基于飞思卡尔单片机自动循迹小车控制的设计
3.1.3 I/O模块
K60拥有100个I/O引脚，很多引脚具有复用功能。当引脚复位以后，它会自动配置成高阻的状态。因为它是通用的输入引脚，所以内部没有上拉电阻。为避免浮空输入脚出现漏电流，复位初始化尽量使用上拉或者下拉，另外可使不常用引脚的方向为输出，以使该引脚不再浮空。 3.1.4 时钟电路
时钟电路主要由RTC和主晶振组成，主晶振的作用是产生芯片和外设所需要的工作时钟。RTC的作用是当系统上电和关闭时对时间进行测量，另外RTC消耗的功率非常低。K60系统板上的晶振为50MHz，如图 3.2 所示。
图3.2 50MHz 有源晶振时钟电路
我们选用32.768KHz 的振荡器提供时钟，如下图3.3所示。实时时钟RTC有专用的电源引脚 VBAT，它可以连接到具有3.3V的电池或者其它可以供给3.3V的电源。当CPU掉电时，要用外部时钟源来上电。
图3.3 RTC 时钟电路
3.1.5 复位电路
K60 的复位电路如图3.4 所示，由图可知电路中的RESET连接到K60芯片上的复位引脚，复位引脚RESET连接的电阻为4.7kΩ，电阻的作用是提供3.3V的电压。低电平时芯片复位，高电平时则不会做出反应。按下复位键S1，RESET引脚接地，输出低电平，芯片复位。
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图3.4 复位电路
3.1.6 JTAG接口电路
K60系列芯片使用的是ARM Cortex-M4内核，本内核里面有一个JTAG接口，我们可以通过这个接口来下载程序或者调试程序。JTAG的接口电路如图3.5所示。JTAG 的对外引脚2接TMS，引脚4接TCK、引脚6接TDO、引脚8接TDI，这几个引脚和K60的PTA0~PTA3四个引脚相对应。
图3.5 K60的JTAG接口电路
3.2 电机驱动模块
电机驱动选用双电机驱动BTS79602S,它的优点是性能稳定、电机能够提供足够的动力。BTS79602S是一个高度集成的芯片，是半桥型的，可以通过大电流。它的内部有两个MOSFET，分别是N沟道和P沟道，N沟道的是低边的，P沟道的是高边的。其主要功能有电流诊断，逻辑电平输入以及斜率调节。另外它还具有过压保护的作用。
BTS79602S的芯片内部是一个半桥型装置。当IN=1并且INH=1时，可以使高边MOSFET导通，这个时候OUT引脚输出的是高电平；当IN=0并且INH=1时，可以使低边MOSFET导通，这个时候OUT引脚输出的是低电平。要控制MOS管的导通以及关断，我们可以通过改变连接在SR引脚的电阻来进行[5]。IS引脚的具有检测输出电流的作用。
BTS79602S赛车运行过程中是通过PWM波来控制的。当只需要单电机运行时，控制芯片的第二个引脚输入PWM波，电机一端接地，另一端接BTS79602S的输出引脚。如果是双电机运行时就要和另外一片BTS79602S芯片组成全桥控
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制。此外为了隔离驱动芯片并且达到保护单片机的目的，我们采用了74HC245DW芯片进行隔离保护。具体的电路如图3.6所示。
图3.6 BTS7960原理图
3.3路径识别摄像头检测模块
3.3.1 摄像头的选择
用摄像头来识别小车的路径，也可以用红外传感器进行辅佐，因此我们有两种方案可供选择。
方案一：只用摄像头对路径进行检测。摄像头将采集到的画面经过处理以后交给处理器，能够提前对小车前方的赛道进行分析，从而选择最佳的路径，及时调整小车的运行状态。这种方法在小车高速转弯时的优点更加的突出，因为提前预算了行进的路线，转弯时就计算好了控制的方法，弥补了舵机滞后的弱点。但是单独采用摄像头时，采集信息的频率低，而且容易受到光线以及场地的干扰。另外无法对起始位置进行采集。
方案二：用摄像头和红外传感器相结合的方法对路径进行检测。加入红外传感器后，路径的选择受光线和场地的干扰大大降低，弥补了摄像头检测频率不足的缺点，同时红外传感器的电路设计以及软件编写都比较简单。但是红外传感器检测黑线的精度不高，而且检测的距离有限，功耗较大。加重了车身的重量，影响到了小车的启动能力和行进速度。通过理论上的分析以及现场测试，单独使用摄像头完全满足要求，没有必要非得加上红外传感器。
