系统硬件电路由驱动电路板和核心控制板两部分组成，本章将先对这两个电路进行总体介绍，然后分模块详细说明各部分的功能。
4.1.1驱动电路板
驱动电路板（如图4-1 所示）安装在车体后部，安装时主要考虑的是稳定性。它主要负责系统各部分电压的分配以及电机的驱动。由于这部分电路功耗较大，单独设计一块电路板后可使散热性能更好。
图4-1 驱动电路板安装位置
驱动电路板的原理图见附录A 所示，其各个端口的分配情况如下：
1） J1的1-3口提供VCC；4口为使能信号，控制电机运转；6口状态位查询，检查电机运转情况；9-10口提供PWM，控制电机运转方向和运转速度。
2） J2，J5 电池电源输入，J5为并联备用。
3） J3、J4 通过比较2路PWM输入控制电机正反转。
4） J7 给摄像头提供工作电源，由于选用的摄像头额定工作电压为8V，在电池电压高于7.2V 的范围内能可靠工作。
5） A1、A2 33886运行电机，2路并联输入，4路并联输出，可以提高输入和输出的电流值，提高系统稳定性。
目前电路板上将两片33886并联，PWM信号一路直接输入到A1，一路经过反向后输入到A2]这样如果PWM波的占空比高于50%时，电机朝一个方向转；占空比低于50%时，电机朝另一个方向转。通过这种方式，可以在程序中实现反向制动，而这对于赛车在直道上提高速度是有帮助的。
4.1.2 核心电路板
核心控制板（如图4-2所示）负责视频采集、获取速度并输出舵机和驱动电机的控制信号。电路板上包括了S12 单片机工作所必需的稳压模块、时钟模块和复位模块，同时还包括了视频信号分离电路、BDM 调试接口、串口以及无线Zigbee接口等。
核心控制板的原理图见附录B，单片机各个端口的分配情况如表4-1 所示：
图4-2 控制电路板
表4-1单片机端口分配表
电路板上所有的接口功能说明如下：
1) 摄像头视频信号接口J1、J2、J3 三个接口，J2、J3用来连接摄像头，另外一个可以外接电视机，以方便信号调试。
2) 视频同步分离模块U2 根据视频输入，分离出场同步信号、奇偶场信号等。
3) BDM 调试接口J9 按照清华的定义调整了针脚信号定义，以防止误插反时损坏电路。
4) MEMS加速度传感器模块 根据赛车加速度的不同，把某一特定方向的加速度转化为信号输入PAD3口。
5) 视频信号处理子模块J8 通过外接硬件积分电路，对视频信号进行处理，用以识别路线和控制。
6) 舵机控制接口J5 经过测试，在电池电压范围内舵机能可靠工作，所以没有降压而直接用电池电压给舵机供电。
7) 串行通讯接口J10 提供了TTL 电平的串口通讯接口，可以配合多种通讯模块与PC 通讯，通过该接口，在调试时可以方便地获取小车的实时运行参数。
8）无线通讯接口J11 使用Zigbee无线传输各种数据，方便地获取小车的实时运行参数。
9) 速度传感器接口J4 通过光电编码器产生的脉冲获得赛车的运行速度，该信息可以用于速度闭环控制，保证小车能在不同路段上基本以指定的速度运行，而不受电池电压变化的影响。
10) 电池电源接口J12 连接车模供电电池组。
11) 运行电机接口J6 将两片33886并联使用驱动运行电机，尽量增加驱动电路的电流驱动能力。
12) 数码开关S1 通过左旋、右旋、确认三种方式调节QESA、QESB、QESP，用来现场调整运行速度及控制策略等。
13) LDO稳压 提供3.3V电压。
14) 复位按钮S2 复位单片机系统。
15) 2位数码管DB1、DB2 通过控制PA0-7，PB0-7用来实时显示系统的工作状态。
16) 状态指示灯 用LED1-LED5显示系统的工作状态。
4.2 电机
4.2.1 33886使用概述
33886 作为一个单片电路H-桥，是理想的功率分流直流马达和双向推力电磁铁控制器. 它的集成电路包含内部逻辑控制,电荷泵,门控驱动,及低读选通(on) 金属-氧化物半导体场效应晶体管输出电路.33886 能够控制连续感应直流负载上升到5.0 安培，输出负载脉宽调制( PWM-ed)的频率可达10 千赫。
一个故障状态输出可以报告欠压,短路,过热的情况. 两路独立输入控制两个半桥的推拉输出电路的输出. 两个无效输入使H-桥产生三态输出(呈现高阻抗) .33886制定的参数范围是-40°C≤TA≤125 °C、5.0V≤V+≤28V。 集成电路也可以工作在40V通过降低规定的定额值。集成电路能够在表面安装带散热装置的电源组件.
