了得網工業技術_“飛思卡爾”杯智能汽車設計與實例教程

內容簡介

作者簡介

山東工商學院自動化繫主任，副教授，近幾年多次指導學生參加全國大學生電子設計競賽、“飛思卡爾”杯智能汽車競賽獲得*獎項。

第1章競賽簡介 1
1.1 競賽與規則簡介 1
1.1.1 競賽介紹 1
1.1.2 競賽規則 2
1.2 歷屆承辦單位及獲獎情況 2
第2章智能汽車硬件設計 4
2.1 供電模塊電路設計 4
2.1.1 單片機供電電路設計 5
2.1.2 舵機供電電路設計 7
2.1.3 特殊傳感器的升壓供電 9
2.1.4 傳感器等其他外設供電 11
2.2 電動機驅動電路設計 12
2.2.1 脈寬調制基本原理 12
2.2.2 H橋的基本原理 14第1章競賽簡介 1
1.1 競賽與規則簡介 1
1.1.1 競賽介紹 1
1.1.2 競賽規則 2
1.2 歷屆承辦單位及獲獎情況 2
第2章智能汽車硬件設計 4
2.1 供電模塊電路設計 4
2.1.1 單片機供電電路設計 5
2.1.2 舵機供電電路設計 7
2.1.3 特殊傳感器的升壓供電 9
2.1.4 傳感器等其他外設供電 11
2.2 電動機驅動電路設計 12
2.2.1 脈寬調制基本原理 12
2.2.2 H橋的基本原理 14
2.2.3 A車模、D車模電動機驅動方案 15
2.2.4 B車模電動機驅動方案 16
2.3 信號傳遞電路的設計 19
2.3.1 電動機控制信號的電平轉換與隔離 19
2.3.2 傳感器數據信號的電平轉換 21
2.3.3 舵機控制信號的隔離 24
2.4 測速模塊原理與電路設計 25
2.4.1 光電脈衝測速原理 25
2.4.2 低成本方案——光電碼盤 26
2.4.3 高精度方案——光電編碼器 27
2.4.4 第五輪測速方式 29
2.5 輔助調試設備及其電路設計 29
2.5.1 液晶顯示 30
2.5.2 矩陣鍵盤 32
2.5.3 撥碼開關 33
2.5.4 串口通信 34
2.5.5 無線通信 36
2.5.6 SD卡讀寫 37
2.6 主板外形設計 37
2.6.1 A型車模主板設計參考 37
2.6.2 B型車模主板設計參考 39
2.7 PCB實體電路的設計 39
2.7.1&nbs器件封裝選擇 39
2.7.2 基於原理圖設計實體電路 40
2.7.3 電路抗干擾、防靜電設計 43
2.7.4 自制PCB的方法指導 44
本章小結 45
第3章智能汽車軟件設計 46
3.1 C語言核心內容與芯片編程規範 46
3.1.1 C語言核心內容 46
3.1.2 命名規則 53
3.1.3 注釋 54
3.1.4 統一類型別名定義 56
3.1.5 編碼 56
3.2 控制主程序 57
3.2.1 攝像頭組主程序設計 57
3.2.2 電磁組與光電組主程序設計 57
3.2.3 光電組主程序設計 59
3.3 賽道信息的獲取 60
3.3.1 攝像頭圖像的獲取 60
3.3.2 電磁傳感器信號的獲取 67
3.3.3 光電傳感器信號的獲取 70
3.4 信號處理與賽道識別 71
3.4.1 攝像頭圖像處理與賽道邊沿識別 71
3.4.2 電磁車信號放大與道邊沿識別 73
3.4.3 光電車信號處理與道邊沿識別 74
3.5 賽道分析與控制策略 74
3.5.1 攝像頭組 74
3.5.2 電磁組及光電組 77
3.6 起跑線的識別 78
3.6.1 攝像頭組 78
3.6.2 電磁組 78
3.6.3 光電組 80
3.7 PID控制算法和應用 80
3.7.1 PID控制算法 80
3.7.2 PID控制在智能汽車上的實現 84
3.8 其他控制算法和應用 85
3.8.1 模糊控制 85
3.8.2 賽道記憶算法 87
3.9 計算機輔助調試 87
3.9.1 開發軟件介紹 87
3.9.2 C#上位機獲取圖像 88
3.9.3 MATLAB調試PID 88
3.9.4 按鍵及顯示屏模塊 89
第4章智能汽車機械結構設計 90
4.1 機械設計軟件——PRO-ENGINEER 90
4.1.1 簡介 90
4.1.2 歷史版本 90
4.1.3 主要模塊 91
4.1.4 主要特性 91
4.1.5 Pro-Engineer在智能汽車上的應用 92
4.1.6 用戶關注熱點 92
4.2 智能汽車機械零件設計的一般步驟與準則 92
4.2.1 相關概念 92
4.2.2 設計機械零件的一般步驟 93
4.2.3 設計機械零件的基本準則 93
4.3 工具準備 94
4.3.1 鋸切工具——鋼鋸 94
4.3.2 打孔工具 95
4.3.3 支持定位工具——桌虎鉗 96
4.3.4 畫線工具 97
4.3.5 螺絲刀 98
4.3.6 鉗子 98
4.3.7 粘連工具 99
4.4 常用材料 100
4.4.1 鋁合金 100
4.4.2 碳素纖維 100
4.4.3 潤滑劑 101
4.5 智能汽車機械結構優化 102
4.5.1 智能汽車的整體結構 102
4.5.2 智能汽車防護保養與機械結構調整 103
4.5.3 智能汽車轉向結構調整 107
4.5.4 智能汽車後輪結構調整 109
4.5.5 賽道保養 110

