根据我们对赛车整体的设计思路，我们采用摄像头作为传感器的方案，这样赛车在硬件上就包括七大模块：控制处理芯片MC9S12DG128，电源管理模块，赛车转向模块，电机驱动模块、图像采样模块、车速检测模块，辅助调试模块。这七大模块构成的硬件系统结构如图2.1所示。
图3.1 系统结构框图
(→ 信号流向； 电源流向)
其中MC9S12DG128单片机是系统的核心部分，它负责接收赛道图像数据、赛车速度等反馈信息，并对这些信息进行恰当的实时处理，形成合适的控制量来对舵机与驱动电机进行控制[4]。
赛车全部硬件电路的电源由7.2V、2000mAh的可充电镍镉蓄电电池提供，但是由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流各不相同，因此电源管理模块的作用就是为其他各个模块提供所需要的电源。
赛车转向模块和电机驱动模块分别用于实现赛车转向和驱动。
图像采样模块由MC9S12DG128的AD转换模块，外围芯片(LM1881)和电路，与摄像头组成，用于获得赛道的信息，实现赛车的自主识别赛道。
车速检测模块采用霍尔传感器配合稀土磁钢检测方案，通过检测磁信号变化，可以得到电脉冲信号，经过算法处理，获取后轮转动速度。
辅助调试模块主要用于赛车系统的程序烧录，赛车状态监控，赛车系统参数调试，控制策略选择等方面。
3.1 电源管理模块
在赛车硬件模块中，电源是系统正常工作的基础，赛车全部硬件电路的电源由7.2V、2000mAh的可充电镍镉蓄电电池提供，电源管理模块的作用就是为其他各个模块提供所需要的电源。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，所以在设计电路时添加多个稳压电路，将充电电池电压转化成各个模块所需要的电压。在我们的赛车硬件结构中，电源管理模块采用了星型结构组成的若干个相互独立的稳压电路，这样可以减少各个模块之间的相互干扰。图3.2为电源管理模块的电路结构。
图3.2 电源管理模块结构图
通过上面电源管理模块的电路结构，可以发现，在各模块所需的电压中，除了电机驱动模块的电源可以直接取自电池外，其余各模块的工作电压则需要从电池电压通过变换稳压获取，在这里我们采用集成稳压芯片实现。表3.1列出了我队赛车使用的电源稳压芯片：
表3.1 我队采用的电源稳压芯片
在设计稳压电路中，降压稳压电路我们采用了串联稳压芯片，此电路的电源噪声较低，比较适用于耗电量不大的电路。我队采用了CMOS摄像头作为道路传感器，工作的额定电压为8V，高于电池电压，我们采用了升压芯片MC34036API进行电路设计。另外，为消除电源中的噪声并减少电压波动，我们在各级电源模块中安装了低频和高频的滤波电容，同时我们在电池两端加大了电容容量以避免电机在启动和制动过程中产生的冲击电流对电源的影响。电源管理模块的电路图如图3.3所示：
图3.3 电源管理模块电路图
3.2 赛车转向模块
为使赛车能够平稳的沿赛道行驶，我们需要对前轮转向舵机进行控制。在这里，转向机构我们采用了大赛统一的舵机进行驱动，该舵机由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成，可以通过内部的位置反馈，使其舵盘输出转角正比于给定的控制信号。舵机接口采用了三线连接的方式，黑线为电源地线、红线为电源线、白线为控制信号线。
考虑到舵机是控制赛车前轮的转向，我们希望前轮的转动灵敏度尽量高，因此要求舵机的响应速度尽量快，舵机的响应速度与工作电压有关，电压越大速度越快，因此我们在舵机允许的工作电压范围内，尽量选择大的工作电压。我们从舵机参数可以看出在6.0V电源供电的情况下可以达到此要求。另外，由
于舵机的工作电流变化大，对电路的干扰很大，因此我们要将舵机的供电电源与其他模块的电源分开。综上，赛车采用一路6.0V电源单独给舵机供电。
表3.2 舵机参数