最终我们采用方案一。 摄像头方案的选择：
1.选用CCD 摄像头。采用CCD 摄像头时，采集到的图像的质量比较高。其采集到的动态效果和CMOS 摄像头采集到的动态效果相比效果也很突出。但是比较两者的功耗，CCD摄像头要高的多，电流为100mA。
2.选用CMOS数字摄像头。CMOS 摄像头和CCD相比，其功耗较低，工作
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电流只有10mA 左右。而且CMOS摄像头采集出来的图像直接转化为数字信号，提高了单片机的处理速度。综上所述，我们决定选用CMOS数字摄像头。 3.3.2 摄像头简介
摄像头有彩色和黑白两类，我们寻找路径时，是提取的图像的灰度信息，彩色图像完全用不到，因此图片的信息输出为黑白的。我们选用的摄像头芯片为OV7620，内部有一个双通道的A/D转换器，A/D转换器是10位的，它的输出是8位的图像数据；能够自动调节白平衡，能够对饱和度、对比度、亮度以及γ校正进行调节[6]，可以产生场同步信号[7]。接5V的电源，最大功耗为120mW，最小功耗为10μW。这款摄像头在电脑、手机等很多产品上都可以使用[8]。
3.4 速度检测模块
小车在运行中要保证又快又稳，这不仅要求舵机控制行进的方向，还需要将车速精确的控制在合理的范围之内，这样当小车在转弯时不至于因车速太快而冲出设定的跑道。根据所学的自动控制原理，闭环反馈系统比较稳定，将测得的车速反馈给系统，形成一个闭环系统，从而达到控制车速的目的。测量小车速度一般有以下几种方法：
方案一：霍尔传感器测速。本方法主要是通过安装的霍尔传感器接收脉冲信号来计算实时速度。具体做法是在后轮的轴上安装小型磁铁，小车行驶时，磁铁会产生脉冲。霍尔传感器安装在后轮的附近，行驶时它就会接收磁铁产生的脉冲。
方案二：投射式光电管测速。它的原理是通过采集单位时间内小车后轮上的齿槽数，来计算小车的实时速度，要用到红外光线。但是安装不方便，可靠性不高。
方案三：光电编码器测速。常用的是增量式光电编码器，将编码器的齿轮和小车后轴上的齿轮咬合在一起，小车行驶时带动编码器旋转，编码器就会产生脉冲信号，通过计算单位时间内的脉冲数计算小车行驶速度。
应用光电编码器测量速度不仅安装简单而且输出的信号波形规则，因此本设计方案采用光电编码器测速。在本系统中必须要保证编码器和后轮轴上的齿轮数成正。
3.5 舵机模块
舵机又称伺服电机。它的结构包括电位器、减数器以及电机。减数器的作用是把电机的速度减下来，同时改变电位器的位置，当电位器的电压变为零，电机停止转动，舵机转动的角度是通过电位器来改变的。舵机的信号是系统提供的PWM信号，通过改变占空比来改变舵机的转向。
3.6电源管理模块
电源模块是最基本的模块同时也是电路的最基本部分。本设计选用智能车竞
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赛专用多路电源模块，该产品为单路电池输入，多路常用电压输出，可以完全满足智能车各个模块的用电需求。电源性能稳定、结构紧促、尺寸小巧，模块化的设计对于安装方面来说十分灵活。
该车的电池参数为7.2V、2000mAh，可以多次充放电，稳定性好。它的电压不能直接供给各个模块使用，要转换为各模块需要的电压。转换好的电压要进行稳压，这样才能使整个系统稳定，不会因为电压突变影响效果。 3.6.1 3.3V电源
3.3V 主要用于单片机的供电。
在实际的应用中，电机和舵机在刚开始启动或者突然停止时，有时会造成电压突变，给硬件带来损伤，也会影响小车的正常行驶。要使电源稳定，就要安装稳压装置。本设计选用线性稳压装置，因为它的电源纹较小，符合要求。具体选用 AMS1117线性稳压芯片。具体电路如图3.7所示。
图3.7 3.3V电源
3.6.2 5V电源
本设计方案中的编码器和摄像头所需的电压相同，都为5V的电源。我们经常使用的稳压芯片有两种，分别是线性和开关稳压芯片。本设计对摄像头的电源要求比较高，输入的电源纹波必须很小才能符合条件。鉴于开关电源纹波比较大，而线性稳压电源纹波较小，故我们选择使用线性稳压芯片。实际使用中本设计选用 LM2940CT-5 线性稳压芯片。具体电路如图3.8所示。
图3.8 5V电源
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