第四章 硬件设计
4.1 电源
4.1.1电源管理设计
直流电源使用竞赛组委会提供的电池，竞赛规定全部电容容量不超过2000uF，电容最高充电电压不得超过25V，禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力。
据此原则，电源等级管理模块设计采用单电源(7.2V 2000mAh Ni-Cd电池)供电。这是一种简单供电方案。由于电机瞬间起动电流很大且会发生较大波动，导致电压不稳，严重时可能造成图像传感器不能正常工作、单片机自动复位等意外事件。更加理想的是使用双电源供电，但这大大增加了智能车的重量，故实际采用单电源供电，电源管理图如图4.1所示：
图4.1 电源管理图
4.1.2 5V电压管理
LM2940CT-5.0是National Semiconductor公司成产的低压差稳压芯片（1A Low dropout voltage regulator），典型压差为0.5V，典型输出电流为1A。利用LM2940CT-5.0芯片为MC9S12DG128最小系统和ST188红外传感器 / 旋转编码器提供5V电源，其直观图、电压曲线和SCH图分别如图4.2、4.3、4.4所示：
图4.2 LM2940CT-5.0直观图 图4.3 LM2940CT-5.0电压曲线
图4.4 LM2940CT-5.0电路原理图
4.1.3 6V电压管理
CX1117-ADJ是低压差稳压芯片（1A Low dropout voltage regulator），压差低于1V，典型输出电流为1A。利用CX1117-ADJ芯片为舵机提供6V电源，其SCH图如图4.5所示：
图4.5 CX1117-ADJ电路原理图
4.1.4 9V电压管理
MC34063A是Analog公司生产的DC-DC直流电压转换控制芯片(DC-DC Converter Control Circuit)。内部的震荡电路可通过对外围器件的选择可以调节开关频率，而改变外围器件的接法可以组成升压、降压等多种电路。此外，通过反馈该集成电路可以调整输出，非常便于使用。利用MC34063A芯片为图像传感器提供9V电源。其直观图、内部结构图、SCH图分别如图4.6、4.7、4.8所示：
图4.6 MC34063A直观图
图4.7 MC34063A内部结构图
图4.8 MC34063A电路原理图
4.2 图象传感器
4.2.1 CMOS图像传感器
选用基于美国Omni Vision公司1/3″ OV7910 CMOS感光芯片的黑白图像传感器，其外观如图4.9所示。
图4.9 CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor）外观图
主要参数：水平分辨率 380 线，信噪比 > 48dB (自动增益关闭)，校正伽玛γ= 0.45，镜头规格3.6mm，输入电源 DC 8~12V 200mA。
采用四线连接，其中黑线为地线端；红线接电源端，可接入+8V~12V直流电压；黄线为PAL制式视频信号输出端；白线为音频信号输出端。
4.2.2图像传感器工作原理
1）行扫描与逐行扫描
阅读书籍时，视线是自左至右、自上而下、一字字、一行行、一页页的扫过。图像扫描和书籍阅读类似，一个像素（image_point）就相当于一个字，一行图像（image_line[line]）就相当于一行字，一场图像（image_field[row][line]）就相当于的一页书。水平方向的扫描称为行扫描，垂直方向的扫描称为逐行扫描（不是隔行扫描）。行扫描是对图像的水平方向进行空间抽样，逐行扫描是对图像的垂直方向进行空间抽样，可用图4.10表示：
图4.10 行扫描与逐行扫描
2）隔行扫描
图4.11 赛道视频信号
图4.12 LM1881引脚
图4.13 LM1881电路原理图
图4.14 视频同步脉冲信号时序图
图4.15 futaba S3010舵机外观
图4.16 futaba S3010舵机外观舵机内部结构
图4.17 电机驱动全桥逻辑图
图4.18 MC33886芯片外部封装图
图4.19 MC33886内部结构图
图4.20 MC33886电路原理图
图像传感器每秒扫描25帧（幅）图像，每帧又分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描50帧图像，即场频为50HZ。奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行，这种将一帧图像分成两场扫描的方式成为隔行扫描。隔行扫描使得行扫描频率降低到逐行扫描时的1/2。由于传感器水平分辨率为380线，故平均每行信号持续时间为52.63μs。
3）图像信息采集