我们知道，舵机输出转角与控制信号脉宽之间的关系如图2.4所示。
图3.4 舵机输出转角与控制信号脉宽之间的关系
单片机S12脉宽调制模块有8路独立的可设置周期和占空比的PWM通道，每个通道配有专门的计数器。我们使用了S12的1路PWM产生控制舵机的脉冲。在舵机转向控制中，我们采取将2路PWM输出级联成一个16位PWM输出，这样可以有效地解决舵机转向角度细分的精度问题。
在舵机控制的软件实现上，我们已知舵机的转角通过占空比来调整，舵机转角极限是正负60度，对应的脉宽的范围是：920us---1520us---2120us。我们选择的输出频率为200HZ，对应的周期是5000us的PWM 信号，级联Channel 0和Channel 1，时钟源为clock A 为 32MHZ/8=4MHZ，这样可以提高精度，此时每个脉冲的宽度为1/4=0.25us。若输出波形频率为200HZ，则PWMPER01=20000, 即：
CLOCK A/PWMPER01=4000000/20000=200HZ
舵机输出角度为0时对应的脉冲宽度为1520us，相当于PWMDTY01=1520/0.25=6080。输出角度为-60度时对应的脉冲宽度为920us，相当于PWMDTY01=920/0.25=3680。输出角度为+60度时，相当于PWMDTY01=2120/0.25=8480。即脉冲宽度可调范围为：3680---6080---8480
调整PWM占空比时，也就是控制舵机转向时，只要通过设置寄存器PWMDTY01的值即可达到要求。
3.3 电机驱动模块
在比赛过程中，赛车的速度是衡量比赛成绩最重要的方面，而赛车的最大运行速度是由驱动电机的性能来决定的。比赛中使用的模型车后轮驱动电机型号为RS-380电机，工作在7.2V电压下，空载电流为0.5A，转速为16200r/min。在工作电流为3.3A时，转速为14060 r/min，工作效率最大[5]。
在电机硬件设计中，我们采用了两块MC33886DH作为驱动芯片，来实现赛车电机的正转和反转。驱动模块的电路图如图2.5所示：
图3.5 驱动模块电路图
在这里，芯片的封装如下图所示：
图3.6 MC33886芯片外部引脚的封装图
由CPU发出PWM信号通过33886驱动芯片控制电机的电压. PWM7输出PWM波，经由IN1口输入。OUT1输出电机调速信号，MCU可以通过改变PWM7的占空比就能调节电机转速的快慢。
在软件设计上，我们用D1口来控制电机的起停，通过输出口PTM_PTM5来控制。PTM_PTM5初始化，电机启动，电机停止。同时用IN1、IN2、OUT1、OUT2来进行调速控制，以PWM7作为控制信号的输入。
3.4 图像采样模块
在比赛中如何使赛车正确地识别赛道的变化，使其自主地沿赛道运行，这就需要图像采样模块来对赛道进行检测[6]。通过对上届比赛中各队图像采样方案的比较，结合摄像头检测前瞻距离大、范围宽、监测道路参数多等优势，我队采用CMOS摄像头方案。在摄像头的选择上，由于赛道本身只包括黑白两种颜色，因此在设计中采用黑白摄像头，这样可减少单片机采样摄像头输出视频信号的负担。我们的方案中选择了一款型号为SS2000B的摄像头进行参数测量，并基于所测量的摄像头的具体参数利用MC9S12DG128的AD模块对模拟视频信号进行离散化。图像采样模块的电路图如图3.7所示。
图3.7 图像采样模块电路图
在摄像头采集的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间的逻辑关系，在这里我们采用了LM1881芯片来进行视频信号的同步分离。如图所示，我们可以从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，有了它们，便可确定采集点在哪一场，哪一行。LM1881能对非标准的视频信号进行同步分离，通过固定的时间延迟产生默认的输出作为场同步输出。
