智能車調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳振宇, 宋 曦, 李勝銘

(大連理工大學(xué) 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院, 遼寧 大連 116023)

智能車調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳振宇, 宋 曦, 李勝銘

(大連理工大學(xué) 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院, 遼寧 大連 116023)

以全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽為背景,設(shè)計(jì)了智能車調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持Kinetis 和MC9S12 兩個(gè)系列主流微控制器的同時(shí),使用核心板接口的方式支持各種微控制器,擴(kuò)展了其使用范圍。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整合了智能車上需要使用的所有電路模塊,包括電源管理、傳感器信號(hào)采集與調(diào)理、伺服器、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)等模塊。配套的實(shí)驗(yàn)教材為制作智能車提供較為系統(tǒng)和完整的指導(dǎo),降低了學(xué)生參加智能車競(jìng)賽的入門難度。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué),并獲得良好的教學(xué)效果。

智能車; 實(shí)驗(yàn)平臺(tái); 教學(xué)改革; 微控制器

全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽是以智能汽車為研究對(duì)象的創(chuàng)意性科技競(jìng)賽,是面向全國(guó)大學(xué)生的一種具有探索性的工程實(shí)踐活動(dòng),是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生科技競(jìng)賽之一。該競(jìng)賽使用標(biāo)準(zhǔn)硬件和軟件平臺(tái),競(jìng)賽過(guò)程包括理論設(shè)計(jì)、實(shí)際制作、整車調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)比賽等環(huán)節(jié),要求學(xué)生組成團(tuán)隊(duì),協(xié)同工作,初步體會(huì)一個(gè)工程性的研究開發(fā)項(xiàng)目的從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程。該競(jìng)賽融科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體,是以迅猛發(fā)展、前景廣闊的汽車電子為背景,涵蓋自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(xué)科知識(shí)的創(chuàng)意性比賽[1]。

智能車競(jìng)賽吸引了大量學(xué)生參加，培養(yǎng)了大學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力、基本工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí),激發(fā)了大學(xué)生從事科學(xué)研究與探索的興趣和潛能,為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。同時(shí),以智能車競(jìng)賽為平臺(tái),從基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)3個(gè)層次推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革,把傳統(tǒng)的學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí),培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神[2]。

本文設(shè)計(jì)了一款技術(shù)先進(jìn)、功能完善、方便教學(xué)、利于學(xué)生使用的智能車調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整合了智能車上需要使用的所有電路模塊,是一個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可以充實(shí)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容,改善和提升實(shí)驗(yàn)條件。同時(shí),筆者在總結(jié)制作智能車所需的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(電機(jī)控制、伺服器控制、傳感器數(shù)據(jù)采集、嵌入式編程等)的基礎(chǔ)上,編寫了配套的實(shí)驗(yàn)教材,指導(dǎo)學(xué)生借助該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。通過(guò)使用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生可以學(xué)習(xí)制作智能車所需的相關(guān)知識(shí),掌握嵌入式控制等相關(guān)技術(shù),提高學(xué)生的電子技術(shù)綜合應(yīng)用、創(chuàng)新實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等多方面的能力。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上直觀的功能驗(yàn)證和豐富的外設(shè)資源,可以激發(fā)學(xué)生制作智能車的興趣,并進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)電路分析、信號(hào)處理、自動(dòng)控制類課程的學(xué)習(xí)興趣。

1 存在問(wèn)題

以實(shí)踐動(dòng)手為主,輔以必要的理論知識(shí)指導(dǎo),并以專題研究模式開展創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)是大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐人才培養(yǎng)的基本模式[3]。由于智能車競(jìng)賽將自動(dòng)控制及單片機(jī)等知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐,并具有濃厚的趣味性和極高的互動(dòng)性,因此有較多的學(xué)生選擇參加智能車競(jìng)賽。我院從第一屆智能車競(jìng)賽開始組織并指導(dǎo)學(xué)生參加競(jìng)賽,在過(guò)去的九屆競(jìng)賽中,學(xué)生共取得全國(guó)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)9項(xiàng),賽區(qū)一等獎(jiǎng)11項(xiàng)、二等獎(jiǎng)19項(xiàng)。在取得這些成績(jī)的同時(shí),一些問(wèn)題也逐漸凸顯,這些問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下方面:

(1) 剛剛接觸智能車的學(xué)生,缺少相應(yīng)的基礎(chǔ)課程支撐,或僅有少量理論基礎(chǔ),參加競(jìng)賽入門難度較大,而在指導(dǎo)學(xué)生參加智能車競(jìng)賽方面,大多數(shù)已有的參考書籍或資料缺乏系統(tǒng)性和完整性,這導(dǎo)致學(xué)生在剛開始制作智能車時(shí)覺得無(wú)處下手,進(jìn)而失去興趣；

