基于嵌入式智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計

周恒 王民慧

摘 要：智能汽車是當(dāng)今車輛工程領(lǐng)域研究的前沿，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來汽車發(fā)展的趨勢。本系統(tǒng)采用S9KEAZ128AMLK芯片為核心處理器，對智能小車的轉(zhuǎn)向及動力系統(tǒng)進行設(shè)計，通過ESP8266WiFi模塊，將智能小車各個傳感器的數(shù)據(jù)通過簡易的通信協(xié)議實時傳輸給本設(shè)計中的上位機，以達到智能小車數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控及控制。

關(guān)鍵詞：S9KEAZ128AMLK;ESP8266;智能小車

文章編號：2095-2163（2019）04-0149-06 中圖分類號：TP23 文獻標(biāo)志碼：A

0 引 言

智能汽車是當(dāng)今車輛工程領(lǐng)域研究的前沿，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制。為了使智能汽車獲得更快的速度、更好的控制性能，智能小車上位機的研究也成為一個主要研究方向。隨著無線通信以及上位機的概念逐漸被眾人所熟知，設(shè)計一個完整的上位機調(diào)試平臺對于智能小車來說也成了必不可少的事情。本設(shè)計以S9KEAZ128AMLK芯片為核心處理器設(shè)計，下位機控制系統(tǒng)以LabVIEW為平臺設(shè)計上位機控制系統(tǒng)。當(dāng)智能小車開始尋跡時，上位機控制系統(tǒng)用于對智能小車尋跡過程中數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，這樣便可以知道智能小車的實時運動狀態(tài)，通過小車的實時運動狀態(tài)使用者可以調(diào)整出最優(yōu)PID參數(shù)，使小車獲得更快的速度。

1 智能小車硬件設(shè)計

1.1 智能小車系統(tǒng)架構(gòu)

智能小車控制系統(tǒng)以S9KEAZ128AMLK芯片為核心處理器，通過LC選頻電路對賽道信號進行檢測之后通過信號放大電路將LC選頻電路采集的信號放大之后傳到單片機的AD口，將其轉(zhuǎn)換成單片機能夠處理的數(shù)字信號發(fā)送到單片機處理。KEAZ128單片機將電感采集的信號、編碼器采集的信號以及MPU6050陀螺儀加速度計采集的信號通過均值濾波，然后通過不同的算法對其獲取一個數(shù)值，將該數(shù)值發(fā)送到PWM脈寬調(diào)制控制電機輸出[1]。在調(diào)試智能小車時人們將數(shù)據(jù)通過WiFi模塊發(fā)送本設(shè)計的上位機進行觀察，同時為了方便也將數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶顯示屏顯示。此外WiFi模塊也接收上位機發(fā)送過來的信號，并將其信號發(fā)送到單片機處理（如一鍵停車等）。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 智能小車硬件介紹

1.2.1 LC信號選頻電路設(shè)計

根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在其周圍產(chǎn)生交變的電磁場。在賽道上載流導(dǎo)線內(nèi)通過的交流電流頻率約為20 kHz，電流大小約為100 mA，其產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波[1]。甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻之間，為3～30 kHz，波長為100～10 KM。

根據(jù)電磁學(xué)的知識，載流導(dǎo)線周圍充滿交變的磁場，在當(dāng)中放置一個電感線圈，電磁感應(yīng)會使線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該感應(yīng)電動勢信號比較弱，感應(yīng)電壓最大只能達到百毫伏級，此外空間中還存在很多頻率、強弱均不同的磁場，如果直接采集，采集的信號噪聲會比較大。所以針對賽道上的20 kHz交流磁場采用LC選頻電路對信號進行選頻，這樣便可濾除噪聲的干擾[9]。LC諧振電路如圖2所示。

根據(jù)上述電路，C為并聯(lián)的校正電容，L為感應(yīng)線圈的電感量，電路諧振頻率的公式為：

因目前只有與其接近的6.8 nf的電容，因此諧振電路中的校正電容的容量為6.8 nf。經(jīng)實驗驗證，選用10 mH的電感和6.8 nf的校正電容可以很好地獲取賽道信號。

1.2.2 信號放大電路的設(shè)計

由于LC諧振電路得到的信號是交變的電壓信號，且電壓幅值只有百毫伏，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)值差異并不明顯。因此，還需要將采集的信號進一步放大[4]。OPA2350運放芯片輸出類型為：滿擺幅，理論供電電壓為5 V，可以將采集的微小的電壓信號放大到5 V，放大后的電壓即可達到供電電壓的幅值，其壓擺率可達22 V/us，增益帶寬積可達33 MHz，很好地滿足放大需求。

