，目前还没有完善的经验可借鉴。国 内外很多科研人员也正从事这方面的应用和开发，并已取得一部分成果；又鉴于 今年的智能车比赛规定可以使用两个8 位控制器，但不允许用3 2 位m c u ，本着 尝试的目的参加了比赛。将f l e x i s 系列8 位单片机用到模型车控制系统中，同样 的c 程序，赛后再转到3 2 位上进行效果比对，检验一下是否真的可以实现m c u 升级，且代码可移植。也就是说本课题是建立在q e 系列的应用基础之上的，实 现模型小车的自动控制。 课题意义在于选用f l e x i sq e l 2 8 系列单片机，一是因为其功能强大、处理速 度快、兼容性好、功耗低，以它开发出的产品性价比高，对于节能型和便携式产 品应用有相当好的市场前景。二是充分利用其内部资源，以获得比普通8 位机更 好的性能。8 位微控制器可以处理一般家电、电子游戏机以及某些p d a 传统控 制功能，但对于市场强烈需求的新功能，例如互联网连接、大屏幕显示等，则必 须外加芯片才能支持。相比之下，如果通过3 2 位架构以及软件执行这些功能， 不但更为简单，而且在成本效益上也更加合算。 1 3 课题主要任务 为使模型小车能在限宽6 0 c m 的白色跑道上，沿着正中央宽2 5 c m 的黑色引 导线平稳行使。本课题首先采用2 片m c 9 s 0 8 q e l 2 8 作为小车主控制器，分主从 模式，任务协调，以s p i 总线交换数据。路面黑线探测采用反射式红外传感器： 自制码盘配合光电对射管实现车速反馈；通过方案比较，电机驱动选择由m o s 管搭建的h 桥来完成。根据小车系统的不同电压需求，电源部分有2 个稳压模 块，电机与舵机由电池统一供电，主板设计时将强弱电流分开，数字、模拟信号 独立。 针对以上硬系统，本课题软件部分主要采用了多通道a d 输入、查表、数据 归一、斜率计算等，以使舵机能够连续转向；同时根据斜率大小判断路面弯曲程 度，从而控制车速，并据期望速度与反馈速度之差对电机实施数字p i d 调节。 整个调试过程中，用于路径探测的红外传感器最初是8 对，3 c m 间距安装， 电平驱动；为提高灵敏性，改成1 5 对电平驱动，路面信息检测比原来准确；当 光电管数目增多，不得不考虑干扰与省电问题，后又改为1 5 对脉冲驱动。整个 系统各部分的方案选择与算法问题将在后文详述。 赛后还充分利用f l e x i s 系列微控制器的可升级特性，将小车c p u 从8 位升 级到3 2 位，同样在模型车上进行应用实验。先前的双8 位机并行运行，换成单 片m c f 5 1 q e l 2 8 ，升级前后的联系与区别，本文分别从硬件、软件、调试方式、 天津1 ：业大学硕士学位论文 以及运行效果等方面做出比较。 1 4 模型车系统开发平台 要想开发一个单片机系统，首先要有配套的软硬件平台。每年大赛组委会为 每支参赛代表队提供一套硬件系统，不过本课题并没有采用这套系统，而是根据 需求自己开发了一套。对于f r e e s c a l e8 位单片机，程序下载选用b d m ( b a c k g r o u n d d e b u gm o d e 卜背景调试模式，这也是当代其它微控制器普遍采用的方式。除 此之外，还可以通过r s 2 3 2 下载，不过首先需要通过b d m 把监控程序写入单 片机的f l a s h 区。 本系统的软件开发平台采用c o d e w a r r i o r6 0 ，c o d e w a r r i o r 是m e t r o w e r k s 公 司开发的，专门面向f r e e s c a l e 公司所有单片机及d s p 嵌入式应用开发，其功能 强大，支持多种c p u 系列，如h c 0 8 、h c s 0 8 、r s 0 8 、c o l d f i r ev 1 、f l e x i s 等。 