Freescale智能车入门手册(中文版)_图文

1、Freescale 智能车入门手册 (V0.6飞思卡尔半导体大学计划部2010年 3月版本历史 目 录第一章 概述 . 1第二章 工具与材料 . 31. 游标卡尺 . 32. 卷尺 . 33. 直角尺 . 41. 虎钳 . 42. 尖嘴钳 . 53. 偏口钳 . 54. 剥线钳 . 65. 美工刀 . 66. 剪刀 . 67. 锉刀、砂纸 . . 78. 螺丝刀 . 79. 扳手 . 7 10. 镊子 . 8 11. 手动钢锯 . . 8 12. 锤子 . 813. 吸锡器 . 91. 电烙铁 . 92. 热风箱 . 91 电压的测量 . 112 电阻的测量 . 113 二极管的测量 . 11

2、4 三极管的测量 . 115 其他档位 . 11 2. 示波器 . 111 区分模拟带宽和数字实时带宽 . 122. 轴承 . 131. KT板 . 141. 铝材 . 142. 不锈钢材 . 14第三章 模型车的组成及安装调整方法 . 161. 改变舵机安装方式 . . 172. 改变车轮定位 . . 18第四章 循线原理与设计方案 . 271. 分辨率高 . 282. 前瞻远 . 293. 路径好 . 30第五章 赛车常用电路 . 34第六章 开发环境与主控芯片特性 . 381. GPIO概述 . 492. I/O口的使用方法 . 491数据方向寄存器 (Data Direction Re

3、gister x, DDRx . . 492数据寄存器 (Port x I/O Register, PORTx . . 493上拉电阻控制寄存器 . . 50 3. 样例程序 . 501 小灯控制头文件 Light.h . . 502 小灯控制子函数 Light.c . . 501 SCI 初始化 . 522发送一个数据与接收一个数据 . . 53 2. 样例程序 . 541 串行通信头文件 SCI.h . 542 串行通信子函数 SCI.c . 543 串口测试 (查询方式 主函数 main.c . 561. A/D模块概述 . . 562. DG128内部 A/D转换模块 . 573. A

4、/D转换模块的基本编程方法 . 571 A/D转换初始化 . . 572 启动 A/D转换 . 583获取 A/D转换结果 . . 584. 样例程序 . 581 A/D转换头文件 ADC.h . 582 A/D转换子函数 ADC.c . 591. 概述 . 612. DG128定时器特点 . . 61 2. 样例程序 . 621 定时器溢出中断头文件 Timer.h . 622 定时器溢出子函数文件 Timer.c . 623 定时器溢出中断测试主函数 main.c . . 631. 输入捕捉概述 . . 642. 样例程序 . 651 输入捕捉头文件 InputCapture.h . 65

5、2 输入捕捉子函数 InputCapture.c. 651. 脉冲累加概述 . . 662. 样例程序 . 661 脉冲累加头文件 PA.h . . 662 脉冲累加子函数 PA.c . . 671. PWM概述 . 682. 样例程序 . 681 PWM头文件 PWM.h . 682 PWM子函数 PWM.c . 693 PWM测试主函数 main.c . 71第七章 软件设计的常用算法 . 72第八章 赛车设计样例 . 771. 主程序 . 78第九章 调试及常见问题分析 . 821.通信模块 . 842.数据显示 . 851显示赛车状态信息 . . 85第一章 概述大学生智能汽车竞赛是以

6、智能汽车为竞赛平台的创意性科技竞赛, 是面向大学生的一种具 有探索性的工程实践活动,具有技术含量高,涉及学科多,趣味性强,参赛成本低等特点。 参赛选手须使用统一指定的竞赛车模套件,采用飞思卡尔半导体公司的 8位、 16位微控制 器作为核心控制单元,自主构思控制方案进行系统设计,设计内容包括传感器信号采集处理、 电机驱动、转向舵机控制以及控制算法等。在此基础上,完成智能车的制作及调试,并于指定 日期与地点参加比赛。大学生智能汽车竞赛的比赛方式是, 各队选手将设计好的智能汽车在规定宽度的白色跑道 上沿着中间黑色线行进,以完成时间最短者为优胜。主要的比赛规定有:智能竞赛车模的规定比赛须采用统一指定的

