针对车模的机械结构和受控对象进行分析，根据研究目标，赛车快速采集道路信息，经MC9S12DG128B处理，给受控器件控制信号，舵机根据控制信号决定赛车的转向，直流电机根据控制信号决定赛车的速度。为了方便分析和研究工作的进行，将系统模块化设计。系统主要由路径识别模块（CCD传感器模块）、电源管理模块、测速模块、人机交互模块、直流电机驱动模块、舵机转向模块等。赛车系统框见图3.1。具体模块的功能及要求如下：
图3.1 系统框图
1) 中央处理单元：使用的是大赛组委会提供的Freescale公司的MC9S12DG128B开发模块。
2) 电源管理模块：该模块为开发模块、各传感器、舵机以及直流电机提供电源。
3) CCD传感器模块：采用面阵CCD做赛道探测传感器。要求：a) 探测距离远、信息可靠；b) 同步分离出视频信号。
4) 舵机控制模块：舵机是用来控制赛车转向的。模块化舵机只要送入脉宽调制信号就可控制其转向和转角，控制主要是通过单片机片内资源PWM配合编程实现。
5) 直流电机驱动模块：车后轮直流电机驱动，需要设计相应直流电机驱动模块，控制后轮的转速及转向。 6) 测速传感器模块：用来采集速度信息的部分。决定速度控制的精度，对控制算法有决定性作用。
7) 人机交互模块：可对实验数据进行采集、显示、处理；控制方案实现时，方便修改部分控制参数。
3.2 电源管理模块设计
赛车系统中的电源供给全部来源于大赛组委会提供的7.2V(SC 1×6)1800mAh镍镉电池组。依据不同的功能模块的电源需要选择适合的电源管理芯片，其中主控芯片MC9S12DG128B要求的工作电压为5V；舵机的工作电压范围为5V~6V，电压越高响应速度越快，为了减少舵机的响应时间，系统选用6V电源给舵机供电；探测部分为CCD摄像头额定工作电压为12V（CMOS额定工作电压为9V）。另外对于直流电机供电大赛组委会有限制，规定不得高于电池电压，为了使赛车有较好的加速性能，所以直接用电池输出的7.2V来驱动直流电机。
3.2.1 5V电源设计
对系统5V供电模块功耗估算，包括系统板供电，各个模块芯片供电，以及升压到12V，全都取自5V输出。估算电流输出小于1A。由于电池组供电电压在7.2V左右，放电下限为6V，所以选择电源管理芯片时压降的技术指标必须要小于1V。另外要考虑芯片是否能够提供热关断，过流保护等功能。
5V电源管理芯片采用的是NEC公司的μPC24A05。这款芯片只有三个引脚，输出电流为2A，电流输出2A时压降为1V，有过流保护、热关断功能。
原理图参见图3.2。
图3.2 5V电源原理图
3.2.2 6V电源设计
6V电源用来给舵机供电，舵机在6V供电，停止时的最大消费电流为15mA，动作时的消费电流为145±30mA。与5V电源芯片选型类似，6V电源芯片对压差的条件更苛刻，必须要小于500mA的压差。根据要求选型，最终选定了Linear公司的LT1963A。这款芯片具有3A的最大输出电流；在3A输出电流时压降为340mV；输出在1.21V到20V之间可调等特点。6V电源原理参见图3.3。
图3.3 6V电源原理图
电压输出由R21和R22匹配得到，参见公式3.1。
VOUT = 1.21V(1+R21/R22)+(IADJ)(R21) (3.1)
其中在25℃时，IADJ =3μA，电压输出范围：1.21V到20V。
由图3.3可以见R21为12kΩ,R22为3kΩ，按照公式3.1算得输出端的电压是6.086V，满足输出电压为6V的要求。
3.2.3 12V电源设计
CCD摄像头的额定工作电压为12V，所以要求电源管理模块有12V电源的输出。为了保证12V电源的稳定，使用5V电源升压到12V来实现。通过选型最终确定使用MAXIM公司的MAX1771。其电压输入范围为2V到16.5V，输出功率可达24W，12V固定输出或者可调电压输出，具有高达300kHz的开关频率。
12V电源原理图参见图3.4。选用的模式为12V固定输出。电路图中L51、D51、Q51等组成了升压斩波电路；U5是一个斩波发生器件，根据反馈的电压大小，产生相应频率和脉宽的信号，控制高频开关的通断，达到斩波的目的。