(2) 很多學(xué)生使用市場(chǎng)上出售的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輔助學(xué)習(xí),但這些平臺(tái)僅支持單一型號(hào)的微控制器,并單純從嵌入式的角度實(shí)現(xiàn)微控制器的功能,包含很多與制作智能車無(wú)關(guān)的模塊,而對(duì)于智能車上能用到的模塊,這些平臺(tái)也僅僅提供了演示例程,導(dǎo)致學(xué)生仍然不知道如何將這些功能應(yīng)用于智能車；

(3)市場(chǎng)上已有一些面向智能車競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通?；谀骋豢罡?jìng)賽規(guī)則允許使用的微控制器,并實(shí)現(xiàn)智能車上能用到的功能,但其配套的實(shí)驗(yàn)范例大多是分別給出每個(gè)模塊的代碼,并沒有完整的實(shí)例,這導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際制作智能車時(shí),不知道如何將各部分代碼有效地結(jié)合在一起。

基于上述問(wèn)題,本文從學(xué)生易上手學(xué)習(xí)及理解的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一款智能車調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái),基于Kinetis 和MC9S12系列的主流微控制器,并支持?jǐn)U展其他微控制器,為學(xué)生提供全面的硬件基礎(chǔ)和更多的選擇空間。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)同時(shí)包含了電源管理、傳感器信號(hào)采集與調(diào)理、伺服器、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)等模塊,切實(shí)改善實(shí)驗(yàn)條件。配套實(shí)驗(yàn)教材以制作智能車為主線,由淺入深地講解各個(gè)模塊的原理及設(shè)計(jì)方法,并提供各部分例程及綜合實(shí)例,為制作智能車提供較為系統(tǒng)和完整的指導(dǎo),降低了學(xué)生參加智能車競(jìng)賽的入門難度。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

筆者在參考已有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,以指導(dǎo)學(xué)生快速掌握智能車相關(guān)技術(shù)為目標(biāo),設(shè)計(jì)了智能車調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖 1所示,平臺(tái)主要包含電源管理模塊、核心板接口和各種功能模塊,規(guī)格為240 mm×180 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

作為一個(gè)復(fù)雜的數(shù)?；旌蠈?shí)驗(yàn)平臺(tái),電源部分是平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。電源部分的設(shè)計(jì)除了要考慮基本的電壓和電流參數(shù)之外,還需要使效率、噪聲、紋波、體積、抗干擾等性能指標(biāo)滿足一定要求。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既包含高頻數(shù)字電路又包含大電流高功率電路,而且不同的芯片和外設(shè)有著不同的供電電壓要求,因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用了多級(jí)分離供電電路,并根據(jù)不同電路的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了不同類型的電源電路[4]。如圖 2所示,輸入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的7～9 V直流電經(jīng)過(guò)DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓為5、6、12 V,分別為數(shù)字電路、伺服器和CCD攝像頭供電,其中降壓使用MP1482芯片,升壓使用MC34063芯片;得到的5 V電源再使用線性穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓為3個(gè)3.3 V電源,分別為MCU、數(shù)字?jǐn)z像頭和其他外設(shè)供電,穩(wěn)壓芯片使用了PAM3101-3.3和AMS1117-3.3;為數(shù)字?jǐn)z像頭供電的3.3 V電源再使用線性穩(wěn)壓電路(AMS1117-1.8)穩(wěn)壓為1.8 V,同樣為數(shù)字?jǐn)z像頭供電。

2.3 核心板接口設(shè)計(jì)

最新的智能車競(jìng)賽規(guī)則允許使用8位、16位、32位的微控制器或DSP(數(shù)字信號(hào)處理器),因此為了擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用范圍,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沒有直接集成微控制器,而是設(shè)計(jì)了通用的標(biāo)準(zhǔn)核心板接口。對(duì)于已有的核心板,通過(guò)專門設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)接板將其連接到實(shí)驗(yàn)平臺(tái);當(dāng)使用新的微控制器時(shí),可以根據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)接口制作新的核心板。核心板模塊化設(shè)計(jì)有多種優(yōu)點(diǎn),一是在學(xué)生掌握相關(guān)技能后,可直接使用核心板進(jìn)行二次開發(fā),甚至直接用于制作智能車,降低學(xué)生參加智能車競(jìng)賽的入門難度;二是使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)適用于所有控制核心,極大擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用范圍;三是降低了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的維護(hù)成本[5]。圖 3為已經(jīng)做好的Kinetis系列和MC9S12系列的核心板和轉(zhuǎn)接板。

