第五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告
上位机部分上位机前轮连动杆MAX232+USB转换无线通信模块Cy2198TR-A天线+5.0V线性稳压芯片LM1117-3.3+3.3V无线通信模块Cy2198TR-A2线光耦隔离6N137线性稳压芯片LM1117-ADJ线性稳压芯片LP3853ESX-5.0+6.0V舵机电磁传感器模块6位LED灯PAD0[0-11]PS[0-1]PP4(PWM4)PP[6-7]线性稳压芯片LM1117-3.3+3.3V3线加速度传感器MMA7260QBDM接口电路拨码开关6线4线PA[2-7]PM2(MISO0)PM3(SS0)PM4(MOSI0)PM5(SCK0)EXTALXTALPAD0[13-15]EEPROM AT25256MC9S12XS128BKGDPB(0-7)16M无源晶振RC复位电路测试LEDPP0(PWM0)PP2(PWM2)PT0、PT2RESETPK[0-3]4线PT7(IOC7)VDDRVDDAVDDX1VDDX2+5.0VPK4线性稳压芯片TPS7350+5.0V核心控制板2线鉴相电路74HC74+5.0VPA、PB电机驱动板光耦隔离6N137H桥驱动+14VPA旋转式编码器OMRON E6A2-CDC-DC升压芯片MC34063H桥驱动芯片TD340N沟道MOS管IRL7833S+7.2V镍镉电池组齿轮直流电机传动轴、差速齿轮后轮其中，镍镉电池组输出的7.2V电压除了向电机供电之外，还向各稳压芯片供电。图4.1 硬件电路总结构框图
4.2核心控制模块
本文中所使用的核心控制芯片是飞思卡尔公司生产的16单片机MC9S12XS128，它负责处理各传感器所获得的信息，并且加以判断再向外发出控制信号，使小车稳定运行。该芯片采用的是5V供电，芯片内部含有128K的Flash存储器，8K的RAM，8K的EEPROM，两路串行通信接口（SCI），一路串行外围接口（SPI），八路定时器通道，两个（80引脚为一个）八路可调转换精度的A/D口，八路PWM输出，91（80引脚为59）个离散数字I/O口，一个
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第四章 智能车硬件电路设计
MSCAN模块。其功能模块如图4.2所示。
图4.2 MC9S12XS128单片机功能模块示意图
MC9S12XS128的最小系统包含BDM接口、RC复位电路、母板接口、指示LED、5V电源接口及晶振，如图4.3所示。
图4.3 最小系统框图
在实际设计电路板的过程中，还考虑了器件间的相互干扰的问题，特地参考相关技术报告，重新布置了各个元件的位置，很好的实现了去耦、旁路与隔离，保证了系统的稳定运行。所设计的最小系统板如图4.4所示。
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图4.4 最小系统板
4.3电磁传感器模块
4.3.1 设计原理 (1)导线周围的电磁场
根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。智能汽车竞赛使用路径导航的交流电流频率为20kHz，产生的电磁波属于甚低频（VLF）电磁波。甚低频频率范围处于工频和低频电磁破中间，为3kHz～30kHz，波长为100km～10km。如图4.5所示：
图4.5 电流周围的电磁场示意图
导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置，这正是我们进行电磁导航的目的。由于赛道导航电线和小车尺寸l 远远小于电磁波的波长λ ，电磁场辐射能
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量很小（如果天线的长度l 远小于电磁波长，在施加交变电压后，电磁波辐射功率正比于天线长度的四次方），所以能够感应到电磁波的能量非常小。为此，我们将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场，按照检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布，从而进行位置检测。由毕奥-萨伐尔定律知：通有稳恒电流I 长度为L 的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为r 处P 点的磁感应强度为：
B???2?1?0Isin?d???0?4??10?7TmA? （4.1） 4?r
图4.6 直线电流的磁场
?0I?cos?1?cos?2?，对于无限长直电流来说，?1?0，?2??，4?r?I则有 B?0 （4.2）
4?r由此得B?
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图4.7 无限长导线周围的磁场强度
在上面示意图中，感应磁场的分布是以导线为轴的一系列的同心圆。圆上的磁场强度大小相同，并随着距离导线的半径r 增加成反比下降[45]。
(2)磁场检测方法
人类对于磁场的认识和检测起源很早，我国古代人民很早就通过天然磁铁来感知地球磁场的方向，从而发明了指南针。但是对于磁场定量精确的测量以及更多测量方法的发现还是在二十世纪初期才得到了突飞猛进的进展。
现在我们有很多测量磁场的方法，磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应：磁电效应（电磁感应、霍尔效应、磁致电阻效应）、磁机械效应、磁光效应、核磁共振、超导体与电子自旋量子力学效应。下面列出了一些测量原理以及相应的传感器：
(a)电磁感应磁场测量方法：电磁线磁场传感器，磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器。
(b)霍尔效应磁场测量方法：半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。 (c)各向异性电阻效应（AMR）磁场测量方法。
(d)载流子自旋相互作用磁场测量方法：自旋阀巨磁效应磁敏电阻、自旋阀三极管磁场传感器、隧道磁致电阻效应磁敏电阻。
(e)超导量子干涉（SQUID）磁场测量方法：SQUID 薄膜磁敏元件。 (f)光泵磁场测量方法：光泵磁场传感器。 (g)质子磁进动磁场测量方法。 (h)光导纤维磁场测量方法。
以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大。我们需要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑[45]。
在下面所介绍的检测方法中，我们选取最为传统的电磁感应线圈的方案。它具有原理简单、价格便宜、体积小（相对小）、频率响应快、电路实现简单等
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