通過Multisim軟件仿真觀察到輸入信號很明顯地按照本設(shè)計放大，可以證明本次電路設(shè)計是正確的。仿真結(jié)果如圖3所示。

1.2.3 檢波電路設(shè)計

由上文可知，OPA2350芯片所設(shè)計的放大電路只是將信號放大了，實際上還是交變的電壓信號。如果將交變的電壓信號直接給單片機的A/D口，無疑會大大增加單片機對信號濾波的處理難度。因此，在電路設(shè)計中還需要一個檢波電路，將交變的電壓信號整流成直流信號送到單片機的A/D口[7]。該電路采用倍壓整流原理設(shè)計，檢波電路如圖4所示。

通過Multisim軟件仿真驗證該設(shè)計的檢波電路是正確的，其仿真結(jié)果如圖5所示。

1.2.4 穩(wěn)壓電路設(shè)計

智能小車車模使用7.2 V 2 000 mAhNi-cd供電，而ESP8266WiFi模塊、陀螺儀、加速度傳感器和液晶顯示屏均使用的是 3.3 V 的電源。編碼器、電磁傳感器模塊以及單片機最小系統(tǒng)需要5 V電源。因此電路設(shè)計中必須將7.2 V的電源電壓降至5 V以及3.3 V的供電電源。本設(shè)計通過德州儀器公司生產(chǎn)的TPS系列穩(wěn)壓芯片，對電池電壓進行降壓至3.3 V和5 V，因為該芯片穩(wěn)壓后會有較大的紋波，因此設(shè)計電路時采用0.1 uf的瓷片電容濾除高頻信號、10uf的電解電容濾除低頻信號進行濾波處理，得到一個穩(wěn)定的直流電源。

1.2.5 電機驅(qū)動電路設(shè)計

智能小車在尋跡過程中電機的速度是根據(jù)編碼器反饋值進行實時調(diào)速的。因此，在設(shè)計時不能直接將電源對電機進行供電，本設(shè)計采用脈寬調(diào)制實現(xiàn)了對電機速度的控制。S9KEAZ128AMLK單片機在接受并處理完傳感器傳回賽道的信息后，得到一個目標(biāo)速度，然后通過脈寬調(diào)制信號來控制電機的轉(zhuǎn)速。由于S9KEAZ128AMLK單片機輸出信號的電流較小，不能驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，所以需要設(shè)計一個驅(qū)動模塊來放大單片機的輸出信號，實現(xiàn)對電機的驅(qū)動[3]。因此，電機驅(qū)動電路中使用74HC244芯片對PWM信號進行緩沖，采用IR2104SMOS驅(qū)動管和LR7843MOS管設(shè)計了如圖6所示的電機驅(qū)動電路。

Data[15]=Data_Speed%10+0x30;

Data[16]='B';

Data[17]='B';

for（i=0; i<=17; i++）

{

Uart_SendChar（UARTR0， Data[i]）;

}

}

2.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件實現(xiàn)了對PC機IP地址的獲取、通信協(xié)議的處理以及對所獲取的數(shù)據(jù)進行處理與顯示。如圖9所示為上位機程序流程圖。

（1）上位機通過“字符串至IP地址轉(zhuǎn)換”函數(shù)[2]獲取當(dāng)前機器的IP網(wǎng)絡(luò)地址，然后在通過“IP地址至字符串轉(zhuǎn)換”函數(shù)轉(zhuǎn)換成字符串，然后將其輸入到字符串顯示控件。當(dāng)該上位機運行時即可獲得當(dāng)前PC機的IP地址[8]。

（2）上位機通過讀取TCP函數(shù)以及寫入TCP函數(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

（3）上位機通過“截取字符串”函數(shù)截取所獲得數(shù)據(jù)包的前兩個字節(jié)數(shù)據(jù)和后兩個字節(jié)數(shù)據(jù)使用“等于？”函數(shù)判斷其是否等于本設(shè)計所設(shè)定的幀頭和幀尾，當(dāng)其均相等時再通過“與”邏輯函數(shù)進一步判斷是否為真，如若為真則通過事件結(jié)構(gòu)處理接收的數(shù)據(jù)，通過“字符串截取”函數(shù)將每個字節(jié)所對應(yīng)的數(shù)據(jù)截取到相應(yīng)的圖表顯示出來。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了以S9KEAZ128AMLK芯片為核心處理器的下位機及以LabVIEW為上位機的智能小車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能小車的快速循跡以及上位機與下位機之間的局域網(wǎng)通信，并通過通信協(xié)議實現(xiàn)了智能小車傳感器數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控以及智能小車的實時控制。經(jīng)實驗表明，該智能小車控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，效果良好。

參考文獻

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