圖2 電源模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 制作完成的核心板與轉(zhuǎn)接板

2.4 功能模塊設(shè)計(jì)

2.4.1 傳感器信號(hào)輸入部分

傳感器信號(hào)輸入部分包含傳感器電路及其信號(hào)的采集與調(diào)理電路。競(jìng)賽的3個(gè)組別需要使用不同的傳感器,為滿足不同組別的要求,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集成了數(shù)字?jǐn)z像頭、模擬攝像頭、線性CCD、光電對(duì)管、電感線圈、加速度傳感器、陀螺儀傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器和相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。

模擬攝像頭輸出的信號(hào)為復(fù)合視頻信號(hào),為了使微控制器能夠處理圖像信息,需要將復(fù)合視頻信號(hào)分離并數(shù)字化。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用ADV7180視頻解碼芯片,該芯片可以從復(fù)合視頻信號(hào)中分離行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào),并將視頻信號(hào)以10位精度數(shù)字化后使用16位總線模式輸出[6]。數(shù)字?jǐn)z像頭接口與視頻解碼芯片的輸出接口兼容,包括時(shí)鐘信號(hào)、行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)和最高16位數(shù)據(jù)總線。

由于攝像頭輸出數(shù)據(jù)的速率可能高于微控制器接收數(shù)據(jù)的速率,因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在攝像頭數(shù)據(jù)鏈路中增加了數(shù)據(jù)緩沖器。緩沖器使用美國(guó)Averlogic公司生產(chǎn)的FIFO芯片AL422B,其工作頻率達(dá)50 MHz,存儲(chǔ)容量為3 Mbit,可以緩存一幀分辨率為720像素×480像素的圖像,能滿足智能車上使用的攝像頭的參數(shù)要求,電路原理如圖4所示。AL422B支持異步讀寫時(shí)鐘,圖像數(shù)據(jù)在攝像頭接口電路中時(shí)鐘信號(hào)(作為WCK信號(hào))的上升沿寫入FIFO,并在微控制器輸出的RCK(讀取時(shí)鐘)信號(hào)的上升沿“流出”FIFO,利用這個(gè)特性,微控制器從被動(dòng)接收數(shù)據(jù)的“從機(jī)”變?yōu)橹鲃?dòng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)的“主機(jī)”[7]。

圖4 數(shù)據(jù)緩沖器電路原理

加速度傳感器的型號(hào)為MMA8451Q,為14位精度的三軸加速度傳感器,通過(guò)IIC接口與微控制器通信。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含了數(shù)字和模擬兩種類型的陀螺儀傳感器,數(shù)字陀螺儀的型號(hào)為L(zhǎng)3GD20,使用SPI接口或IIC接口與微控制器通信;模擬陀螺儀傳感器的型號(hào)為ENC-03,其輸出的模擬信號(hào)經(jīng)放大器放大后使用微控制器的內(nèi)部ADC進(jìn)行采集。

利用光電編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速是智能車上使用最廣泛的測(cè)速方案,但光電編碼器較大的體積為安裝帶來(lái)了不便,其重量也對(duì)智能車的性能造成影響,因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用了型號(hào)為AS5040的非接觸式磁效應(yīng)旋轉(zhuǎn)編碼芯片,圖5給出了旋轉(zhuǎn)編碼芯片的安裝方式。該傳感器具有10位的角度分辨精度,測(cè)量范圍為0°～360°,允許測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度達(dá)10 000 r/min[8]。傳感器提供了數(shù)字絕對(duì)角度輸出接口和3種增量式輸出接口,增量式接口中包括了光電編碼器常用的兩相正交增量式輸出,因此可以直接替換光電編碼器。

圖5 旋轉(zhuǎn)編碼芯片安裝方式

在集成以上傳感器及接口的同時(shí),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)預(yù)留了傳感器常用的IIC接口和SPI接口,用于擴(kuò)展連接其他傳感器。

2.4.2 動(dòng)力輸出部分

動(dòng)力輸出部分包含伺服器、電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用了型號(hào)為SG90的微型伺服器,由電源模塊提供電源,并在微控制器的PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制下運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的電機(jī)類型為有刷直流電機(jī),與在智能車上實(shí)際使用的電機(jī)類型相同、驅(qū)動(dòng)電壓相同,由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為2片Infineon公司生產(chǎn)的BTS7960芯片組成的H橋電路,BTS7960可以提供最大43 A的驅(qū)動(dòng)電流,并具有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)功能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反向PWM驅(qū)動(dòng)、反接制動(dòng)和能耗動(dòng)態(tài)控制[9]。