图3.4 12V电源原理图
3.3 探测模块设计
3.3.1视频信号
我国的电视标准为PAL制式，黑白视频信号规定每帧图像共625行，每场为312.5行，行频15625Hz，视频带宽6MHz。在每场的312.5行中，有一些行要用作场消隐，是不包含视频信号的，按照CCIR656标准规定的行编号方法，奇场的行号为第1至312.5行，偶场的行号为第312.5至625行，其中，奇场的第23.5至310行包含有效的视频信号，共287.5行，偶场的第336至622.5行包含有效的视频信号，共287.5行。
3.3.2 探测部分原理设计
路径探测部分选用面阵黑白CCD图像传感器，相比较光电管传感器可以获得较大的信息量，加大前瞻探测距离。使用的CCD摄像头输出的是PAL制式的模拟信号，因为其中包含了场消隐信号、行消隐信号以及难以分清信号的始末，所以不能直接输入到主控芯片中，需要采用同步分离技术，将视频信号同步分离出来，从而获得场的起始信息，从而区分出哪些行是场消隐信号，哪些行包含有效的视频信号，以及分辨出行消隐信号，配合着主控芯片的片内资源,由AD采集到。选用的同步分离芯片是国家半导体公司的LM1881，有如下主要特征：
1） 模拟复合的输入信号；
2） 复合同步和垂直输出；
3） 奇/偶场输出 ；
4） 水平扫描速度达150kHz；
电路原理图参见图3.5。LM1881的2脚CVI为视频信号输入端， 3脚为场同步信号输出端，7脚O/E为奇偶场信号输出端。摄像头出来的视频信号VIDEO一路接入主控制芯片的AD口，另一路接入同步分离电路与LM1881的2脚CVI相连。经LM1881同步分离由3脚VS输出场同步信号，7脚O/E输出奇偶场信号，1脚CSO输出行同步信号，分别接到主控芯片上。达到同步分离的目的。
图3.5 同步分离原理图
3.4 电机驱动模块设计
3.4.1 直流电机原理设计
小车的后轮是由直流电机来驱动的。大赛组委会指定使用直流电机RS380H，漆工作电压3~8V，正常工作电流3.5A。直流电机驱动电路一般使用H桥型电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行。选用飞思卡尔公司的MC33887作为直流电机的驱动芯片，它是专业的全桥电机驱动芯片，能够提供6A的驱动电流，开关频率最高可达10kHz，带有欠压保护、过流保护、过温保护、电流反馈，还能够提供正转、反转、制动、惰性四种电机驱动方式。由于全桥的发热量较大，改用半桥驱动，大大减少了发热量，增加了芯片的稳定性；采用2片MC33887并联驱动电机，提高了电机的加速性能。电机驱动电路原理图参见图3.6。其中20脚EN为使能端，13脚和18脚为功能端，当20脚为高电平13脚为高电平18脚为低电平时芯片才能正常工作。3脚和19脚均为控制信号的输入端，控制电机的正反转。
图3.6 直流电机驱动原理图
3.4.2 舵机原理设计
舵机作为一种位置伺服驱动器件，通过调整输入PWM 信号的高电平时间，调整舵机输出角度。舵机的控制是智能赛车寻迹行走的关键，要求舵机驱动的转向机构具有准确的角度控制和快速响应的能力，采用以下三点措施满足系统要求：
1）为舵机提供6V电源,提高舵机响应速度；
2）采用两位PWM连接使用，提高输出角度的分辨率；
3）PWM输出频率为100Hz，减小控制信号的延时。
3.5 测速模块设计
测速装置是由市场上购买的光栅盘，参见图3.8，配合着槽型光耦产生脉冲，再通过主控芯片计脉冲数来实现测速的。光栅盘上有200个孔，对应车轮滚动一周，将有200个脉冲信号产生。车轮周长为0.167m，即车轮每转动一周，小车将移动0.167m，也将有200个脉冲产生，对应到每个脉冲车体移动距离为0.167m/200 = 0.000853m。这样在固定的时间段内计脉冲的个数就可以达到测速的目的。采用定时的时间间隔为0.1s，实际车速1m/s对应的脉冲数就为117个。车速脉冲对应公式参见公式3.2。
(公式3.2)
其中，v为车速，L为车轮的周长，z为栅盘的齿数，Ts为时间间隔，N为计到的脉冲数。
图3.8 光栅盘及光耦