图3.8 LM1881引脚说明
图3.9 LM1881信号时序图
在摄像头对赛道进行采样时，要用到行同步信号和奇偶场同步信号。
行同步信号（复合同步输出），如图3.9种的信号a，是对复合视频输入信号的箝位输出,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 输入来说，箝位线大约为同步脉冲幅值的50%；而对于2V输入，箝位线大约为同步脉冲幅值的11%。
奇偶场同步信号，如图3.9种的信号d,视频图像信号一帧画面分两场扫描，第1场先扫描奇数行1，3，5…称为奇场；第二场扫描画面中的偶数行2，4，6，…称为偶数场。奇偶场同步信号引脚输出的低电平表示偶场，输出高电平表示奇场。奇偶场同步信号的跳变发生在第一个场同步脉冲的上升沿。
在道路检测过程中，摄像头参数测量的目的是获得某一特定摄像头的实际参数，根据所得参数设计具体的采样策略和控制策略。所需要测量的量包括：每场图像的行数（奇场或偶场），行同步脉冲的宽度，场同步脉冲的宽度，每行视频信号的宽度，场同步脉冲之后到行同步脉冲来之前的复合消隐脉冲的个数，每场最后一个视频信号之后到场同步脉冲之前复合消隐脉冲的个数，视频信号输出的电压范围。在实际采样过程中，摄像头是采用隔行扫描的方式，奇场时只扫描画面的奇数线，偶场时只扫描画面的偶数线。为了减轻单片机存储和数据处理的负担，我们实际只需对单一方向上的 行图像数据进行分析就可以获得足够的赛道相关信息。我们将每场视频采样的图像数据存储到一个二维数组中，使用单片机对其进行处理，即可控制赛车自主的寻径运行。
3.5 车速检测模块
为了使赛车在行使中能够平稳地沿着赛道运行，我们除了要控制前轮转向舵机之外，还需要控制车速。通过速度的检测，我们可以对赛车进行闭环反馈控制，以优化赛车的运行。在车轮没有打滑的理想状况下，车速是正比于驱动电机的转速的。因此在检测车速时，一般是通过检测驱动电机转速来实现。
由于受到车模机械结构的限制，必须采用体积小、重量轻的速度传感器。在这里，我们采取了霍尔传感器配合稀土磁钢检测的方案。
霍尔效应的原理是：通电的载体在收到垂直于载体平面的外磁场作用时，载流子收到洛仑兹力的作用，有向两边聚集的倾向，并由于自由电子的聚集从而形成电势差。若给流过电流的导体施加一个与电流方向垂直的磁场，那么在与磁场和电流均垂直的方向将产生磁场，这种现象叫做霍尔效应。
我们在车速检测模模块中使用A44E型的霍尔元件，我们在主后轮驱动齿轮处，贴上两块很小的稀土磁钢，然后将霍尔元件安装在附近，通过检测磁场变化，可以得到电脉冲信号，获取后轮转动速度。霍尔元件使用起来非常方便，只需要一个上拉电阻将输出接到电源就可以正常工作。电路原理图如图3.10所示，霍尔元件和稀土磁钢的安装方式如图3.11所示。我们采用霍尔元件测速的优势在于获取信息准确，体积小，而且不增加后轮负载。
图3.10 车速检测模块电路图
图3.11 霍尔元件和稀土磁钢的安装方式
3.6 辅助调试模块
在赛车系统的开发过程中，需要对其电路的各种信息以及工作参数进行必要的调试，使赛车更适应现场调试并使其控制策略达到最优化。在我们的辅助调试模块中，包括了三种调试控制方式：
利用BDM开发工具的调试能力，显示单片机运行时其内部存储器中的数据，并通过串口、BDM接口将修正的参数发送到单片机并储存在单片机内部的EEPROM中。
利用单片机MC9S12DG128核心板上提供的串口通信接口，通过无线通信模块对赛车运行状况进行在线实时监控，将数据采集到PC机上进行分析处理。
我们在电路板上设置了几个拨码开关，通过它们不同状态的组合可以实现对不同的控制算法参数、运行模式等进行方便快捷的转换。
虽然辅助调试模块对赛车的控制没有直接的影响，但是通过调试电路我们可以大大地提高赛车硬件与软件调试的工作效率，方便我们尽快地寻找到赛车的最优控制策略。