2.4.3 調(diào)試接口部分

調(diào)試接口部分包含液晶屏、SD卡、撥碼開關(guān)、按鍵及五向按鍵、蜂鳴器、LED指示燈和其他通信接口。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上集成了分辨率為320像素×240像素的56 mm(2.2英寸)彩色TFT液晶屏,用于顯示調(diào)試信息。SD卡接口使用Micro SD卡槽,支持4線SD接口讀寫Micro SD卡,并兼容SPI接口。

異步串行接口是最常用的一種通信接口,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為其提供了TTL、RS232和USB 3種通信方式。MAX3232將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232標(biāo)準(zhǔn)電平,用于直接與電腦的UART(通用異步收發(fā)傳輸器)通信;PL2303HX實(shí)現(xiàn)異步串行通信向USB協(xié)議的轉(zhuǎn)換,電腦上將PL2303HX枚舉為CDC(通信設(shè)備類)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)虛擬串口功能。

2.4.4 功能模塊連接方式

所有模塊的通信信號(hào)均通過(guò)跳線帽與核心板連接,當(dāng)某一模塊不使用時(shí),可移除其相應(yīng)的跳線帽,此時(shí)空余出的核心板信號(hào)引腳可以另作他用。這種模式增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可擴(kuò)展性。最終制作完成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖6。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

3 配套軟件程序

為了向?qū)W生提供系統(tǒng)且完整的智能車入門指導(dǎo),與硬件平臺(tái)相配套的軟件程序是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)非常重要的一部分。軟件程序既包括底層的硬件驅(qū)動(dòng)程序,如微控制器的時(shí)鐘初始化程序、GPIO(通用輸入輸出端口)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)與伺服器的PWM信號(hào)控制、定時(shí)器的各種工作模式驅(qū)動(dòng)、ADC采集驅(qū)動(dòng)、攝像頭采集驅(qū)動(dòng)、慣性傳感器數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)、顯示設(shè)備驅(qū)動(dòng)、通信接口驅(qū)動(dòng)等,也包括上層決策算法程序,如PID閉環(huán)控制算法[10]、模糊控制算法[11]、互補(bǔ)濾波算法、卡爾曼濾波算法[12]、圖像特征提取、圖像邊緣檢測(cè)[13]等。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各個(gè)功能模塊都有與之相配合的例程程序,供學(xué)生參考和快速使用,并在此基礎(chǔ)上,根據(jù)競(jìng)賽組別的不同,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)給出了相應(yīng)的上層算法示例,幫助學(xué)生快速熟悉各個(gè)組別需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容,降低了學(xué)生參加競(jìng)賽的入門難度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽為背景,設(shè)計(jì)了一款智能車調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整合了智能車上需要使用的所有電路模塊,并配有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教材。通過(guò)使用核心板接口的方式,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以使用任意微控制器作為控制核心,擴(kuò)展了其使用范圍。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)大幅度降低了學(xué)生參加智能車競(jìng)賽的入門難度,同時(shí)詳盡的教程配合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的演示有助于提高學(xué)生的研究興趣。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)在本校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院智能車研究室中使用,得到學(xué)生一致好評(píng),獲得良好的教學(xué)效果。

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Design and application of experimental platform for debugging intelligent car

Wu Zhenyu, Song Xi, Li Shengming

(School of Innovation Experiment,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)

An experimental platform for debugging intelligent car has been built based on Nation Undergraduate Students “Freescale Cup” Intelligent Car Competition.With the core board interface,its scope of application is expanded to a variety kinds of microcontrollers including the popular Kinetis series and MC9S12 series.The experimental platform provides all the necessary electrical modules in an intelligent car including power management,sensor signal acquisition and conditioning,servers,motor,motor driver and other modules.The systematic and complete guide of the experimental teaching materials lowers the barrier to entry the contest for new players.The platform has been used in undergraduate teaching and achieved good teaching effect.

intelligent car; experiment platform; teaching reform; microcontroller

2014- 10- 24

大連理工大學(xué)教育教學(xué)改革基金項(xiàng)目(ZX201332)

吳振宇(1971—),男,甘肅定西,博士,副教授,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院副院長(zhǎng),研究方向?yàn)橹悄芸刂萍皯?yīng)用、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.

E-mail：zhenyuwu@dlut.edu.cn

TP242；G484

A

1002-4956(2015)6- 0075- 04