每一场，按水平分辨率，以隔行扫描的方式采样图像上的点。每一行中，当扫描到某点时，就通过图像感光芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度成一一对应关系的电压值，图像越亮，视频信号电压值越高，此电压值的高低起伏正反映了该行图像的灰度变化情况，然后将此电压值通过视频信号输出端输出至单片机进行AD转换，转换后的结果存储在image_line[line]数组当中。
黑线在视频信号中反映为一负脉冲，如图4.11所示：
图4.11 赛道视频信号
4）图像信号处理
在电视系统中，为了能够正确地重现图像，要求收、发端同步扫描。若同步得不到保证，图像就无法正确重现，因此在复合视频信号（composite sync signal）中必须加入同步信号，包括行同步脉冲（信号）和场同步脉冲（信号），行同步脉冲又称为复合同步脉冲（composite sync pulse），场同步脉冲又称为垂直同步脉冲（vertical sync pulse）。可以通过LM1881（video sync separator）将同步信号从复合视频信号中分离出来。
LM1881芯片引脚图和SCH图分别如图4.12、4.13所示：
图4.12 LM1881引脚
图4.13 LM1881电路原理图
分离好的行同步信号接入MC9S12DG128的增强型定时器ECT的IOC0通道进行上升沿输入捕捉，场同步信号接入PM0进行高低电平判断。
5）同步脉冲的使用
在发送端，当每扫描完一行图像时，即每行图像信息采集结束时，加入一个行同步脉冲。行同步脉冲的电压（实测为0.37V）低于最低视频信号的电压值（黑线电压），形成一个负脉冲，它是扫描换行的标志。每扫描完一行图像，然后跳过一行（采用隔行扫描方式），开始扫描新的一行，如此反复，直到扫描完该场的视频信号，接着就会出现一段场消隐区。此区中有若干个复合消隐脉冲，在这些消隐脉冲中，有一个脉冲远宽于其他消隐脉冲，此消隐脉冲又称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志，标志着新的一场的到来。场消隐区恰好跨在上一场的结尾部分和下一场的开始部分，所以等场消隐区过去后，下一场的视频信号才真正到来。同步脉冲时序如图4.14所示：
图4.14 视频同步脉冲信号时序图
4.3 舵机
4.3.1 futaba S3010舵机
组委会提供的为futaba S3010标准舵机（Steer），外观图如图4.15所示：
图4.15 futaba S3010舵机外观
futaba S3010由直流电机（Tricore GM 1510）、控制电路板、位置反馈电位器（5k）、减速齿轮组、舵盘等硬件组成，如图4.16所示。采用黑红白三线连接。其中黑线为地线端；红线为电源端，可接入+4V~6V直流电；白线为PWM控制信号输入端。由于供电电压越高，舵机响应时间越短，故我们采用+6V直流电供电。一个大胆的方法就是将舵机电源端串接一个二极管后直接接在电池正极，但考虑到稳定性第一的原则，为防止舵机烧毁，我们采用稳压芯片CX1117-ADJ供电。
图4.16 futaba S3010舵机外观舵机内部结构
4.3.2舵机工作原理
舵机是一个典型的位置随动闭环系统，由于舵机响应存在机械滞后和电延迟，该系统整体可以看做为一个纯滞后环节和一个积分环节的串联。PWM控制信号引入控制电路板驱动直流电机，减速齿轮组由直流电机传动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把齿轮组转角转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的PWM控制信号比较，产生纠正信号，并驱动直流电机正向或反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，纠正信号最终趋于0，从而达到使舵机精确定位（位置伺服）的目的。通过内部的位置反馈，使它的舵盘输出转角正比于给定的控制信号，因此对舵机可采用开环控制。
4.4 直流电机
4.4.1 RS380-ST直流电机
RS380-ST直流电机（DC Motor）技术参数表如表4.1所示：
表4.1 RS380-ST技术参数
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工作特性
工作状态
|
电流（Current）
（A）
|
转速(Speed)
（rpm）
|
扭矩(Torque)
（g.cm）
|
|
无负荷
|
0.49
|
15300
|
0
|
|
最大效率
|
2.85
|
13100
|
99
|
|
最大功率
|
8.61
|
7650
|
340
|
|