7、车模, 细节及改动须受到一定的限制。 如禁止改动舵机、 驱动 电机以及电池、车底盘结构、轮距、轮径及轮胎,禁止采用其它型号的驱动电机等。 有关赛场的规定(1赛道路面用专用白色基板制作,跑道所占面积一般不大于 5000mm* 7000mm ,跑 道宽度不小于 600mm 。(2跑道表面为白色,中心有连续黑线作为引导线,黑线宽 25mm ;(3跑道最小曲率半径不小于 500mm ;(4跑道可以交叉,交叉角为 90°(5赛道不一定封闭;(6 赛道有一个长为 1000mm 的出发区, 如图 1-1所示, 计时起始点两边分别有一个 长度 100mm 黑色计时起始线, 赛车前端通过起始线作为比赛

8、计时开始或者与结束时刻。 大学生智能汽车涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学 科的知识,具有很强的综合性和实践性。该项比赛的参赛对象来自不同专业,需要相互团结协作共同完成以下工作:(1根据汽车理论知识,调整前轮及其主销的倾角,包括主销内倾、主销后倾、前轮外 倾和前轮前束,以保障汽车直线行驶的稳定性、转向轻便和减少轮胎的磨损。(2使用舵机控制前轮的转向。舵机安装的方向和位置直接影响着舵机操作的灵活性。(3 采集黑色引导线信号。 根据所参加的竞赛组别的不同, 引导线信号可以是光电信号、 摄像信号或电磁信号。 若选择摄像头作为采集路线的传感器, 软件算法更复杂, 需要利用

9、模式 识别技术,但是竞赛观赏性更好。(4算法设计。每队选手都须采用飞思卡尔的 8位或 16位微控制器作为核心控制芯片, 一般只需使用其中的 ADC 、定时器、串口、 PWM 以及 GPIO 等模块,利用 PID 控制理论编写 控制算法,保证小车能灵活流畅地运行。(5电机驱动设计。驱动信号来自核心控制芯片,需设计专门的驱动电路,提升电流和 电压,保证足够的功率驱动电机,且使电机快速运转,以便获得好的竞赛成绩。本竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体,以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景。竞 赛规则透明,评价标准客观,坚持公开、公平、公正的原则,以保证竞赛向健康、普及、持续 的方向发展。总之, 对多数

10、参赛者来说, 通过竞赛, 培养了他们对已学理论知识和实验技能的综合运用 能力。 他们带着背景对象中的各种新问题, 学习多个学科新知识, 并向来自不同学科背景的同 学学习, 逐渐学会了在交叉、 集成基础上的综合运用。 他们在竞赛中还必须考虑赛车的可靠性、 寿命、外观工业设计、性能价格比等,即须从系统工程角度出发,结合技术与非技术、集成科 学与非科学, 使其在具体约束条件下融合形成整体的综合运用。 应该说, 这样的训练是很有意 义的。 同时, 通过竞赛实践, 逐渐培养大学生在一个团队中, 学会正确地评价自己及评价他人; 学习和发挥他人的长处; 建立组织和调动各类人员积极性的能力。 使他们既能当好主

11、角, 也甘 于当好配角,初步具备脚踏实地做好本职工作的基本素质。第二章 工具与材料2.1 工具1. 游标卡尺 用途:测量工件厚度或内外直径的用具,精密度可至 0.01毫米(如图 2-1所示 。 注意:(1游标卡尺是比较精密的测量工具,要轻拿轻放,不得碰撞或跌落地上,使用时不要用 来测量粗糙的物体,以免损坏量爪,不用时应置于干燥地方防止锈蚀;(2测量时,应先拧松紧固螺钉,移动游标不能用力过猛,两量爪与待测物的接触不宜过 紧,不能使被夹紧的物体在量爪内挪动; (3读数时,视线应与尺面垂直,如需固定读数,可用紧固螺钉将游标固定在尺身上,防 止滑动;(4实际测量时,对同一长度应多测几次,取其平均值来消