图4-3 33886简化应用图
图4-4 33886工作原理图
图4-5 33886芯片引脚定义
表4-2 引脚解释
终端功能描述
PGND 和AGND
电源和模拟接地终端. 电源和模拟接地终端设备应该连接在一起,以非常低的阻抗连接.
V+
V+的终端电源输入装置. 所有V+的终端必须连接在一起，在印刷电路板上用尽可能短的路径，终端设备之间的阻抗尽可能低。V+终端有一个低压阈值.如果供电电压下降低于V+的低压阈值, 输出功率将会变为三态状态，同时故障状态标志位被置位，故障状态终端电压转为逻辑低。当供电电压返回到高于阈值电压，功率自动恢复正常运作,按照既定条件的输入故障状态标志位自动复位逻辑高。
故障状态(FS)
该终端是故障状态输出装置.该输出一个有效的低开漏极结构,要求拉升电阻上升到5.0V。
IN1, IN2, D1, D2
这些终端用输入控制终端来控制输出.这些终端都是带磁滞的5.0V的CMOS输入.该IN1和IN2单独控制OUT1和OUT2.D1和D2是相辅相成的输入,用于三态禁用H-桥输出.当D1或D2被置位(D1=逻辑高或D2=逻辑低),在关闭状态, 输出OUT1和OUT2都是三态禁用;然而,其余的电路器件充分运作，并且供应IQ(待命)目前已减
少至几毫安.
OUT1 和OUT2
这些终端设备是带集成输出FET 的体二极管的H-桥的输出. 桥输出用IN1,IN2,D1,和D2 输入控制.输出的有效电流限制在6.5A。输出也有过关闭(三态锁存),作为磁滞及短路锁存的保护.一个禁用定时器用于在每次输入时侦测电流是否高于有效电流限制，以方便检测输出硬件短路。
CCP
电荷泵输出端. 一滤波电容器(最多33nF),可接驳CCP 中断和PGND. 该装置能在没有外部电容器时工作，CCP 电容有助于降低噪声,并允许器件工作与最高速率,时间和PWM 频率.
4.2.2 反向制动介绍及其使用
这次使用了两个33886并联的方式。工作方式见驱动电路板原理图（附录A）在同一个pwm输入时，一个是pwm波直接输入33886，另外一个是pwm波先通过一个三极管再输入33886。这样可以得到一个取反的效果，即，例如输入5v电压将输出一个0v电压。这样，通过两片33886，同一个pwm波会输出两个不同电压。通过对pwm波的控制可以使电机实现正反转。
图4-6 没加反向制动的最佳减速
图4-7 加反向制动的减速
可以看出，反向制动可以比非反向制动更好的减速性能。即加速度更快。
4.3 速度传感器
为了使得赛车能够平稳地沿着赛道运行，需要控制车速，使赛车在急转弯时速度不至过快而冲出赛道。通过控制驱动电机上的平均电压可以控制车速，但是如果开环控制电机转速，会受很多因素影响，例如电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力和前轮转向角度等。这些因素会造成赛车运行不稳定。通过速度检测，对车模速度进行闭环反馈控制，即可消除上述各种因素的影响，使得车模运行得更稳定。此外，在记忆算法中为了记录道路信息，需要得到赛车运行距离，这也可以通过车速检测来实现。
车速检测的方式有很多种，例如用测速发电机、转角编码盘、反射式光电检测、透射式光电检测和霍尔传感器检测。经过对去年测速方案和其它学校方案的比较，本次设计中速度传感器采用的是OMRON公司生产的E6A2-CS100型光电编码器。它由5-12V的直流供电，安装方式如图3-12所示。速度传感器用螺钉固定在塑料片上，塑料片固定在后轮支架上，这样固定好之后，就有了较高的稳定性。速度传感器通过后轮轴上的齿轮与电机相连，车轮每转一圈，速度传感器转过2.75圈。
图4-8 速度传感器安装位置
根据不同分辨率，有不同的速度传感器类型
图4-9 工作原理图
图4-10 速度传感器的型号
图4-11 速度传感器工作流程图
为了得到实际速度和所得脉冲数的关系。我们做了实验和理论上的分析
(1).脉冲速度标定
将小车设定为匀速行驶，将速度传感器的数据通过无线每隔40 毫秒发送到电脑上。观察波形，通过设定不同的目标速度，记录每圈的时间，跑道长度约为21.5 米，根据实验所得数据，然后作出下图的曲线图4-12，发现在100个脉冲速度下，速度基本符合线性关系，说明匀速的速度控制效果比较不错。拟合出速度—脉冲曲线，可得周期为40mm 时脉冲为64.7 对应1m/s 的速度。
