湖北师范学院机电与控制工程学院2014届学士学位论文（设计）
挡机电产品等应用领域具有广泛的用途，而且在FLASH存储控制及加密方面也有很强的功能[6]。
主要特性：
（1）16位中央处理单元（HCS12CPU），最高总线速度40MHz （2）512KB闪速FLASH，14KB RAM，4KB EEPROM （3）两个异步串行通信接口（SCI），三个串行外设接口（SPI） （4）一个8通道IC/OC增强型捕捉定时器 （5）一个8通道脉冲发生器（PWM）
（6）29个离散数字I/0通道（Port A, Port B, Port K 和Port E） （7）可配置8位、10位或12位模数转换器（ADC），转换时间3μs （8）支持控制区域网（CAN）、本地互联网（LIN） （9）带有16位计数器的8通道定时器 （10）出色的EMC,即运行和停止省电模式
本系统用到该单片机的PWM、ECT、I/O以及SCI等模块。MC9S12XS128MAA最小
系统芯片实物图和引脚图如图3.5所示。
图3.5 MC9S12XS128MAA最小系统芯片实物图和引脚图
3.4 PID控制算法介绍
将偏差的比例(P)、积分(I)、和微分(D)通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称为PID控制器。PID控制算法结构简单、鲁棒性强，是自动控制领域中广泛采用的一种控制方法。PID控制器原理框图如图3.6所示。
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比例r(t)+-e(t)积分 +++u(t)被控对象c(t)微分
图3.6 PID控制器原理框图
(1)PID控制器各校正环节的作用如下：
比例环节(P)：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产
生控制作用，以减少偏差。
积分环节(I)：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积
分时间常数Ti, Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。
微分环节(D)：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变化太大之前，在系统
中引入一个早期修正信号，从而加快系统动作速度，减少调节时间。
(2)位置式PID控制算法
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟系统那样连续输出控制量，进行连续控制，故计算机控制系统需采用数字式PID。数字式PID控制算法又分为位置式PID和增量式PID控制算法。
位置式PID控制算法的表达式如公式3.1所示。
u(k)?Kpe(k)?Ki?e(j)?Kd[e(k)?e(k?1)] （3.1）
j?0k 式中：
k— —采样序号，k=0，1，2，......；
u(k)— —第k次采样时刻计算机输出值 e(k)— —第k次采样时刻输入的偏差值
e(k?1)— —第k?1次采样时刻输入的偏差值
Ki?KTKpT为积分系数，Kd?pd为微分系数
TTi公式3.1是直接按PID控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，
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因此被称为全量式或位置式PID控制算法。
这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对e(k)进行累加，工作量大；并且，计算机输出的u(k)对应执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的u(k)将大幅度变化，会引起执行机构大幅度变化，这在实际是不允许的[7]。增量式PID控制算法可以避免这种现象。
(3) 增量式PID控制算法
增量式PID控制算法的表达式如公式3.2所示。
?u(k)?u(k)?u(k?1)?Kp?e(k)?Kie(k)?Kd[?e(k)??e(k?1)] (3.2) 上式中：?e(k)?e(k)?e(k?1)
公式3.2可以进一步改写成如公式3.3所示。
?u(k)?Ae(k)?Be(k?1)?Ce(k?2) （3.3）
式中：A?Kp(1?KT2TTT?d)、B?Kp(1?d)、C?pd
TTTiT增量式PID控制算法不需要累计，计算量小，控制增量△u(k)仅与最近k次采样有关，所以误动作时影响小，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。 3.5 MATLAB测试平台
矩阵实验室（Matrix Laboratory,MATLAB）软件是一个适用于科学计算和工程应用的数学软件系统，历经20多年的发展，现已是IEEE组织认可的最优化的科技应用软件。该软件具有以下特点：数值运算功能强大；编程环境简单；数据可视化功能强；丰富的程序工具箱；可扩展性能强等[8]。利用MATLAB编程软件，提取路径左右导航线和拟合中心线仿真图如图3.7所示。
图3.7 MATLAB开发环境
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3.6 Codewarrior编程软件
Codewarrior是由Metrowerks公司提供的专门面向Freescale所有MCU与DSP嵌入式应用开发的软件工具。其中包括集成开发环境IDE、处理器专家、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。其中在本设计中重要的部分就是集成开发环境和调试器，即IDE和hiwave。
开发语言采用HCS12C语言，语法与标准C语言基本相同，支持多种数据类型。Codewarrior的功能非常强大，可用于绝大部分单片机、嵌入式系统的开发[9]。Codewarrior的编程界面如图3.8所示。
图3.8 Codewarrior编程界面
现代单片机具有很强的在线编程和调试功能，Freescale S12系列单片机就具有BDM（Background Debug Mode）功能，可以实现在线程序下载和在线背景调试功能。我们使用清华大学Freescale MCU/DSP应用开发研究中心开发的BDM for S12，配合CodeWarrior的hiwave.exe在线调试器，即可实现程序下载和进行一系列的调试工作，如黑白线的数字量，路径采集状态，各个寄存器值，程序调试的变量值，能够很好的观察整幅图像信息、图像中黑线的位置、黑线断开的位置、小车舵机和电机的当前值等，给调试提供了极大的方便。 3.7 串口调试工具
串口调试助手，支持常用的300-115200bps波特率，能设置校验、数据位和停止位，能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符（包括中文），可以任意设定自动发送周期,并能将接收数据保存为文本文件，能发送任意大小的文本文件。
目前较为常用的串口有9针串口（DB9）和25针串口（DB25），通信距离较近时(<12m)，可以用电缆线直接连接标准RS232端口(RS422,RS485较远)，若距离较远，需
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附加调制解调（MODEM）。最为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连。
为了更加形象地反应采集图像的数据，在串口发送中每发送完一行就添加一个回车符，这样得到的数据是每行的数据而不是连成一块的，串口得到的数据图如图3.9所示，图中非常好地反应了道路的信息：
图3.9 串口调试助手平台
上图是在静态调试时摄像头采集的一幅路径二值化后图像。整幅图像由0和1组成，其中1代表的是白色的路面，0代表的是黑线的导航线和深蓝色的背景。
4 系统硬件电路设计
4.1 系统总体设计方案
本智能车系统可以分为五大模块：摄像头图像采集模块，电源模块，舵机转向模块，电机驱动模块，主控制器及外围电路模块，系统整体设计框图如图4.1所示。
电源管理舵机转向MC9S12XS128主控制器电机驱动摄像头传感器速度反馈传感器辅助测试
图4.1 系统整体结构框图
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