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1、控制系统硬件设计,主要内容,MCU最小系统设计 电机及舵机驱动电路设计 光电检测电路原理与设计 图像检测原理与设计,1 控制系统的构成,一般控制系统由传感器、控制器和执行器组成。智能车中主要体现： 光电器件或器件构成的寻线传感器。 用于操纵小车行走和转向的执行器。 根据传感器信息控制执行器动作的控制器。 三者之间的关系可用如下的关系图描述。,车模,执行器,传感器,控制器,飞思卡尔杯规定了比赛用车模、控制器所使用的MCU、执行器、传感器的数量等，比赛中硬件设计所涉及的主要工作是： 设计可靠的MCU控制电路； 执行器驱动电路； 传感器电路； 进行硬件设计的工具很多，建议使用Protel99SE，该
2、软件易上手、效率高，可满足一般电路设计要求。,MC9S12DG128 的封装,2 MCU最小系统设计,MCU最小系统设计分为供电系统设计、复位系统设计、时钟电路设计、BDM调试接口设计、串口通讯设计。 2.1 MCU供电系统设计 MCU正常工作需要合理供电，为获取良好的抗干扰能力，电源设计很重要。针对此次比赛使用的电池和MCU，在供电系统设计中要充分考虑以下因素的影响：,2.1 MCU供电系统设计,系统供电电源为7.2V镍氢电池组，不能直接为MCU及其它TTL电路供电。 为保证较高的行驶速度，驱动电机需使用电池组直接驱动，故电源电压波动较大。 转向用舵机工作电压为5V，其启动电流较大，如与MC
3、U共用5V电源，会引入较大的干扰。 采用三端稳压器7805存在效率低、抗干扰能力差的缺点。,采用三端稳压器的电源设计,2.1 MCU供电系统设计,采用开关电源模块,2.1 MCU供电系统设计,升降压开关稳压电路,2.1 MCU供电系统设计,MCU供电 飞思卡尔S12系列单片机采用了若干组电源，必须很好的对这些供电电源进行良好的滤波，才能设计出抗干扰能力强的控制器。我们将MCU供电系统分为内部供电和外部供电，内部供电部分按要求采用滤波电容并合理布线即可；外部供电则需要LC滤波为好。,2.1 MCU供电系统设计,内部供电使用104224的瓷片电容滤波，PCB布线可参考下图。 外部供电滤波可采用L型
4、LC滤波电路。,2.1 MCU供电系统设计,2.2复位系统设计,复位系统：保证系统上电或复位时，使MCU处于一种确定的状态。将MCU的复位引脚置为某一固定电平并保持规定的时间，即可将其设置为复位状态（起始状态） Freescale MCU一般使用低电平复位，复位时间因MCU不同而不同（查手册），一般为几ms几十ms。,简单复位电路,2.2复位系统设计,采用复位芯片的复位电路,2.2复位系统设计,2.3 BDM调试接口设计,BDM : Background Debug Mode BDM是Freescale广泛采用的调试接口，可以实现MCU的动态调试，排除程序设计中的错误。BDM原理框图如下：,B
5、DM接口只使用RESET、BKGD、GND和VCC即可，一般以IDC6插头形式引出。其引脚定义：,2.3 BDM调试接口设计,DBM使用中一定要注意：插头且不可接反，否则芯片易损坏。设计时最好使用有定位键的接插件。,2.3 BDM调试接口设计,2.4串口通讯设计,Freescale MCU 一般至少带有一个SCI接口，通过一定的外部电路，可实现与PC机串口之间的通讯。 PC机使用的时RS232形式的接口协议，其信息表达方式不同于一般TTL信息表达方式，需要完成RS232电平与TTL电平之间的转换，以实现PC机与MCU的通讯。 利用PC机与MCU之间通讯，可方便系统调试。,SCI（Serial
