3.1 视频分离模块--LM1881
检测赛道相对车模的偏移量，方向，曲率等信息是实现车模自主沿赛道运行基础，获取更多，更远，更精确的赛道信息是提高车速的关键。道路检测方式有多种，总体可以分为两大类:红外检测方式和CCD/CMOS摄像头检测方式。本设计采用第二种方式。
LM1881（如图3.1）是针对电视信号的视频同步分离芯片，它可以直接对电视信号进行同步分离，准确地获得所需的视频图像信号，使用者可根据需要对该同步信号进行时序逻辑控制[4]。
视频信号中除了包含图像信号之外，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等，因此，若要对视频信号进行采集，就必须准确地把握各种信号问的逻辑关系。LM1881就是针对视频信号的同步分离而生产的，LM1881可以从0.5～2V的标准负极性NTSC制、PAL制、SECAM制视频信号中提取复合同步、场同步、奇偶场识别等信号，这些信号都是图像数字采集所需要的同步信号，由此便确定采集点在哪一场，哪一行。
1.复合同步输出(COMPOSITE SYNC OUTPUT)
复合同步输出是对复合视频输人信号的箝位输出。LM1881芯片将视频信号
同步顶箝位到直流1.5V，将比较器的阈值设在1.5V左右，这样便可使视频信号的图像波形部分被拉平，其他信号波形按原样复现。箝位线设在同步脉冲上，典型值为1.57mV左右。对于0.5V输人来说，箝位线大约为同步脉冲幅值的50％；而对于2V输人，箝位线大约为同步脉冲幅值的11％。
2.奇偶场脉冲输出(ODD/EVEN OUTPUT)
视频图像信号一帧画面分2场扫描，第1场先扫描奇数行1、3、5、⋯ ，称为奇数场；第2场扫描画面上的偶数行2、4、6、⋯，称为偶数场。奇数场开始的前一行为完整的1行，偶数场开始的前一行为1个半行，引脚7输出的低电平表示为偶场，高电平表示为奇场。
3.行同步信号
要从复合同步输出信号中将其分离出来。这几种重要的输出信号的时序参看下图(3.2)。
本文采用第二种方式需要视频分离芯片LM1881辅助电路。设计如图3.3。
图3.3中C1和R1构成一个简单滤波电路，使视频信号更平稳。C2和R2构成了一个复位电路。
C3和前面介绍的同值电容的作用同。引脚VS输出场同步信号，可接到单片机的中断脚上。从CSO引脚输出的信号中我们可以提取出行同步信息。O/E引脚用来区分场同步是奇场还是偶场。
3.2电机驱动模块--MC33886
MC33886是一款用于电机驱动的高效单片集成芯片，能够向负载电机提供高达5.0A的连续的直流感应电流，最高可以处理10kHz频率的PWM调制脉冲[5]。
特性：
工作电压：5-40V
导通电阻：120毫欧姆
输入信号：TTL/CMOS
PWM频率：<= 10KHz
短路保护、欠压保护、过温保护
具有错误状态报告功能(引脚/FS判断)
下面结合其引脚信息(图3.4)来简单说明MC33886是如何工作的
引脚1，9，10，11，12为GND。
1．/FS为错误状态报告引脚，能提供过流，过压，过温标志保护。
2．OUT1和OUT2为MC33886的输出，也是RS380SH电机的输入。可以将二者分别接到电机的正负端，也可以将二者并联，接到电机的正极，而把电机的另一极直接接地，只不过这时候电机只能正转，不能够反转。
3. DNC不连。
4. V+为MC33886的电源引脚，直接接在电池的两端。
5. CCP为负荷吸收电容引脚，一般情况下将其外接一个值很小(33nF)的电容。
图3.5即为MC33886的一个简单应用电路
当然，/FS可以不接。因为MC33886比较稳定，一般情况下是不会发生问题的，前提是必须确保电路没有任何问题。
值得一提的是，MC3386发热问题比较突出，特别是其正反转较为频繁的时候。建议在使用时，在其上面加一个散热片，以增大其散热面积。 由于电机RS380SH无论电压还是功率都还有很大的余量，在使用MC33886时，可以考虑多片并联使用，以增大输出电流(但是要考虑到RS380SH所能承受的最大电流，以免烧坏电机)，提高RS380SH的功率，提高转速。
为方便日后更换，拟定将MC33886单独做在一个小电路板上。电路设计如图3.6。
设计中采用两片MC33886并联驱动，这样做有两个优点，其一是提高电机的输入电流，增大电机的实际功率，使电机能在不增加动力源的情况下，性能大幅度提高；其二是减小单片MC33886的功耗，MC33886发热现象比较严重，上面须加上一定面积的散热片来缓和一下，在这里用两片MC33886来为同一个电机供能，可以有效地减小单片MC33886的功耗，发热现象也可以得到部分缓解。这里有三点需要说明一下[10]：
避免利用稳压电源为电机供电