12、除偶然误差。举例:测量螺钉外径。2. 卷尺 图 2-2 卷尺用途:测量较长工件的尺寸或距离(如图 2-2所示 。举例:测量跑道总长。3. 直角尺 图 2-3 直角尺用途:具有一个直角和两个直边,用于画或检验直角的工具(如图 2-3所示 。 举例:测量跑道临边是否垂直。4. 丁字尺 图 2-4 十字尺用途:为一端有横档的“丁”字形直尺,由互相垂直的尺头和尺身构成,用于画某物体外 廓边界的垂线(如图 2-4所示 。举例:测绘 KT 板(跑道材料 。1. 虎钳用途:利用螺旋传动使两钳口作相对移动而夹持工件的工具(如图 2-5所示 。 注意:用虎钳固定工件进行加工时,加工工具不可接触虎钳钳口,以免损坏

13、。 举例:加工铝材或木材等型材时用于固定被加工物。2. 尖嘴钳图 2-6 尖嘴钳用途:能在较狭小的工作空间操作, 刃口能剪切细小零件, 为仪表及电讯器材等装配及修 理工作常用的工具(如图 2-6所示 。举例:在狭小的工作空间中,拆装螺母。3. 偏口钳图 2-7 偏口钳用途:将元件过长的引脚剪掉,使元件引脚稍露出焊点即可(如图 2-7所示 。 举例:去除元件多余引脚。图 2-5 虎钳 4. 剥线钳用途:用来剥掉细缆导线外部的绝缘层(如图 2-8所示 。举例:焊接导线时剥掉外层绝缘层。 图 2-8 剥线钳5. 美工刀用途:一种抽拉式结构的刀, 大多由塑刀柄和刀片两部分组成。刀片多为斜口,用顿时可

14、顺片身的划线折断,出现新的刀锋(如图 2-9所示 。举例:切割 KT 板(跑道材料 图 2-9 美工刀6. 剪刀 图 2-10 剪刀用途:用于切割布、纸、薄板、绳片状或条状物体的双刃工具(如图 2-10所示 。举例:剪断细电线或纸板。7. 锉刀、砂纸 图 2-11 锉刀用途:表面上有许多细密刀齿、条形,用于锉光工件的手工工具,用于对金属、木料等表 层做微量加工(如图 2-11所示 。举例:对被锯开的工件断口进行精加工。8. 螺丝刀 图 2-12 螺丝刀用途:用来拧转螺丝钉以迫使其就位的工具, 通常有一个薄楔形头, 可插入螺丝钉头的槽 缝或凹口内。主要有一字(负号和十字(正号两种(如图 2-12

15、所示 。举例:组装或拆卸车模螺钉。9. 扳手 图 2-13 扳手用途:利用杠杆原理拧转螺栓、螺钉、螺母等的手工工具(如图 2-13所示 。 举例:组装或拆卸车模螺母,一般和螺丝刀配合使用。10. 镊子 图 2-14 镊子用途:用于贴片电子元件或螺钉取用(如图 2-14所示 。注意:(1不可使其加热 (2不可夹酸性药品 (3用完后必须使其保持清洁。 举例:焊接时用于夹持贴片元件11. 手动钢锯 图 2-15 手动钢锯用途:用于精度不高、较硬材料的切割(如图 2-15所示 。举例:切割铝材或木材等型材。12. 锤子 图 2-16 橡皮锤用途:锤头用橡胶制作, 用于敲击强度较低的零件, 防止其变形或

