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1、智能车竞赛单片机和电路系统智能车竞赛单片机和电路系统设计介绍设计介绍 一、智能车中的单片机一、智能车中的单片机二、智能车电路系统设计二、智能车电路系统设计三、调试与其它问题三、调试与其它问题一、智能车中单片机一、智能车中单片机1、单片机如何影响智能车的性能？、单片机如何影响智能车的性能？2、如何认识和利用、如何认识和利用FREESCALE的单片机的特色的单片机的特色？3、 FREESCALE的单片机使用需注意的问题？的单片机使用需注意的问题？1、单片机如何影响智能车的性能？、单片机如何影响智能车的性能？将计算机的将计算机的CPUCPU、RAMRAM、ROMROM、定时、定时/ /数器和多种数器
2、和多种I/OI/O接口集成在接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义一片芯片上，形成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机（称为单片微型计算机（Single Chip MicrocomputerSingle Chip Microcomputer），直译），直译为单片机，又称为微控制器（为单片机，又称为微控制器（MicrocontrollerMicrocontroller）或嵌入式控）或嵌入式控制器（制器（Embedded ControllerEmbedded Controller）CPU性能性能会记忆会记忆-存储器存储器是用来存放信息的部件。正是是用来存放
3、信息的部件。正是因为有了存储器，计算机才有了对信息的记忆功能。因为有了存储器，计算机才有了对信息的记忆功能。能运行能运行-控制器控制器是分析和执行指令的部件，也是分析和执行指令的部件，也是统一指挥和控制计算机各个部件按时序协调操作是统一指挥和控制计算机各个部件按时序协调操作的部件。的部件。会算计会算计-运算器运算器由部件及逻辑电路组成，是实由部件及逻辑电路组成，是实现各种算术运算和逻辑运算的实际执行部件现各种算术运算和逻辑运算的实际执行部件微机系统结构微机系统结构衡量微机性能的主要标准衡量微机性能的主要标准1、CPU的字长：的字长： CPU字长是指字长是指CPU一次所能处理的位数，它一次所能处
4、理的位数，它决定着计算机的内部寄存器、加法器及数据总线（数据通路）决定着计算机的内部寄存器、加法器及数据总线（数据通路）的位数。的位数。2主频：主频：主频越高，主频越高，CPU的工作节拍越快。的工作节拍越快。3主存容量：主存容量：计算机的最大主存容量由计算机的最大主存容量由CPU地址总线的条数地址总线的条数决定，若地址总线为决定，若地址总线为16条时，条时，CPU的最大寻址范围为的最大寻址范围为64KB；地址总线为；地址总线为20条时，条时，CPU的最大寻址范围为的最大寻址范围为1MB。4. 其它：其它：指令流水线结构、精简指令等指令流水线结构、精简指令等单片机运行的硬件最小系统单片机运行的硬
5、件最小系统冯冯. 诺依曼诺依曼 结构的计算机结构的计算机 即存储程序的计算机，设置内存，存放程序即存储程序的计算机，设置内存，存放程序和数据，在程序运行之前存入。和数据，在程序运行之前存入。执行程序：执行程序： 正确从程序首地址开始；正确从程序首地址开始； 正确分步执行每一条指令，正确分步执行每一条指令， 并形成下条待执行指令的地址；并形成下条待执行指令的地址； 正确并自动地连续执行指令，正确并自动地连续执行指令， 直到程序的最后一条指令。直到程序的最后一条指令。单片机如何运行单片机如何运行规则要求规则要求 8 8 位微控制器最多可以使用位微控制器最多可以使用 2 2 片，片， 16 16 位
6、微控位微控制器（单核，可以是制器（单核，可以是DSPDSP、FPGAFPGA）限制使用）限制使用 1 1 片；片；不得同时使用不得同时使用 8 8 位和位和 16 16 位微控制器；位微控制器；推荐使用推荐使用 9S12XS128 ，9S08AW60 微控制器。目前大多使微控制器。目前大多使用用MC9S12DG128单片机或开发板单片机或开发板 充分利用资源，充分利用资源， DSPDSP和和2 2片片8 8位，以及其它型位，以及其它型号可选择。号可选择。 FreescaleFreescale HCS12 HCS12微控制器系列产品是基于微控制器系列产品是基于1616位位CPUCPU的的控制器，