如果利用稳压电源而不是未稳压电源为电机供电，稳压器提供的噪声和电源的隔离功能将大受影响。电机噪声将不再流经稳压器的输入滤波电容，而是直接进入稳压电路。此外，整个电路的芯片将不得不不与电机竞争从稳压器输出的电流。
利用未稳压电源为电机供电，以获得最大的物理功率。
首先，利用具有最高电压和较低内阻的电源为电机供电，可以使其获得最大的物理功率(速度和转矩)。由于线性稳压器的输入电压通常比输出电压高，利用较高的未稳定输入电压为电机供电通常在性能上超过利用较低的稳定输出电压为电机供电。
此外，稳压器不能像电池一样快速地传送电流的变化。由于当电机启动时电池能够提供一个较大的，低内阻的电流，所以利用电池为电机供电通常在性能上超过了利用稳压电源为电机供电。
注:这里所说的”通常在性能上超过”是在假定电机的额定电压与电池相匹配的情况下得出的结论。
避免将电机接到稳压器上增加稳压器的负载
不利用稳压电源为电机供电的第二个原因是，稳压器限制它能提供的最大电流。例如7805CT限制的最大电流为1A。用户并不希望耗电量很大的电机耗掉稳压器所提供的大部分电流。
3.3电源模块
大组委会提供和规定比赛使用的电源为配发的7.2V的镍铬电池。现在来分析一下智能车系统主要需要什么类型的电源及如何设计这些电源。
3.3.1升压模块--MC34063A
CCD摄像头需要12V的工作电压。本文设计中是使用MC34063A搭建一个由7.2V升压到12V的升压电路，MC34063A是单片双极型线性集成电路，专用于直流――直流变换器控制部分，一个占空比周期控制振荡器，驱动器和大电流输出开关 ，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器，降压式变换器和电源反向器。根据厂商提供的内部原理图3.7和外围器件参数计算公式，设计MC34063A外围电路[6]。
具体设计的电路图如图3.8。
根据厂家所提供的典型应用电路，引脚5是1.25V的基准电压，由分压原理算出R8=8.6K(给定R7=1K)。考虑到没有这种阻值的电阻。在第一电路板中就用了一个10K的电位器来调节使输出为12V。但是后来的实验中发现，CCD在11V左右也可以正常工作，由此在第二块电路板中就将电位器直接用8.2K的固定电阻来代替。上图中C4为储能电容，主要是为了防止电压波动给CCD工作带来的不利影响。C5和L1可根据CCD摄像头所需的额定电流来计算出来最小值，只要这一电容和电感不小于这是计算出来的最小值就可以了。其它电阻，电容等默认。
3.3.2 AD参考电压模块--LM336
这一电源是单片机A/D转换的基准电压，直接影响到A/D转换的精度，要求很高，就选用了LM336-2.5，加一个5K电位器来调节使其稳定输出为2.8V。电路设计如图3.9。
上图中的C15为输出电压稳定电容47uF。
LM336集成电路是精密的2.5V并联稳压器，其工作相当于一个低温度系数的、动态电阻为0.2Ω的2.5V齐纳二极管，其中的微调端(adj)可以使基准电压和温度系数得到微调。
典型性能参数：
低温度系数：6mV／9mV／18mV；
工作电流范围宽：300uA——10mA；
动态电阻：0.2Ω；
最大正向电流：10mA；
最大反向电流：15mA。
3.3.3 降压模块--LM1117-5
单片机，LCD，CS3020，74HC1G14，ZLG728，LM336的标准供电电压都是5V，所以需要一个降压稳压芯片LM1117-5来将电池电压降到需要的5V。考虑到单片机的核心地位及单片机需要很大的输入电流(输入电流过小时，单片机会重启动)，拟定用两片LM1117-5。一片单独给单片机提供电源，一片给剩余的LCD，CS3020等供电。设计电路图如图3.10。
本设计中所用的LM1117-5封装如图3.11 (SOT--223)。
使用该芯片时注意以下几点：
1. 建议使用输入旁路电容。10uF的钽电容适用于几乎所有的应用。
2. 输出电容对于保持输出电压的稳定性起着非常重要的作用，它必须同时满足最小容值和ESR（等效串联阻值）的要求。如果使用钽电容，LM1117要求输出电容的最小值为10uF。输出电容值的增加提高了回路的稳定性和瞬态响应。输出电容的ESR值必须在0.3Ω~22Ω之间。在使用可调压的型号时，通常需要使用较大容量的输出电容（22uF的钽电容）。
3. 在正常操作下，LM1117不需要任何保护二极管。对于可调压的型号，输出端和调节端之间的电阻限制了电流。不需要通过二极管转移调压器的电流，即使调节端带有电容。调节端可承受相对于输出端±25V的瞬时信号而不会损坏器件。
当输出端连接了电容，而输入端对地短路时，输出端电容将会向调压器输出端放电。放电电流取决于电容的容量、调压器的输出电压和VIN的跌落速度。在LM1117中，输出端与输入端之间的二极管可承受10A~20A微秒级的浪涌电流。