图4-12 速度脉冲对应曲线
通过校验，在小车走线稳定的状态下，每圈里程的记录与跑道的长度的差异均小于0.5米。说明标定的精度已满足目前的使用。
(2).加速性能标定
反向制动试验中的速度曲线大部分图中的加速部分基本呈线性关系，测量出这些图中加速部分的数据得到下表：
表4-3
求平均数得每个周期的速度增量为7.356 ，根据速度标定结果的在全电压下的小车加速度约为2.84m/s2 。
(3) 理论分析
首先设置几个变量：
P—速度传感器的精度（单圈内产生脉冲的个数），我们采用速度传感器精度为400，△t —△t时间内，单片机捕获的来自速度传感器的脉冲数为N。
Φ—小车车轮的直径。具体车模而言，Φ=0.053m。
r=n1/n2—n1为套在车轮上的大齿轮的齿数，n2为套在速度传感器上的小齿轮的齿数。
用r记他们之比。对我们使用的三个速度传感器而言，r=2.75。
Pi—圆周率。一般取3.14。
经推导（过程略）可以得到下面的速度标定公式：
当P=100, △t=0.04s时，上述公式演化为：
v = 0.0153*N
代入N=66,得到v=1.0m/s。这与之前实验方法得到的结果几乎一致。
4.4 加速度传感器
加速度传感器使用的也是freescale公司出品的MMA2260。
4.4.1 工作方式:
.. MMA2260的端口4负责输出会随加速度变化的电压值。
.. 端口8为自检测（Self-Test）端口。
.. 端口5为状态位（Status）。
.. 端口4连接至S12的PAD3，用A/D转换端口3来转换电压信号。
4.4.2 干扰因素
这块芯片可以测试一个方向上的加速度变化。所以采用了不同的安装方式，其间要考虑到比较多的干扰因素。
.. 车体行进过程中的机械振动
.. 速度控制不平滑对车体运动状态的影响
.. 常规情况下的误差和正常时，加速度传感器产生的输出区别大小
4.4.3 安装方式分析
.. 若安装于安装摄像头的立杆上，杆子在小车加减速的时候有比较明显的左右晃动，通过Labview观察发现干扰过大。
.. 若安装于小车后部，由于电机自身的振动，对MEMS产生的影响会较之前更为明显。
.. 经测试，如果测量水平X方向的加速度，宜将装有MMA2260的电路板装载在车前部。
.. 若想要测量竖直Z方向上的加速度，板子只有采用立式安装的方式。
.. X，Z方向示意图见图4-14
附图， 加速度传感器引脚定义
图4-13
图4-14 X，Z方向示意图
4.4.4 加速度传感器测试
曲线图：(20ms)
当装载于静止小车上时
图4-15
当装载于运动状态不变小车上时
图4-16
小车角度变化时
图4-17
角度0到-15变化 加速度+a到-a变化(100ms)
图4-18
通过测试可以看出。对于车体角度的变化，加速度传感器的值都有一定的变化。不过同时也看到车子的振动对加速度传感器也会产生一些干扰。不过两者还是可以比较好的区分的（比较图4-16，图4-17）。
4.5 计时器
计时器芯片是DP8573ARTC芯片。引脚定义如图
图4-19
完成计时器程序大致分为两个部分，一个是计时功能实现，另一个就是计时器初始化（端口初始化和显示），最后将光电触发功能加入计时器。在按键扫描中增加了对P1.2口的扫描，为了防止小车通过时多次触发，加入了延时程序（在计时开始后程序主体经过20次循环即0.53s后才再次响应其他触发），最终的程序比较稳定。
计时器操作方法：
1．接线：发射管接VIN01和VIN02不分极性
接受管：灰—GND 蓝—GND 棕—VPP 黑—SIN 白—GND
显示屏将白色接口插上即可
2．操作：接上电源，屏幕显示smartcar即正常工作，注意对射装置要对准。若不正常工作，断开电源在插上。若要重启可按下右边第一个按键reset。计时器也可手动操作，右边第二个按键是开始，第三个是停止。
3． 注意事项：最好不要长时间通电，防止板子过热。
图4-20 计时器程序流程图
图4-21 计时器实物图
图4-22 计时器系统框图