停止
|
16.72
|
0
|
680
|
4.4.2直流电机驱动原理
现在广泛使用的直流电机驱动电路是H桥电路。其开关逻辑可用图4.17表示：
图4.17 电机驱动全桥逻辑图
电机电枢两端电压的极性影响电机的转向，电压的大小影响电机的转速。通过微控制器输出不同占空比的PWM信号来近似不同幅度的电压，以达到控制速度的目的。
1）使用独立元件搭成H桥电路
可以根据需要提供大的功率，图中开关可使用继电器、三极管、MOS管等来具体实现。
2）使用集成电机驱动芯片
可以大大简化设计，集成电机驱动芯片如L298N、LMD18200等。
4.4.3驱动芯片MC33886
实际设计中采用了组委会推荐使用的freescale公司MC33886芯片。MC33886在5V～40V电压下可提供5A的电流，完全可以满足驱动电机的工作要求，内部具有短路保护、欠压保护、过温保护等功能。MC33886内部集成有两个半桥驱动电路，由于智能车在行驶过程中不需要实现倒车（电机反转），故在这里没有采用全桥驱动，而是采用了半桥驱动。并且将片内的两个半桥并联，从而增大电流驱动能力。
MC33886芯片封装图、引脚表、内部结构图、工作参数表、SCH图分别如图4.18、表4.2、图4.19、表4.3、图4.20所示：
图4.18 MC33886芯片外部封装图
表4.2 MC33886引脚表
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引脚
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引脚名称
|
功能
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|
1
|
AGND
|
数字地
|
|
2
|
FS/
|
错误状态指示
|
|
3
|
IN1
|
逻辑输入控制1
|
|
4 5 16
|
V+
|
电源供电
|
|
6 7
|
OUT1
|
全桥输出1
|
|
8 20
|
DNC
|
空
|
|
9 10 11 12
|
PGND
|
模拟地
|
|
13
|
D2/
|
使能端2
|
|
14 15
|
OUT2
|
全桥输出2
|
|
17
|
CCP
|
外接电容
|
|
18
|
D1
|
使能端1
|
|
19
|
IN2
|
逻辑输入控制2
|
图4.19 MC33886内部结构图
表4.3 MC33886工作参数表
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工作电压
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5-40V
|
|
导通电阻
|
120 毫欧姆
|
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输入电平类型
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TTL/CMOS
|
|
PWM 信号频率
|
< 10KHz
|
图4.20 MC33886电路原理图
图4.20中，C14对电源进行滤波，C15、C16提高MC33886内部拉电荷能力。
由MC9S12DG128 PWM5通道发出PWM信号通过MC33886 驱动芯片控制直流电机电枢两端的电压。PWM控制信号由IN1 口输入，电机调速信号由OUT1输出。通过预设的Dutycycle对电机进行直流调速。
4.5 速度传感器
4.5.1红外传感器
反射型红外传感器检测速度的原理和检测赛道黑白线时的原理是一致的，不同的是测速只要采用连续工作方式就可以了。我们选用工作性能较好的ST188红外传感器作为速度传感器（Speed Sensor），发射管的限流电阻为510欧固定电阻，接受管的分压电阻为20KΩ固定电阻+20KΩ可调电阻，以适应外界光线变化对红外传感器输出信号的影响，如图4.21所示。输出信号经过施密特触发器（Schmitt trigger）HEF40106B整形，形成规则的方波送入MC9S12DG128进行输入捕捉。速度脉冲信号频率范围为0~300HZ。
图4.21 ST188电路原理图 图4.22黑白编码盘
为了得到能够反映智能车速度脉冲信号，使用MATLAB软件绘制码盘并打印在白纸上，如图4.22所示，并在直流电机RS380-ST主驱动齿轮上粘贴。
4.5.2旋转编码器
由于红外传感器受光线影响较大，其输出的速度脉冲信号频率经常出现不稳定不准确的现象，故改进方案采用旋转编码器进行测速。
旋转编码器测速原理与红外传感器相同，输出端需接1KΩ的上拉电阻，其空载输出脉冲频率为0~10KHZ左右。