6、Communications Interface） 接口有两条信号线RXD和TXD，其中RXD用于接收数据，TXD用于发送数据，两者信号均为TTL电平。 可使用RS232收发器芯片进行转换，常用的芯片MAX232、SP232等。在设计时，一定要注意芯片适用电压范围，不要用3.3V芯片代替5V芯片。,2.4串口通讯设计,典型电路,2.4串口通讯设计,MCU最小系统原理图,3电机及舵机驱动电路设计,Freescale 杯比赛使用的执行器主要是驱动电机和转向舵机。驱动电机需要设计功率驱动电路，转向舵机则只需提供电源和控制信号即可。驱动电机和转向舵机的控制信号一般由MCU的PWM模块产生，其参数的变化
7、由控制软件决定。,3.1 舵机电路设计,比赛提供的转向舵机是标准的航模舵机，其接口形式为三线接口，插接件是带有定位键的专用插件。 靠近定位键侧的为控制信号线，中间为电源线，剩下的一条为地线。 转向舵机电源电压要按使用说明书要求使用，舵机驱动电流比较大，为其供电的电源应具备提供瞬时大电流的能力，不然会影响其动作速度。,转向舵机的转向角一般接近90，转角与控制信号的关系如下： 脉冲宽度为1.5ms时，舵机处于0 位置； 脉冲宽度为2.5ms时，舵机处于90 位置； 脉冲宽度为0.5ms时，舵机处于90 位置 为使舵机具有一定的保持力矩，需要每50ms加一次控制信号。控制信号频率过高可能会影响舵机的
8、动态性能。,3.1 舵机电路设计,3.1 舵机电路设计,3.2 电机驱动电路设计,直流电机的转速与流过电枢的电流及电机所带负载有关，控制电机转速的方法很多，最常用的是控制流过电枢的电流，来控制电机转速。 为控制直流电机正转和反转，需要改变电流流动的方向。 为电机提供一定的制动能力。,单向电机驱动电路,3.2 电机驱动电路设计,双向电机驱动电路,3.2 电机驱动电路设计,电机驱动电路一般都以功率集成电路的形式提供，常见的单向驱动电路BTS442等。,3.2 电机驱动电路设计,双向驱动电路MC33886,BTS7710,BTS780等。,3.2 电机驱动电路设计,MC33886,引脚图,MC338
9、86典型应用电路,3.2 电机驱动电路设计,利用半桥可以构成驱动能力很强的H桥驱动电路，如利用BTS7960可构成驱动能力很强的直流电机驱动电路。,3.2 电机驱动电路设计,3.2 电机驱动电路设计,设计中注意问题 大电流线和接地线要粗。 电源滤波好。 续流二极管的使用与选取。 电磁干扰问题。 与电源的引线连接。,3.2 电机驱动电路设计,4 光电检测电路原理与设计,光电检测电路主要用于寻线传感器和转速传感器的设计。比赛中，正确寻线和测量转速是控制车模的必要条件。 采用光电传感器具有电路简单、响应速度快的优点。缺点是消耗电流较大、抗外界干扰能力差。 实战中可选择抗干扰能力好，对白色反射能力强、
10、对黑色反射能力弱的光电对管。,基本原理,4 光电检测电路原理与设计,发光 二极管,光敏 三极管,发光二极管驱动电路可采取常亮驱动；优点是电路简单，缺点是消耗较多的电流，一般驱动电流需要550mA。 采用脉冲供电方式，可节约 较多电能，但需要外围电路 配合工作。,4 光电检测电路原理与设计,光电接收电路设计 光电接收电路决定系统的抗干扰能力，合理选择门限电平是提高抗干扰能力的重要方法，一般光电接收电路如下。,4 光电检测电路原理与设计,对输出信号进行处理，以判断是黑色还是白色。可以使用AD转换，将采样的数据与门限置比较，以确定是白还是黑。 也可以利用施密特电路，但此方法需要反复调节接收灵敏度。 为确保电路工作可靠，需对使用的发光管和光敏管进行匹配和筛选。 选择波长合适的收发管。,4 光电检测电路原理与设计,基本原理 CCD和CMOS的选择,4 图像检测原理与设计,摄像头供电设计,4 CCD图像检测原理与设计,LM1881 视频同步信号分离芯片,4 图像检测原理与设计,驱动电路设计,4 图像检测原理与设计,总体原理图,总体PCB,总体PCB,总体PCB,智能车控制系统硬件通常包括哪些模块，并说出各模块的作用？,作业,