该软件平台包括集成开发环境i d e 、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显 示工具、项目工程管理器、c 交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器，功能完 善，界面友好，应用方便，有利于提高系统开发效率。 第二章模型车控制系统概述 第二章模型车控制系统概述 2 1 控制系统的结构 模型车系统的功能模块主要包括：核心控铝o ( m c u ) 模块、路径识别模块、后 轮电机驱动模块、转向舵机控制模块、速度检测模块、电源模块以及调试辅助模 块，每个模块都包含硬件和软件两部分。由此组成的整个小车控制系统，其结构 如图2 1 ，除调试辅助模块外，其他均是模型车系统正常运行不可缺少的重要组 成部分，也是小车在整个赛道上能自动寻迹、稳定运行的关键所在。而辅助调试 只是为增强系统功能而设置，在整个调试过程中起辅助作用，对小车行驶性能没 有太大影响。 图2 - 1 模型小车控制系统结构图 为了使模型智能车能够寻迹良好，控制系统必须把路径判断、伺服电机转向 控制和直流电机速度控制三部分有机地结合起来，缺一不可。如果传感器部分的 数据没有正确采集和识别，伺服电机的控制失当等，都会造成小车严重抖动或偏 离跑道；如果直流电机的速度调节效果不好，也会造成小车加减速不明显，直道 加速加不上去，入弯减速减不下来，这种情况在直道过长时尤其不利，极易冲出 跑道。 2 2 各模块功能及系统特点 2 2 1 各模块功能 天津工业大学硕士学位论文 核心控制模块( m c u ) ：使用f r e e s c a l e 新推出的q e 系列8 位微控制器 m c 9 s 0 8 q e l 2 8 ，它同时也属于f l e x i s 系列。使用2 片这样的c p u ，一片作主机， 一片作从机，以s p i 交换数据。主机功能是负责传感器数据采集以及采集后的数 据处理，将处理后的结果作为速度和转向控制信号发给从机；从机接收到数据后 给定合适的转向角和期望速度，再配合速度检测值对后轮驱动电机实施p i d 调 节，由于d 效果不明显，所以速度调节只用到了p l 。同时从机也尝试用p i d 调 节转向角，由于转角没有反馈，只能根据人为事先设定的值调节，后来发现这样 的效果并不理想，反而增加运算量。所以方案改成了直接根据识别结果给定合适 的转角，鉴于无需复杂运算，干脆舵机就直接由主机控制，也省去了由s p i 传送 转向控制信号。 电源模块：为各模块能正常工作提供可靠电压。电池电压7 2 v ，而不同的 外部硬件电路所需电压各异，因此要稳压。7 2 v 经l m 2 5 7 6 降到5 v ，为需要5 v 的设备供电：5 v 再经a m s l l l 7 稳到3 3 v ，为单片机供电。舵机和驱动电机直 接供电池电压7 2 v ，虽据资料舵机应降到6 v ，但实际试验发现在不损坏舵机的 电压范围内，电压高响应速度快。 路径识别模块：作为探路硬件。红外发射管发出的光线照射到路面，再由路 面的反射光驱动接收传感器，因跑道有黑白之分，反光强度不同，根据传感器的 排列和接收管接收到的电压值高低寻找黑色引导线，也就是所谓的路径。该模块 是数据采集和数据处理的主要依据，也是控制其它诸多模块的依据，其重要地位 仅次于核心控制。 后轮电机驱动模块：该模块是小车运行的动力部分。主要通过低压m o s 管 组成的h 桥来控制电机的正反向运转速度，将期望值和测得值经主控制器p i 运 算后输出到电机，使速度能配合转向和识别，协调效果达到最佳状态。 舵机控制模块：是小车转向的执行机构。主要根据识别结果决定其左转右转， 以及具体转角大小，需与速度和识别配合。 速度检测模块：为电机控制提供准确的速度反馈，是对电机进行p i 调节的 重要参数。 调试辅助模块：使得小车调试更加方便，在整个过程中起辅助作用。主要是 数据采集和速度反馈经串口s c i 发往上位机，便于查看和分析，以及一些能反映 道路信息和识别出错故障的指示灯等。 