7、工作电压为控制器，工作电压为5 V5 V，时钟频率最高为，时钟频率最高为25 MHz25 MHz。：。： 1616位位HCS12CPUHCS12CPU： 2020位位ALUALU， 指令队列，提高速度指令队列，提高速度 增强型索引寻址，多优先级中断控制增强型索引寻址，多优先级中断控制 支持模糊控制。支持模糊控制。 2、如何认识和利用、如何认识和利用FREESCALE的单片机的特色？的单片机的特色？（S12DG128BS12DG128B）其主要特点：其主要特点：其主要特点：其主要特点：l l包含一个包含一个包含一个包含一个1616位的中央处理器（位的中央处理器（位的中央处理器（位的中央处理器（H
8、CS12 CPUHCS12 CPU）l l128K128K字节的字节的字节的字节的Flash EEPROMFlash EEPROM，8K8K字节的字节的字节的字节的RAMRAM，2K2K字节的字节的字节的字节的EEPROMEEPROMl l2 2个异步串行通信接口（个异步串行通信接口（个异步串行通信接口（个异步串行通信接口（SCISCI），），），），2 2个同步串行通信个同步串行通信个同步串行通信个同步串行通信接口（接口（接口（接口（SPISPI）l l一个一个一个一个8 8通道通道通道通道IC/OCIC/OC增强计数增强计数增强计数增强计数/ /定时器（定时器（定时器（定时器（ECTECT
9、）l l2 2个个个个8 8通道通道通道通道1010位模数转换器（位模数转换器（位模数转换器（位模数转换器（ADCADC）l l一个一个一个一个8 8通道脉宽调制器（通道脉宽调制器（通道脉宽调制器（通道脉宽调制器（PWMPWM）l l2929个数字个数字个数字个数字I/OI/O通道（通道（通道（通道（A A端口，端口，端口，端口，B B端口，端口，端口，端口，K K端口和端口和端口和端口和E E端端端端口）口）口）口）增强的定时增强的定时/ /计数器计数器ECTECT模块模块资源：资源：资源：资源：l1616位的主计数器位的主计数器位的主计数器位的主计数器l8 8个输入计数和输出比较通道个输入
10、计数和输出比较通道个输入计数和输出比较通道个输入计数和输出比较通道l2 2个个个个8 8 位或位或位或位或1 1个个个个1616位的脉冲累加器位的脉冲累加器位的脉冲累加器位的脉冲累加器功能：功能：功能：功能：l定时输出定时输出定时输出定时输出/ /产生中断产生中断产生中断产生中断l捕捉外部变化捕捉外部变化捕捉外部变化捕捉外部变化l输入输出输入输出输入输出输入输出l各管脚都可被定义为输入捕捉或者输出比较各管脚都可被定义为输入捕捉或者输出比较各管脚都可被定义为输入捕捉或者输出比较各管脚都可被定义为输入捕捉或者输出比较模数转换模数转换ATDATD模块模块资源：l2个8通道模数转换器ATDl可编程8/
11、10位转换结果l具有外部触发转换能力功能：将输入的模拟量转化为数字量 模数转换模数转换ATDATD模块模块 PWMPWM模块模块8 8通道通道通道通道PWMPWM模块模块模块模块l l可编程的周期及占空时间可编程的周期及占空时间可编程的周期及占空时间可编程的周期及占空时间l l8 8位位位位8 8通道或通道或通道或通道或1616位位位位4 4通道通道通道通道l l脉宽和周期独立控制脉宽和周期独立控制脉宽和周期独立控制脉宽和周期独立控制l l中央对齐或左对齐输出中央对齐或左对齐输出中央对齐或左对齐输出中央对齐或左对齐输出l l可编程周期选择可编程周期选择可编程周期选择可编程周期选择功能：功能：功
12、能：功能：l l输出输出输出输出PWM(PWM(脉宽调制脉宽调制脉宽调制脉宽调制) )信号，一但给定信号，一但给定信号，一但给定信号，一但给定输出格式，相应管脚就按照给定的输出，输出格式，相应管脚就按照给定的输出，输出格式，相应管脚就按照给定的输出，输出格式，相应管脚就按照给定的输出，直到再次改变或者停止。直到再次改变或者停止。直到再次改变或者停止。直到再次改变或者停止。存储结构存储结构MC9S12DG128MC9S12DG128单片机拥有单片机拥有单片机拥有单片机拥有128K128K字节的字节的字节的字节的Flash EEPROMFlash EEPROM，8K8K字节的字节的字节的字节的RA
13、MRAM，2K2K字节的字节的字节的字节的EEPROMEEPROM，其分配情况如下，其分配情况如下，其分配情况如下，其分配情况如下图所示：图所示：图所示：图所示： MC9S12DG128存储空间分配3、 FREESCALE的单片的单片机使用需注意的问题？机使用需注意的问题？（多参考资料、多练习多参考资料、多练习）时钟电路、滤波电路、电源电路设计时钟电路、滤波电路、电源电路设计IO 接口电路设计接口电路设计复位电路的设计复位电路的设计串行通讯电路设计串行通讯电路设计运行模式运行模式使用使用 HCS12的第一步的第一步1) HCS12 技术概述技术概述2) Operating Modes工作模式工
