第四章 电路设计
4.1图像采集电路
在我们的设计中，为了实现小车视觉，提出了两种方案，光电管阵列检测赛道参数与面阵CCD器件检测赛道参数.。另外，如何有效利用单片机内部资源进行路径参数检测，也是确定检测方案的关键。
我们对这两种方法进行了详细的比较：
我们对这两种方法进行了详细的比较：
基于光电管阵列检测赛道参数的方法主要具有如下的缺点：
1) 赛道空间分辨率低：一方面受到大赛规则关于传感器个数的限制；另一方面，过多的光电传感器在固定安装、占用CPU的I/O端口资源等方面也有限制；
2) 识别道路信息少，一般只能检测路径中心位置；
3) 由于固定位置的限制，光电管只能安装在车模前面不远的位置，观测信息前瞻性差；
4) 容易受到环境光线的干扰；
以上问题会影响车模控制精度以及运行速度，选择面阵CCD器件则可以解决以上这些问题：
1） CCD传感器图像分辨率都在300线之上，远大于光电管阵列，解决了控制精度问题；
2） 可以将车模前方很远的道路图像映射到CCD器件中，从而得到车模前方很大范围内的道路信息；
3） 对图像中的道路参数进行检测，不仅可以识别道路的中心位置，同时还可以获得道路的方向、曲率等信息；
4） 通过图像信息处理的方式得到道路信息，可以有效进行车模运动控制，提高路径跟踪精度和车模运行速度。
4.1.1图像传感器的选型
通过市场调研，在市场上现在已很难找到CCD摄像头，综合考虑性能、技术和价格三方面的因素，我们选择了下面一款黑白CMOS摄像头，以下是相关参数
产品型号： 208B
产品名称： 黑白CMOS迷你摄像头
解析度： 350线
最低照度： 0.5LUX
输出信号格式： PAL格式的标准视频信号
透镜磨光和视角： 3.6mm 69°
电源/功耗： DC 8V-12V/90mW（推荐12V）
价格： 65元/个
4.1.2视频信号采集模块
对视频信号的采集有三种方法：一、将视频信号直接送给单片机AD进行处理。二、将视频信号运用外部高速AD采样，这样可以提高信号处理精度；三、将视频信号进行二值化之后送入单片机，减少单片机要处理的数据负荷，让单片机可以实现更复杂的算法。为了有更多选择和发展空间，这两种方法我们决定都采用，在实际中再进行比较。
方案一：
将视频信号直接送给单片机AD进行处理。通过单片机片内AD对视频信号采样后，进行处理。这种方案的最大优点在于电路连接的可靠与简便。但是，由于片内的工作速度在几KHz左右，因而会限制采样的进行。
方案二：
将视频信号送入外部高速AD转换器进行采样的系统如图4-1所示。
图4-1 单片机采集图像系统框图
在这里没有采用外部高速AD，是考虑到单片机的IO资源问题。其中：电路组成需要，S12单片机最小系统、同步分离电路、5V稳压电路、12V斩波升压电路等。
使用以上方案，S12单片机端口资源配置如下：
AD 输入端口PAD02 ：输入视频模拟信号；
外部中断口IRQ ：输入视频行同步信号；
数字IO口 PM1 ：输入奇、偶场信号；
PWM输出端口：PWM2 12V斩波升压控制信号；
方案三：
直接利用电压比较器构建图像二值化模块如图4-2所示。
图4-2 二值化电路原理图
由于专用比较器的频率可以很高，直接进行二值化，将大大简化电路，提高系统的处理速度。但同时也带来一些问题，比如对环境的适应性也会下降。一旦环境的光线强度发生变化。系统可能无法正常工作。同时，也会给赛道的识别带来一定的困难。
为了解决环境适应性的问题，我们提出了加可控比较电压的方案，就是在“二值化比较器”的参考电压上加入一个可控的参考电压（由DA实现），那么单片机可以通过预定的程序对阈值做调整，以提高对光的适应性。
4.1.3同步信号分离模块
视频采集系统主要由信号采集控制芯片和信号采集芯片构成，以上两方案的信号控制芯片都采用LM1881。信号采集控制芯片LM1881电路如图4-3所示。
图4-3 LM1881接线图
输入输出说明：
输入：PIN 2 视频信号
输出：PIN 1 行触发信号
PIN 3 场同步信号
PIN 5 脉冲选通信号
PIN 7场信号，分奇偶场，奇场为低，偶场为高。
4.1.4视频信号数字化模块
采用AD转换可以提高信号处理精度，视角也更远。采用8位AD转换芯片HI1175，该芯片需两个参考电压，一为高(top),一为低(bottom),输入信号在此之间的可以相应的转换为8为数值信号，另外芯片的工作频率由外部控制，在此采用有源晶振提供10MHZ的工作频率。视频采集电路如图4-4所示。
图4-4 HI1175接线图
引脚输入输出说明：
输入： PIN 12晶振信号输入
PIN 17 AD转换高电压
PIN 23 AD转换低电压