2 2 2 控制( m c u ) 模块主要特点 1 、本系统采用f r e e s c a l e8 位单片机m c 9 s 0 8 q e l 2 8 作m c u ，其总线频率高 达2 5 m h z ，内部资源丰富且低功耗，在保障系统实时性的同时可延长电池使用 寿命。 第二章模型车控制系统概述 2 、软硬件方面采用抗干扰技术，尽量减小环境光对传感器的影响。 3 、p c b 制作与程序结构模块化，方便按需求增加或删减。 4 、采用数字p i d 控制对电机进行速度调节，结构简单，参数容易整定，不 一定需要系统的确切数学模型，可根据实验或经验在线调整，以求获取较好的控 制效果，方法灵活，应用广泛，尤其在工业系统中。 5 、路径识别模块采用了数据归一化，由于无片内模糊推理机，只能仿模糊 化求相对距离，再据最d x - - 乘法求斜率，以取得相对准确的转向控制。 6 、将8 位机c 代码移植到c o l d f i r e v l 上，得到了更好的控制性能。 综上所述，该模型车控制系统在理论和实践上都具有一定的创新性。其功能 完善，运行稳定，可靠性高，不仅能很好地跑完全程，而且速度较快。 2 3 主要器件的选择及其参数 2 3 1 传感器选择 在智能车赛事中，路经识别方法主要有两大类：一是依靠红外光电传感器， 二是采用摄像头，由于本课题选用基于s 0 8 内核的8 位控制器m c 9 s 0 8 q e l 2 8 ， 主频虽高，毕竟处理位数有限，摄像头数据量庞大，故此处选用红外传感器。红 外光电管的特性又并非如通常所想的那样直接将光信号转换成数字量( 白区高电 压，黑线低电压) ，这还与传感器距离黑色引导线的水平距离、发射光强、环境 因素等有关。若要路面信息准确，理论上传感器个数越多越好，但大赛规定不多 于1 6 个，鉴于所用主控制器a d 引脚尚多且低功耗，在不超出传感器数目的情 况下，本模型车识别模块最终方案定为等距直线安装一排1 5 个光电传感器，用 模数转换进一步提取黑线位置，这对起跑线的识别也是比较有利的。 为了使模型车在整个运行过程中遇弯道能及时转向，要求红外管有一定的前 瞻性。抬得越高，倾角越大，看得越远，这就需要考虑传感器的性能，发射光强 是否能满足所需要的发射距离。一般的光电对射管很难满足这一要求，本课题采 用分离收发光电传感器，选用普通发射管，波长范围8 5 0 - - - ，9 4 0 n m ，正向电流3 0 - 6 0 m a ；接收管采用日本生产的s t - 1 k l a ，其敏感光谱范围为5 0 0 1 0 5 0 n m ，峰 值波长8 8 0 r i m 。从数值上看，接收的峰值波长与发射波长匹配，只是其感光范围 过宽，易受可见光或环境中其它红外源的影响。由于受实验条件所限制，目前只 能采用这种接收管，就此种参数受到的外界干扰和一些未知情况，只能通过软件 进行处理排除。 2 3 2 电机驱动器件选择 本控制系统最初采用的电机驱动是飞思卡尔半导体公司出产的专用集成电 天津工业大学硕士学位论文 路芯片h 桥式驱动器m c 3 3 8 8 6 ，这是参考往届用m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 做小车等选 取的，也是最初大赛组委会推荐使用的。d g l 2 8 的p w m 输出为5 v ，恰好满足 m c 3 3 8 8 6 的输入控制引脚i n l 和i n 2 的电压范围要求。使用m c 3 3 8 8 6 ，另外一 个比较重要的问题就是当小车采用反向制动急刹车时，最大电流能达1 6 a ，这对 允许连续电流只有5 a 的单片3 3 8 8 6 来说，损坏率极高，所以往届解决此问题的 措旌是将多片3 3 8 8 6 并联，最多用到了4 片，当然驱动效果良好，就是成本太高， 该桥式驱动器每片3 0 元。 当主控器为m c 9 s 0 8 q e l 2 8 时，仍选用该驱动模块，就有些不合适。