14、作模式3) Resource Mapping资源映射资源映射4) External Bus Interface外部总线接口外部总线接口5) Port Integration Module端口集成模块端口集成模块6) Background Debug Mode背景调试模背景调试模块块二、智能车电路系统设计二、智能车电路系统设计1、方案特点比较、方案特点比较2、红外光电管、红外光电管3、摄像机、摄像机1、两种检测方案的比较、两种检测方案的比较路径识别方法优 点缺 点红外光电管传感器方案1电路设计相对简单2检测信息速度快3成本低1道路参数检测精度低、种类少2检测前瞻距离短3耗电量大4占用MCU端口资
15、源较多5容易受到外界光线影响摄像头传感器方案1检测前瞻距离远2检测范围宽3检测道路参数多4占用MCU端口资源少1电路相对设计复杂2检测信息更新速度慢3软件处理数据较多2、红外光电管、红外光电管智能车基本构成智能车基本构成光电检测模块光电检测模块器件选型器件选型工作方式工作方式排列分布排列分布1.1.激光管激光管2.2.红外管红外管3.3.激光阵列激光阵列1.1.供电方式：直流电压供电方式：直流电压OROR脉冲电压脉冲电压2.2.放大电路放大电路1.1.单排单排OROR双排双排2.2.直线排列直线排列OROR曲线排列曲线排列3.3.均匀均匀OROR非均匀非均匀（1）路径识别单元）路径识别单元两个
16、光电管方案中常见的问题两个光电管方案中常见的问题 1相邻光电管之间的干扰相邻光电管之间的干扰 2光电管发射功率的影响光电管发射功率的影响 相邻光电管之间的干扰相邻光电管之间的干扰 （1）选择发射与接收方向性好的红外传）选择发射与接收方向性好的红外传感器。感器。（2）选择发射与接收一体化的红外传感器，它）选择发射与接收一体化的红外传感器，它的外壳可以抑制相邻干扰。的外壳可以抑制相邻干扰。 （3）在红外接收管上安装黑色套管，使其只接）在红外接收管上安装黑色套管，使其只接收前方一定角度内的红外光线，这种减小互扰动收前方一定角度内的红外光线，这种减小互扰动的措施效果较好。的措施效果较好。 （4）使相邻
17、的红外发射）使相邻的红外发射/接收管交替工作（即接收管交替工作（即“点火点火”）。这种方法不仅减小了相邻红外传感器）。这种方法不仅减小了相邻红外传感器之间的干扰，同时也降低了整体传感器的功耗。之间的干扰，同时也降低了整体传感器的功耗。 光电管发射功率的影响光电管发射功率的影响 为了增加前瞻距离，需要加大光电管红外发射功为了增加前瞻距离，需要加大光电管红外发射功率，使得返回的红外线的强度提高，这样不仅使率，使得返回的红外线的强度提高，这样不仅使得电池电能的消耗量增加，同时也会缩短红外发得电池电能的消耗量增加，同时也会缩短红外发射管的寿命。为解决这个问题，可以利用红外接射管的寿命。为解决这个问题，
18、可以利用红外接收管响应速度快的特点，采用光电管脉冲发射收管响应速度快的特点，采用光电管脉冲发射/接接收的方法加以处理。红外发射管工作在周期脉冲收的方法加以处理。红外发射管工作在周期脉冲方式下，可以大大降低平均工作电流，从而降低方式下，可以大大降低平均工作电流，从而降低了整个发射电路的电量消耗。了整个发射电路的电量消耗。 （2）测速模块测速模块三种常见轴编码器三种常见轴编码器轴编码器轴编码器测速电机测速电机自制编码自制编码盘盘测速测速l另一种测速方式是利用定时器输入捕捉另一种测速方式是利用定时器输入捕捉功能，通过捕捉每个脉冲的时间功能，通过捕捉每个脉冲的时间T TICIC以获以获得相邻脉冲的时间
19、间隔；得相邻脉冲的时间间隔；lECT模块提供输入捕捉和输出比较功能l利用输出比较的定时功能，记录在一定的定时时间Toc内的脉冲个数n以此来测得速度v（车轮周长L，一圈产生N个脉冲）（3）、电机控制、电机控制lMC9S12DG128BMC9S12DG128B带有脉宽调制模块，可以通过编程实带有脉宽调制模块，可以通过编程实现现PWMPWM对电机和舵机的控制，对电机和舵机的控制，PWMPWM脉宽调制中：脉宽调制中：占空比占空比= =高电平时间高电平时间/ /周期周期=Ton/=Ton/TperiodTperiodPWM信号占空比示意图MC33886MC33886逻辑控制逻辑控制MC33886四个逻辑