PIN 19 输入视频信号
输出： D7~D0，输出8位数字信号
测试结果： HI1175 输出信号很好的反应输入视频信号的变化，高四位变化平缓，低四位变化激烈。
4.2测速电路
为了更大可能地提高小车的性能，需要对小车的速度进行精确地测量，确保小车处于可控制的状态下。
目前我们采用的测速电路如图4-5所示。
图4-5 测速电路原理图
该电路将齿轮转动的频率信号转换为电压值输出，再经单片机内AD转换得到电压值，以确定速度。
4.3电源模块
图4-6 智能车电源管理模块
在电源管理芯片的选择中，常用的是LM7805，LM7806。但由于电池的工作电压为7.2V.而LM7805，LM7806正常工作时，其输入输出引脚之间的电压差通常为2~3V，驱动电机工作时引起瞬间电压下降，造成芯片输出电压下降，影响其他模块的工作。经过实验我们确实也发现了此种情况，因此我们采用的是低压降的芯片LM2940，如图4-7所示。为了避免各个模块的供电相互干扰，设计中，采用了两片LM2940，每一芯片单独为一个模块供电。在电路设计中，考虑到由于电机驱动所引起的电源不稳定（主要为瞬态脉冲），在电源输入端，各芯片电源引脚都加入了滤波电路和稳压电容。为了避免由于驱动电机转动时所引起的电磁干扰，在电路板设计中，在印制板上做了敷铜处理，将电路中的“地”与敷铜面相连接。
4.6无线模块
4.3电源模块
智能车系统根据各部件正常工作的需要，对配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池进行电压调节。其中，单片机系统、视频信号处理电路，需要5V电压。伺服电机工作电压范围4.8V到6V，我们直接采用电池电压经稳压处理后对舵机供电。CMOS摄像头的工作电压为12V，我们采用5V－12V DC－DC集成模块来供电。智能车的电源管理模块如图4-5所示。
图4-6 智能车电源管理模块
在电源管理芯片的选择中，常用的是LM7805，LM7806。但由于电池的工作电压为7.2V.而LM7805，LM7806正常工作时，其输入输出引脚之间的电压差通常为2~3V，驱动电机工作时引起瞬间电压下降，造成芯片输出电压下降，影响其他模块的工作。经过实验我们确实也发现了此种情况，因此我们采用的是低压降的芯片LM2940，如图4-7所示。为了避免各个模块的供电相互干扰，设计中，采用了两片LM2940，每一芯片单独为一个模块供电。在电路设计中，考虑到由于电机驱动所引起的电源不稳定（主要为瞬态脉冲），在电源输入端，各芯片电源引脚都加入了滤波电路和稳压电容。为了避免由于驱动电机转动时所引起的电磁干扰，在电路板设计中，在印制板上做了敷铜处理，将电路中的“地”与敷铜面相连接。
图4-7 LM2940应用电路图
4.4驱动电路
4.5调试模块
直流电机的控制一般由单片机的PWM信号来完成，驱动芯片采用飞思卡尔半导体公司的半桥式驱动器MC33886。为了提高驱动电路的驱动能力，我们采用两片MC33886并联来驱动电机，如图4-8所示。
图4-8 驱动电路原理图
4.5调试模块
调试模块一共有两种设计思路。
方案一：液晶显示屏和键盘
为了方便调试，可以采用键盘作为参数输入，显示屏作为参数输出。通过输入、输出交互模块调节参数。该方案能够方便对大量参数进行调节，调节精度很高，不过方案的实现还需要单独的硬件和软件设计。
方案二：拨码开关
通过改变拨码开关的值，改变相关的参数。这种方案能够改变参数的数量比较少，精度也比较低，还会占用一些IO口资源。不过，该方案实现简单，不必额外的软、硬件设计。
为了方便现场参数调试，考虑到比赛调试时间紧张，没有多于的时间进行参数调节。因此，我们采用方案二，直接提供两组拨码开关，进行必要参数的调节。同时，为了给将来调试提供方便，我们还是预留了LCD显示屏的接口。调试模块电路如图4-9所示。
图4-9 调试模块电路原理图
4.6无线模块
为了实时检测小车运行过程中的各个状态量，从而可以知道我们的控制策略的存在的问题以便改正和做进一步的优化。该无线传输模块的芯片选用NRF401。该无线传输芯片工作方式为射频方式，具有单片收发功能，并且只需要较少的外围器件。
我们需要的该模块的接口为RS232接口，以方便将通过串口的有线传输和无线传输统一起来，以增加已有调试软件的适应性。如图4-10所示，为了增加该模块的通用性，同时对外提供标准TTL电平和RS232两种接口。
图4-10 无线模块应用示例
无线模块以NRF401芯片为核心，其外围电路如图4-11所示。
图4-11 无线模块电路图
为了获得较好的RF性能，使用双面板设计。同时PCB的双面都有连续的覆铜，以确保关键原件的接地。