16、断裂 (如图 2-16所示 。举例:折弯铝条13. 吸锡器 图 2-17 吸锡器用途:用于拆卸修理已焊好的电路元件或清理焊锡,一般配合电烙铁使用(如图 2-17所 示 。举例:清理焊盘。1. 电烙铁 图 2-18 电烙铁用途:用来焊接电路,一般配合“焊锡丝”使用(如图 2-18所示 。注意:(1使用时注意安全,防止烫伤或烫坏电源线绝缘层。(2焊接时应一次焊好,防止长时间焊接使电路受热变形。(3使用后应及时断电,消除火灾隐患。举例:焊接电路。2. 热风箱 图 2-19 热风箱用途:用于热风加热、 拆焊大面积焊接的电子元件和热缩管处理等多种需要热能的场合(如图 2-19所示 。注意:(1在热风焊枪

17、内部,装有过热自动保护开关,枪嘴过热保护开关动作,机器停止 工作。必须把风量钮(A TPCAPACITY 调至最大,延迟 2分钟左右,加热器才能工作,机器 恢复正常。 (2使用后,要注意冷却机身:关电后,发热管会自动喷出冷风,当停止吹风时再 拔掉电源插头。 (3不使用时,请把手柄放在支架上,以防意外。举例:拆卸芯片。3. 手钻 图 2-20 手钻用途:加工少量精度要求不高的较小直径孔(如图 2-20所示 。注意:(1钻头必须用卡盘钥匙锁紧,以防钻头松脱飞出;(2被加工工件应固定。举例:车模底盘打孔。1. 万用表 图 2-21 万用表用途:测量直流电流、 直流电压、 交流电压、 电阻和音频电平等

18、, 有的还可以测交流电流、 电容量、电感量及半导体的一些参数(如图 2-21所示 。1 电压的测量直流电压的测量, 如电阻两端电压、 单片机某一管脚输出电压等。 首先将黑表笔插进万用 表的“ COM ”孔,红表笔插进“ V ”孔。然后把旋钮旋到比估计值大的量程,把表笔接电 源或电池两端;保持接触稳定。最后读取显示屏数值。注意:(1表盘上的数值均为最大量程。(2 “ V -”表示直流电压档, “ V ”表示交流电压档, “ A ”是电流档。(3若显示屏上显示为“ 1” ,则表明量程太小,那么就要加大量程后再测量。(4若读取的数值左边出现“ -” ,则表明表笔极性与实际电源极性相反,即此时红表笔

19、接在负极上,黑表笔接在正极上。2 电阻的测量将表笔插进“ COM ”和“ V ”孔中,把旋钮打旋到“ ”中所需的量程,将红、黑表 笔分别接在电阻两端金属部位, 测量中可以用手接触电阻, 但不要把手同时接触电阻两端, 这 样会影响测量精确度的(人体也是导体,存在有限阻值 。读数时,要保持表笔和电阻有良好 的接触;注意:单位:在“ 200”档时单位是“ ” ,在“ 2K ”到“ 200K ”档时单位为 “ K ” , “ 2M ”以上的单位是“ M ” 。3 二极管的测量数字万用表可以测量发光二极管, 整流二极管测量时, 表笔位置与电压测量一样, 将 旋钮旋到 “ ” 档; 用红表笔接二极管的正极

20、, 黑表笔接负极, 这时会显示二极管的正向压降。 调换表笔,显示屏显示“ 1. ”则为正常,因为二极管的反向电阻很大,否则此管已被击穿。 4 三极管的测量(1 基极判断表笔插位同上,其原理同二极管。先假定 A 脚为基极,用黑表笔与该脚相接,红表笔与 其他两脚分别接触其他两脚;若两次读数均为 0.7V 左右,然后再用红笔接 A 脚,黑笔接触其 他两脚,若均显示 "1" ,则 A 脚为基极,否则需要重新测量,且此管为 PNP 管。(2 集电极和发射极的判断数字表不能像指针表那样利用指针摆幅来判断, 那怎么办呢?可以利用 “ hFE ” 档来判断:先将档位打到“ hFE ”档,可