4. 有可能需要安装散热器使器件温度保持在正常工作范围，视最大散热功率和最高的环境温度而定。由于本设计中该芯片主要是在室温下工作，并且功率也不是很大，可以不使用散热器。
在输入端和输出端分别加了47uF和470的大电容，可以称它们为储能电容。而0.1uF的电容我们可以称之为滤波电容。智能车和其它电子设备的区别之一智能车需要电机。电机在使用时消耗较大的电流。在峰值电流时，电池给电机提供足够大的电流较为困难，因此会导致电池电压暂时降低（骤降）。
将输入和输出电容的容量增大为厂家所提供原来值的10~100倍，可以补偿电压骤降。另外，较大值的输入电容可以提供电机初启时所需时所需要的突发电流。这样就可以实际地改善馈电不足的电机响应速度。
当用重负载提供额外的电流时，较大值的电容常被归类为大电容值。不是完全替换稳压器厂家数据单中所列的电容值，最好将它们保留在原位，然后用一些并联的大电容值电容来增强它们。这是因为如果没有接较小值的厂家推荐的电容，而是接了一些较大值的电容，大电容值电容的一些其它特性表现不太好。之所以将它们并联，主要是为了不影响芯片性能的前提下同时保留二者的功用。
3.4电压反馈模块
直接用电池给舵机供电，可以提高其灵敏性，但随之而来的一个问题就是造成舵机的不稳定，因为电池电压一直在下降。这给舵机的控制带来很大的困难。还有MC33886也有同样的问题，因为随着电池电压的下降，同样的占空比带来电机速度会有很大的差异。这就把电压检测模块提上了议事日程。检测当前电池电压，以此作为给舵机和电机施加补偿的依据。设计电路如图3.12。
左边的这个方框是一个4×1K排阻。是用来给电池电压分压用的。单片机A/D转换的参考电压是2.8V，那么就必须用分压来使输入PAD03的电压值不能高于2.8V以免发生转换溢出。
3.5液晶显示模块--RT12864M
液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。外观尺寸：93×70×12.5mm，视域尺寸：73×39mm。引脚说明如表3.1。
设计时在母板上留出了接口，拟用排线引出，以减轻模型车的重量。现场调试时，用其将内存中CCD采集并经单片机处理后的信息形象地显示出来，并由此来判断控制程序之前的图像处理是否合理等等。
3.6键盘模块-- ZLG7289A
ZLG7289A具有如下特点：
1.串行接口无需外围元件可直接驱动LED
2．各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性
3．循环左移/ 循环右移指令
4．具有段寻址指令方便控制独立LED
5．64 键键盘控制器内含去抖动电路
6．与微控制器之间采用SPI 串行总线接口，操作方便，占用I/O 资源少
键盘输入程序的设计。程序设计思路如图3.13。
当ZLG7289A检测到有效的按键时，KEY引脚从高电平变为低电平并一直保持到按键结束。在此期间如果ZLG7289A接收到读键盘数据指令，则输出当前按键的键盘代码。如果在收到读键盘指令时没有有效按键ZLG7289A将输出FF。
指令宽度为16个BIT。前8个为微处理器发送到ZLG7289A的指令，后8个BIT为ZLG7289A返回的键盘代码。执行此指令时ZLG7289A的DATA端在第9个CLK脉冲的上升沿变为输出状态，并于第16个脉冲的下降沿恢复为输入状态等待接收下一个指令。
程序是用普通I/O来模拟编程的。在流程的最后判断接收数据是否为0，是因为在控制算法中把键盘输入键0作为确认键。
ZLG7289A与单片机的电路连接如图3.15：
其中S1-S4连接LED的片选端，SG-SA与DP连接LED的相应段位，S1-S4，SA-SC，DP连接4*4小键盘。具体实物如图3.16如下：
3.7测速反馈模块—CS3020
为了使得模型车能够平稳地沿磁卡赛道运行，除了控制前轮转向舵机以外，还需要控制车速，使得模型车在急转弯时速度不要过快而冲出跑道。可以通过控制驱动电机上的平均电压控制车速，但是如果开环控制电机转速，会有很多因素影响电机转速，例如电池电压，电机传动摩擦力和前轮转向角等。这些因素会造成模型车运行不稳定。通过速度检测，对车模速度进行闭环反馈控制，即可消除上面的各种因素的影响，使得车模运行的更精确。
在车轮没有打滑的情况下，车速正比于驱动电机的转速。车速检测一般是通过检测驱动电机转速实现的。本设计中采用CS3020霍尔开关来检测车速。捕获开关脉冲信号来计算当前模型车的速度。
电路设计如图3.17。
CS3020低电平输出，附近有一定强度的磁场时，SPIN输出低电平。注意到在Vcc和SPIN之间加了一个10K的上拉电阻，这是因为单片机输入引脚有吸入电流的限制(最大10mA)。
为滤除噪声，得到较理想的矩形脉冲，外加整形电路。见图3.18。