因为该 片的p w m 信号为3 3 v ，低于3 3 8 8 6 输入控制i n l 和i n 2 的高电压阈值要求3 5 v ， 需将3 3 v 升压之后才能驱动m c 3 3 8 8 6 。但在实际试验过程中，中间没加任何升 压装置，电机也能转动，速度要求不高时还能运行，若要提速或对电机进行p i 调节就显得驱动能力不够了，这是3 3 8 8 6 不完全导通的结果。后欲采用n m o sh 桥，但n m o s 栅极电压需要大于1 0v 才能正常工作，且为保证完全导通状态下 上端m o s 管不截止，栅极驱动还应高于电机供电电压8 - 、一9 v ，势必要单独搭建 升压模块，然而电机供电又不允许升压。为遵守规则，也为减少驱动电路的复杂 度，在网上新找到一种低压m o s 管( n m o sk 1 0 9 5 和p m o sj 2 2 1 ) ，其栅极驱 动只需要5 v ，允许漏极电流2 5 a ，足可以够小车使用，这便成为最终选用的h 桥元件，市场价格6 块钱一个。 前文提到，该主控制器的p w m 信号输出为3 3 v ，对于j 2 2 1 和k 1 0 9 5 组成 的h 桥5 v 驱动仍需要电压提升。采用一种最简单的办法，就是在3 3 v 和5 v 之间加了一个集成反相器h d 7 4 h c 0 4 p ，反相器供电5 v ，当高电平3 3 v 经7 4 h c 0 4 之后变为0 ；低电平0 经7 4 h c 0 4 之后变为5 v ，就可以直接控制h 桥了，从而 达到控制电机的目的。其实后轮电机驱动模块若仍然采用4 片3 3 8 8 6 也是可以的， 前面同样加反相器，3 3 v 经7 4 h c 0 4 之后变为5 v ，同样能控制电机以及对其调 速等，驱动效果不变。 2 3 3 模型车车体参数 大赛规定车模长不得超过4 0 c m ，宽不得超过2 5 c m ，高没有限制。 车体几何尺寸( 长、宽、高) ：3 9 0 m m 2 3 0m m * 1 7m m 重( 带电池) ： 1 2 k g 轴距前轮距后轮距： 2 0 0m m 1 3 6m m 1 4 8m m 传感器种类及个数：1 种共1 5 个 信息检测空间精度： 1 6m m 路面信息监测频率： 3 m s 电容总容量：1 0 0 0 pf 新增加伺服电机个数：0 第二二章模型乍控制系统概述 2 4 主控芯片q e 系列简介 q e 单片机是f l e x i sm c u 系列首批产品，它是“飞思卡尔控制器联合体 中 的“连接点”，由一对可相互替换的产品组成，包括8 位的s 0 8 和3 2 位的c o l d f i r e v 1 微控制器，采用相同的外围设备和开发工具，从而提供最大的可移植灵活性。 本课题选用的m c u ( m c 9 s 0 8 q e l 2 8 和m c f 5 1 q e l 2 88 0 脚封装) 只是该系列中 的一种。 模型车控制系统主要是基于m c 9 s 0 8 q e l 2 8 的应用，然后再升级到 m c f 5 1 q e l 2 8 上。除了具有2 5m h z 的总线速度，采用1 8 v 到3 6v 的低电压 和内部稳压器，可从停止模式下快速启动外，还装备了多达1 2 8 k b 的闪存。内 部资源丰富，有9 个并行l o 口、2 个模拟比较器、1 个模数转换器、2 个1 2 c 模 块、1 个实时计数器、2 个串行s c i 、2 个串行s p i 、3 个定时器模块和键盘中断 等，其中定时器通道1 2 个、模数转换通道2 4 个。多数引脚都是复用引脚，并且 操作模式甚多。在编程语言方面两款芯片也有微小区别，目前所使用的 m c 9 s 0 8 q e l 2 8 允许可重定位汇编、c 和c + + 三种语言，而m c f 5 1 q e l 2 8 只允许 使用c 和c + + 。两者虽都有自己的汇编指令系统，但所谓的移植是指8 位上的c 语言能顺利移植到3 2 位m c u 上。 上述两款q e 系列单片机除了具有高性能外，还有一个重要特点就是低功耗。 