20、控制输入端IN1，IN2，D1，D2，将D1、D2分别与普通I/O口相连，将IN1、IN2分别连到两个PWM通道。按照数据手册表给出的逻辑控制真值表对这四个输入进行控制，根据控制要求，选定D1、D2状态，编程设定两个PWM通道的占空比即可。MC33886连接图连接图（4）、舵机控制、舵机控制控制方法控制方法l接线：三线接线：三线电源、电源、地、信号地、信号l信号脉冲宽度与转角呈信号脉冲宽度与转角呈线性关系线性关系舵机控制舵机控制转角/脉宽/usec脉宽转角（+为顺时针方向）+45-45110015001900 舵机控制曲线实际中，由于受到机械传动等各种因素的影响，舵机转向角度与脉宽并不是成正比
21、的，需要在实践中不断调整。舵机控制舵机控制使用两路使用两路8bit8bit的的PWM0,1PWM0,1合成一路合成一路16bitPWM16bitPWM控制舵机达到更精控制舵机达到更精确的控制目的：确的控制目的：l低位低位PWM0PWM0作为双字节数的高位存储字节作为双字节数的高位存储字节lPWM1PWM1作为输出端口，所有设置以作为输出端口，所有设置以PWM1PWM1为准为准lPWMCTL_CON01=0x1PWMCTL_CON01=0x1；lPWMPER0,1=60000PWMPER0,1=60000；/50Hz/50HzlPWMDTY0,1=1500*3PWMDTY0,1=1500*3；/
22、1500us/1500uslBUS BUS oscosc=24MHz=24MHz；/经过经过8 8分频分频PWMPWM时钟变为时钟变为3MHz3MHz3、摄像机、摄像机电源管理单元电源管理单元由于稳压芯片由于稳压芯片LM2576的额定输出电流较小，的额定输出电流较小，故采用两片故采用两片LM2576分别对单片机电路、车分别对单片机电路、车速检测电路供电，以保证系统正常运行。速检测电路供电，以保证系统正常运行。其电源分配图如图其电源分配图如图7.2所示。所示。 路径识别单元路径识别单元 摄像头的工作原理摄像头的工作原理 摄摄像像头头以以隔隔行行扫扫描描的的方方式式采采样样图图像像，当当扫扫描描到
23、到某某点点时时，就就通通过过图图像像传传感感芯芯片片将将该该点点处处图图像像的的灰灰度度转转换换成成与与灰灰度度对对应应的的电电压压值值，然然后后将将此此电电压压值值通通过过视视频频信信号号端端输输出出。具具体体而而言言（参参见见图图2.52.5），摄摄像像头头连连续续地地扫扫描描图图像像上上的的一一行行，就就输输出出一一段段连连续续的的视视频频信信号号，该该电电压压信信号号的的高高低低起起伏伏正正反反映映了了该该行行图图像像的的灰灰度度变变化化情情况况。当当扫扫描描完完一一行行，视视频频信信号号端端就就输输出出一一个个低低于于最最低低视视频频信信号号电电压压的的电电平平（如如0.3 0.3
24、V V），并并保保持持一一段段时时间间。这这样样相相当当于于紧紧接接着着每每行行图图像像对对应应的的电电压压信信号号之之后后会会有有一一个个电电压压“凹凹槽槽”，此此“凹凹槽槽”叫叫做做行行同步脉冲，它是扫描换行的标志。同步脉冲，它是扫描换行的标志。 然后扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场然后扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的信号，接着会出现一段场消隐信号。其中有若的信号，接着会出现一段场消隐信号。其中有若干个复合消隐脉冲（简称消隐脉冲），在这些消干个复合消隐脉冲（简称消隐脉冲），在这些消隐脉冲中，有一个消隐脉冲远宽于其他的消隐脉隐脉冲中，有一个消隐脉冲远宽于其他的消隐脉冲（即该消隐
25、脉冲的持续时间远长于其他的消隐冲（即该消隐脉冲的持续时间远长于其他的消隐脉冲的持续时间），该消隐脉冲又称为场同步脉脉冲的持续时间），该消隐脉冲又称为场同步脉冲，标志着新的一场的到来。摄像头每秒扫描冲，标志着新的一场的到来。摄像头每秒扫描2525帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描5050场场图像。图像。1/3 OmniVision CMOS视频信号采集流程视频信号采集流程l场同步信号连接到处理器的一个普通I/O管脚上，用于查询也可接到可产生中断的管脚上。行同步信号将连接到处理器的一个中断管脚上，产生中断，从而控制对图像的采集。各输出信号中只用到复合同步信号和场同步信号，其它输出管脚悬空不与单片机连接。电机驱动接口计算机串口测速接口电源接口复位电路晶振电路LED调试灯接口电压采集（A/D）普通IO接口调试接口三、调试与其它问题三、调试与其它问题建立在实验的基础上建立在实验的基础上目的目的-方法方法-记录记录-总结总结-提高。提高。