第5章控制芯片 111
5.1 MC9S12XS128芯片 112
5.1.1 芯片簡介 112
5.1.2 時鐘模塊 112
5.1.3 I/O模塊及其應用 121
5.1.4 計數器和定時器模塊 126
5.1.5 TIM模塊的脈衝累加器 133
5.1.6 脈衝調制解調模塊（PWM） 137
5.1.7 周期中斷定時器（PIT） 144
5.1.8 SCI總線 151
5.1.9 模數轉換模塊（A/D） 157
5.2 MCF52259芯片 167
5.2.1 芯片簡介 167
5.2.2 時鐘模塊 168
5.2.3 通用I/O口模塊（GPIO） 173
5.2.4 邊沿中斷檢測模塊（EPORT） 181
5.2.5 中斷管理模塊 186
5.2.6 可編程中斷定時器模塊（PIT） 193
5.2.7 脈衝累加器模塊 196
5.2.8 舵機電動機控制模塊（PWM） 198
5.2.9 通用異步收發機模塊 205
5.2.10 模數轉換模塊（ADC） 214
5.3 KINETIS K60芯片 226
5.3.1 芯片簡介 226
5.3.2 時鐘模塊 226
5.3.3 多用途時鐘信號發生器 228
5.3.4 繫統集成模塊（SIM） 248
5.3.5 可編程中斷定時器（PIT） 257
5.3.6 Flex定時器（FTM） 259
5.3.7 通用輸入/輸出（GPIO）及引腳控制和中斷 283
5.3.8 引腳控制和中斷寄存器 286
5.3.9 UART異步串行通信 309
5.3.10 模數轉換器（ADC） 331
5.4 MPC5604芯片 356
5.4.1 芯片簡介 356
5.4.2 時鐘模塊 356
5.4.3 簡化繫統（SIUL） 372
5.4.4 中斷管理模塊 391
5.4.5 增強模塊化I/O子程序（eMIOS） 403
5.4.6 可編程中斷定時器（PIT） 428
5.4.7 A/D轉換模塊（ADC） 437
第6章電磁車實例 446
6.1 智能汽車競賽電磁組背景 446
6.2 電磁組傳感器及路徑檢測設計參考方案 446
6.2.1 磁場檢測方法 446
6.2.2 傳感器模塊設計 447
6.2.3 信號濾波 451
6.2.4 傳感器的布局設計與調試 453
6.2.5 電路板的靜電保護 458
6.3 車模整體控制策略 458
6.3.1 速度控制策略 458
6.3.2 轉向控制策略 459
第7章攝像頭車實例 460
7.1 攝像頭傳感器簡述 460
7.1.1 攝像頭的選型 460
7.1.2 CCD攝像頭的優勢與缺陷 462
7.1.3 OV5116動態集成攝像頭 463
7.2 整體方案設計 464
7.3 機械結構與調整 465
7.4 繫統架構與硬件設計 465
7.4.1 模塊劃分及母板電路 465
7.4.2 CCD攝像頭模塊電路 466
7.4.3 硬件二值化電路 466
7.5 圖像采集處理 468
7.5.1 圖像采集 468
7.5.2 圖像處理 471
7.6 控制策略 472
7.6.1 控制方案 472
7.6.2 驅動電動機PID控制 474
7.6.3 轉向舵機控制 475
7.7 難點突破與繫統改進 475
7.7.1 機械改進 475
7.7.2 轉向控制的優化 475
7.7.3 車體的防護 476
7.8 參考代碼 476
第8章光電車實例 479
8.1 光電直立組簡介 479
8.2 直立行走控制原理 479
8.2.1 直立行走任務分解 479
8.2.2 車模直立控制 481
8.2.3 車模速度控制 484
8.2.4 車模方向控制 485
8.2.5 車模傾角測量 486
8.2.6 車模直立行走控制算法總圖 490
8.3 硬件電路及傳感器安裝 491
8.3.1 硬件電路整體概覽 491
8.3.2 單片機最小繫統9S12XS128MAL 492
8.3.3 線性CCD模塊 493
8.3.4 陀螺儀＆加速度計模塊 494
8.3.5 電動機驅動模塊 495
8.3.6 編碼器及測速電路 495
8.3.7 輔助調試及電源設計 498
8.3.8 車模整體裝配方案 498
8.4 軟件算法設計參考 498
8.4.1 整體控制流程 498
8.4.2 9S12XS128MAL單片機資源分配 501
8.4.3 直立控制 505
8.4.4 速度控制 507
8.4.5 方向控制函數 509
8.4.6 電動機控制函數 511
本章小結 512
參考文獻 513