模型车运行过程中，控制系统的各工作单元均由1 块电池供电，相对较长的跑道 全程，省电是个很重要的问题，正好所选主控制器的低功耗特性能满足这一要求。 在各种运行模式下的节能优势以及2 款芯片的详细节能参数见表2 1 和表2 2 ： 表2 1 各种模式下的节能优势 节能特性优势 低功耗模式 两种超低功耗( u l p ) 停止模式，其中一种允 允许应用程序在低功耗状态下继续采样， 许有限使用外围设备 更低功耗的等待模式 从而延长电池使用寿命 从s t o p 3 模式_ 卜6 l as 的典型唤醒时间 当外部电源变化时维持恒定的内部电压 内部稳压器 从停止模式快速启动，典型值6 7 l as 由内部或外部参考时钟控制，包含锁频环的 无需使用外部时钟源，可降低系统开发成本 内部时钟源o c s ) 死循环控制皮尔斯振荡器( o s c ) ；3 1 2 5 k h z 新型低功耗晶体振荡器电流小于1ua 到3 8 4 k h z 或1 m h z 到1 6 m h z 的晶振或陶瓷 支持低频运行，可进一步降低系统功耗 振荡器 采用停止和等待模式而不用标j 占查询，使 支持多达3 2 个中断复位源 代码效率更高 天津工业人学硕士学位论文 中断可将器件从低功耗模式下唤醒 c p u 和外围没备使刚稳压器在低功耗模式 下运行 低功耗运行和等待模式 若用较低频率实现全部功能可降低功耗 外闱设备可用低电流、低速模式运行 关闭闲置不用的外围设备的时钟可降低运行 门控时钟( c l o c kg a t i n g ) 和等待模式下的总体电流 可在运行、等待和停止模式下使用 采用低功耗振荡器，内部或外部时钟源 超低功耗实时计数器超低功耗外部振荡器可在停止模式下使 用，为实时计数器( 醐r c 濮块提供精确的时钟 源 表2 - 28 位和3 2 位各种模式下低功耗参数 项目名称m c 9 s 0 8 q e l 2 8m c f 5 1 q e l 2 8 5 0 m h zc p u 2 5 m n z 总线频率运行模式 l l m a 2 7m a 3 2 k h zc p u 1 6 m h z 总线频率低功耗运行模式2 2ua5 0ua 停止卜最低功耗模式，部分电路断电 3 7 0 n a3 7 0 i l a 停i 卜3 内部电路宽松调节，时钟低频 4 5 0 n a5 2 0 n a 停j 卜卜从触发到代码运行的唤醒时间6us6us 在主控制器这么多内部资源中，模型车控制系统也只用到了其中部分功能， 除并行i o 外，主要是a d 转换、定时器、串行s p i 和s c i 通信等。 1 0 第二章控制系统的硬件电路 第三章控制系统的硬件电路 模型车控制系统开发的第一步是根据参赛需求设计一套完善的硬件电路，它 对小车运行的稳定性和控制精确度等都有着直接影响。针对本系统的各组成部 分，下面将详细介绍其硬件电路设计，并就各控制方案优缺点进行论证和对比。 3 1 电源模块 电池作为主要动力源，为小车上的控制器、执行器、传感器提供可靠工作电 源，现在市面上常见的可充电电池有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、碱性电 池和封闭式铅酸电池等几类。由于镍镉电池具有价格便宜、技术成熟、电路简单、 瞬间大电流、供应能力强等优势占据了很大市场份额，大部分便携和持久式电子 产品都用它作能源。因此在本届模型赛车上，国产镍镉可充电电池也被指定为车 用电源。 单个镍镉电池额定电压1 2 v ，本模型赛车使用的是电池组，由6 节相同型 号的串联到一起组成7 2 v ，其标称容量为2 0 0 0 m a h 。 稳压模块的功能就是对电池进行电压调节，通过升或降的办法来满足各模块 正常工作所需要的电压，采用集成稳压器件不仅效率高，且可靠性好，输出电压 不抖动。本小车系统各部分电源分配如图3 1 所示，主控制m c u 需要3 3 v ；路 图3 - 1 模犁车电源分配图 径识别模块可以统一供电3 3 v ，也可以收发分开供电，发射5 v ，接收3 3 v ，由 于使用a o 读入数据，单片机和接收传感器供电电压应保持3 3 v 。