21、以看到档位旁有一排小插孔,分为 PNP 和 NPN 管的测量。前面 已经判断出管型,将基极插入对应管型“ b ”孔,其余两脚分别插入“ c ” , “ e ”孔,此时可以 读取数值,即 值;再固定基极,其余两脚对调;比较两次读数,读数较大的管脚位置与表面 “ c ” , “ e ”相对应。注意:上法只能直接对如 9000系列的小型管测量,若要测量大管,可以采用接线法,即 用小导线将三个管脚引出。5 其他档位如交流电压的测量,电流的测量在智能车的制作过程中一般不会使用。2. 示波器用途:可以观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线, 还可以用它测试各种不同的电 量,如电压、电流、频率、相位差、调

22、幅度等等(如图 2-22所示 。在制作智能车时, 在示波器的使用上, 主要是用来看各种信号的波形, 像接收管在黑白跑 道上接收的波形、 CCD 摄像头输出的 PAL 制式波形、单片机输出的控制舵机和电机的 PWM 波形等等。数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点,其使用 日益普及。 由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异, 如果使用不当, 会产生较 大的测量误差,从而影响测试任务。1 区分模拟带宽和数字实时带宽带宽是示波器最重要的指标之一。 模拟示波器的带宽是一个固定的值, 而数字示波器的带 宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。 数字示波器对重复信号采用顺

23、序采样或随机采样技术所能 达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽, 数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因 子 K 相关(数字实时带宽 =最高数字化速率 /K ,一般并不作为一项指标直接给出。从两种带 宽的定义可以看出, 模拟带宽只适合重复周期信号的测量, 而数字实时带宽则同时适合重复信 号和单次信号的测量。2 有关采样速率采样速率也称为数字化速率,是指单位时间内,对模拟输入信号的采样次数,常以 MS/s表示。采样速率是数字示波器的一项重要指标。(1 避免采样时出现混迭现象混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率, 或者即使示波器上的触发指示灯已 经亮了,而显示的波形仍不稳定。混叠现

24、象的判断。对于一个未知频率的波形,可以通过慢慢改变扫速 t/div到较快的时基 档, 如果波形的频率参数急剧改变, 说明波形混迭已经发生; 或者晃动的波形在某个较快的时 基档稳定下来, 也说明波形混迭已经发生。 根据奈奎斯特定理, 采样速率至少高于信号高频成 分的 2倍才不会发生混迭,如一个 500MHz 的信号,至少需要 1GS/s的采样速率。有如下几 种方法可以简单地防止混迭发生:a 调整扫速。b 采用自动设置(Autoset 。c 试着将收集方式切换到包络方式或峰值检测方式。因为包络方式是在多个收集记录中寻找极值, 而峰值检测方式则是在单个收集记录中寻找 最大最小值,这两种方法都能检测到

25、较快的信号变化。d 如果示波器有 Insta Vu采集方式, 可以选用该种方式, 因为这种方式采集波形速度快,图 2-22 示波器 显示的波形类似于用模拟示波器显示的波形。(2 采样速率与 t/div的关系每台数字示波器的最大采样速率是一个定值。但是,在任意一个扫描时间 t/div,采样速 率 fs 由下式给出: fs=N/(t/div, N 为采样点个数。当采样点数 N 为一定值时, fs 与 t/div成 反比,扫速越大,采样速率越低。注意:使用数字示波器时,为了避免混迭, 扫速档最好置于扫速较快的位置。 如果想要捕 捉到瞬息即逝的毛刺,扫速档则最好置于主扫速较慢的位置。2.2 材料1.