前言

前言
智能汽車是當今車輛工程領域研究的前沿，它體現了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和綜合，是未來汽車發展的趨勢。全國大學生智能汽車競賽對高校學生而言是一次難得的機遇和挑戰。智能汽車競賽涉及的知識較為寬泛，為了設計出性能優越的智能賽車，需要在賽車的設計開發過程中參考許多有價值的文獻資料，不斷學習，不斷創新。
智能汽車競賽考驗參賽選手的綜合能力，包括傳感器的應用、電動機的應用、電路設計、自動控制原理、繫統調試、機械結構設計等，將這些知識合理運用到智能汽車上是對選手的巨大挑戰。對於競賽選手來說，臨場發揮對比賽成績的好壞至關重要，及時制定並調整策略纔能發揮出智能汽車的最大性能。
關於飛思卡爾微控制器
競賽指定控制芯片為飛思卡爾繫列芯片，飛思卡爾公司是嵌入式控制領域的全球帶頭人，是主要技術創新者，開發了首個基於Flash 存儲的MCU。

16位微控制器
飛思卡爾S12和S12X 微控制器可以為汽車和工業應用提供高性能的16位控制功能。S12X微控制器具有創新的XGATE模塊，無須CPU干預即可處理中斷事件。這讓S12X控制器具備了通常在32位控制器上纔有的高性能處理能力。16位產品組合也包括一繫列的數字信號控制器（DSC），將微控制器功能與DSP性能合二為一，它們特別適合先進的電動機控制應用。

ColdFire微控制器
32位ColdFire嵌入式控制器繫統架構不同於業內任何其他產品。這個豐富的MCU產品組合以工業應用為核心，具有優異的性能和外圍設備選件，包括市場上超低功耗、段式和圖形LCD、USB及以太網。憑借龐大的開發工具和設計資源生態繫統的有力支持，廣泛應用於消費和工業應用領域。

Kinetis ARM＆reg;微控制器
32位Kinetis MCU是業界最具擴展能力的ARM＆reg; Cortex-M4 MCU的出色代表。該產品組合先期推出的產品，包括5個繫列 200 多款引腳、外設和軟件都兼容的MCU，具有出色的性能、內存和功能擴展能力。由於采用了創新的90nm薄膜存儲器（TFS）閃存技術，並帶有獨特的FlexMemory（可配置嵌入式E2PROM），Kinetis包含最新的低功耗創新技術和高性能、高精度的混合信號功能。Kinetis MCU還得到飛思卡爾和ARM第三方生態繫統合作伙伴的領先市場的實施工具包的支持。

本書特色
1．實用性強
本書以實用性為原則，根據前幾屆參賽選手的親身經歷，通過“第一視角”向讀者展示智能汽車制作與調試的精髓。
2．內容全面、繫統、深入
本書涵蓋了智能汽車制作的各方面知識點，向讀者展示了一個完整的體繫，尤其對技術盲點進行了深刻的解析，有利於讀者繼續研究學習。
3．源代碼豐富
編者從事智能汽車研究多年，先後參加第五、六、七、八屆“飛思卡爾”杯智能汽車競賽，多次獲得省級獎、賽區獎及國家獎，本書收錄了編者的長期制作與調試經驗，向讀者完全開放源代碼，講解精華程序，給讀者呈現最具體、最實用的資料。

本書結構
全書共分為8章，其中第1章介紹全國大學生“飛思卡爾” 杯智能汽車競賽概況與比賽規則。第2～4章分別從硬件設計、軟件設計及機械結構設計給出智能汽車整體設計的框架。第5章對控制芯片的使用進行了詳細描述，著重講解了智能汽車比賽需要用到的各個模塊，由於競賽規定每個學校參賽隊伍不得采用同一型號的控制芯片，因此挑選出四種適用於智能汽車競賽的飛思卡爾繫列芯片——MC9SX128、MCF52259、KinetisK60及MPC5604進行相應講解。第6～8章根據編者自身的參賽經歷，將完整的智能汽車制作過程收錄在內，涵蓋了電磁組、攝像頭組及光電平衡組三個組別。

讀者對像
智能車制作初學者
想進行技術提升的智能汽車參賽隊員
嵌入式開發人員
自動控制研究人員
本科院校學生及研究生
科技愛好者

本書作者
本書由隋金雪、楊莉、張岩編著，參加編寫的人員還有山東工商學院深藍工作室（機器人協會）劉海銳、王庭蛟、王志翔、李惠彬、韓冰、鄧鴻宇、劉鵬、董露露等。
鋻於作者水平有限，書中難免存在不足和錯誤之處，懇望讀者提出寶貴建議和意見，以便再版時改進。

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