另外，车速 l l 天津工业大学硕士学位论文 传感器部分以及反相器等需要5 v 电压；舵机标准是6 v ，但为了提高转向灵敏 度，同时在不损坏舵机的情况下，直接加7 2 v 电压；后轮驱动电机直接供电池 电压。 3 1 15 v 稳压电路设计 方案1 ：采取常用7 8 0 5 构成的三端稳压电路，存在有以下缺点： l 、内部功率损耗大，全部压降均转换成热量损失了，不仅造成电源效率低， 而且散发出的大量热量也容易烧坏电子元器件以及影响到后续电路的正常工作。 2 、由于稳压元件7 8 0 5 的工作速度不太高，所以当输入电压或负载电流急剧 变化时响应速度慢。 智能模型车控制系统采用的是蓄电池供电，蓄电池的充放电次数是有限的， 这样就使得电能的利用效率变得更加重要，为了尽可能延长电池的使用寿命，提 高电池的可利用率，在设计过程中采用了下面的第二种设计方案。 方案2 ：采用l m 2 5 7 6 构成的开关电源稳压电路 l m 2 5 7 6 电路应用比较简单并且外围元器件较少，内置频率补偿电路和固定 频率振荡器，其开关频率为5 2 k h z ，所以应用时可以使用小尺寸的滤波元件。 该集成稳压器l m 2 5 7 6 可以高效地取代一般三端线性稳压器，它能够充分减小散 热片的面积，在某些应用场合甚至可以不使用散热片，本模型车上的2 5 7 6 就没 有加散热片。在规定输入电压和输出负载条件下，其输出电压的误差范围为 4 ，振荡器的振荡频率误差范围为1 0 ，典型待机电流为5 0i ia ，芯片内设 过流保护和过热保护。 实践也证明了该稳压电路的合理性，不仅能够获得理想的5 v 电压，而且芯 片散热量也不大，无须额外的散热装置。其开关电源稳压电路如下： t h p 图3 - 2l m 2 5 7 65 v 稳压模块电路 3 1 23 3 v 稳压电路设计 第三章控制系统的硬件电路 模型小车控制系统中，除了需要5 v 供电外，还需要向主板m c u 提供3 3 v 的工作电压，所以电源模块还需要一个产生3 3 v 直流电压的电路。当今市场上 已有专用3 3 v 稳压芯片，本电路设计中就选用了其中一种典型三端稳压器件 a m s l l l 7 。 1 1 1 7 内部具有电流限制和热保护，其电压输出精度在1 以内，应用中输 出端需接一个至少1 0pf 的钽电容，这是为了改善电路的瞬态响应和稳定性的。 之外，它的管教排列也与国家半导体工业标准器件l m 3 1 7 相同。 本方案采用的是固定型号3 3v ，负载电流为8 0 0 m a 时压差1 2 v 。其输入 端是经l m 2 5 7 6 之后的5v 电源，它的输出将直接为主控制芯片m c 9 s 0 8 q e l 2 8 供电。由a m s l l l 7 组成的电路结构简单，所需元件少，稳压效果好，因此已得 到广泛应用。本控制系统中的具体电路如图3 3 所示，输入输出电容除了起滤波 作用，还能提高电路稳定性。 叫堂二l a m ；l l l 7 + a 1- 0 3c 当a 4 ，、1 0 0 1 j口2 0 村一一刎 - 一 - 一 瞳h g n dg 套d 3 2 核心控制模块 图3 弓主板和传感器供电电路 3 2 1m c 9 s 0 8 q e l 2 8 的简单说明 核心控制模块也即是本模型车控制系统的c p u 部分，它是小车能正常运行 的关键所在。本系统微控制器选用f r e e s c a l e 公司0 7 年新推出的q e 系列8 位单 片机m c 9 s 0 8 q e l 2 8 。前文已经提到其内部资源丰富，总线速度很高，此处附加 说明它的寻址方式复杂，模式众多，共1 6 种；其内部寄存器组也包括5 个典型 的寄存器，有8 位累加器( a ) 、1 6 位变址寄存器( h ：x ) 、1 6 位堆栈指针( s p ) 、 1 6 位程序计数器( p c ) 和条件码寄存器( c c r