26、螺钉、螺母 图 2-23 螺丝与螺母常用的螺钉螺母以 Mx*x形式统一规格,其中 M 表示最常用的粗牙螺纹,第一个数字表 示螺纹中径长度,第二个数字表示螺钉或螺母的高度,单位都是公制 mm 毫米(如图 2-23所 示 。其中螺母作为标准件通常高度是固定的,若想改变高度,需要定制。常用的螺钉规格包括:M2*8, M2*15, M3*5, M3*10, M3*18,螺母为 M2, M3, M4。 还有一种叫做紧固螺母的特殊零件, 在螺母的一端镶入了胶套, 可以使得螺钉拧入螺母后不会 相对转动,防松。2. 轴承 图 2-24 轴承与铜柱常用的轴承类型为普通球轴承(如图 2-24左所示 , 可以承受相

27、当大的径向力,和一定程 度的轴向力,规格标准为 x*x*x。其中第一个数字为轴承内径,然后是外径,最后的数字表示 高度。实际使用时会根据轴的强度、功能决定尺寸,然后选择合适的轴承,由于轴承是标准件, 三个参数会配套出现,如果对其中的某个参数有要求,需要定制。常用的有 3*5*3, 4*8*4,6*10*3等。另外, 市场中还有一种带定位面的轴承, 外观上加入了一个类似轴肩的设计, 参数上也加 了对应的直径标准。3. 铜柱、塑料柱用途:用于固定主控板,及起到支架作用(如图 2-24中、右所示1. KT板用途:跑道的白色底板。2. 黑胶带用途:跑道的黑色线条。1. 铝材铝合金材料是手工制作车架的首

28、选材料,主要考虑了它的强度,密度,易加工的特性。 实 际使用的铝材包括 L 型,型,型,匚型,及板材,可以根据使用情况自主选择。2. 不锈钢材对于设计成型的零件, 通常会选择由专业的加工厂制作, 此时除了铝合金外, 还可以选择 更便宜的不锈钢作为加工材料。需要注意的是在设计时应该考虑到钢材的密度会比较大, 所以可以将设计图中对强度和功 能影响不大的部分做简化或是削减。3. 碳纤维碳纤维是现在新选用的材料, 具有质量轻, 强度高的特点, 但是成型不容易, 价格比较高, 并不常用,需要使用时,可以考虑买市场上现有的型材或是订做。表 2-1 元件列表 第三章 模型车的组成及安装调整方法3.1 模型车

29、组成智能车组委会提供的车模见图 3-1所示。车模主体包括底盘,前轮伺服舵机,后轮驱动电 机三个部分,另外底盘上有很多固定孔,可以方便各部件固定。 服舵机旋转到特定的角度,从而使前轮转到特定的角度。驱动电机负责驱动后轮旋转, 产生使车模前进的动力。 电机可以正反转, 使车辆前进或倒 退。驱动电机使用专用的驱动芯片 MC33886, 控制信号为 PWM ,通过调整 PWM 的占空比实 现对电机的调速。为了获取赛道的黑线信息, 必须有赛道检测传感器。 通常的检测传感器有红外传感器和摄 像头。红外传感器由发射管和接收管组成。 发射管发射红外光照射跑道, 跑道表面与中心黑线有 不同的反射强度, 利用接收

30、管来检测这些信息。 通过合理安排红外发射接收管的空间位置可以 检测到模型车前方道路相对于车模的位置。摄像头则是直接拍摄赛道图像,利用算法从图像中提取赛道信息。两种方式各有优缺点, 红外方式电路和算法比较简单, 但由于前瞻小。 摄像头方式电路和 算法均比较复杂,但右路赛道信息丰富,处理方式可以灵活多变,因此, 小车的速度也远比红 外方式快。另外,为了能实时得到当前车的速度, 从而进行闭环控制,必须要有速度传感器。 常用的 速度传感器有光电码盘和编码器。速度传感器通常直接测量后轮的转速。编码器齿轮旋转时,其信号线输出脉冲, 旋转一周输出固定数目的脉冲, 测试一定时间内编码器的脉冲数目就能获 得当前小车的速度。3.2 模型车的安装1. 改变舵机安装方式 两个转向连杆长短不一致, 在控制模型车左右车轮转过相同角度时, 单片机输出 PWM 波的占空 比相对舵机中值 (保持模型车直线行驶时单片