原鵬亮+陳劍雪+王冰鑫

【摘 要】本文主要介紹以K60芯片為主，配合外圍電路，利用傳感器來(lái)進(jìn)行路徑識(shí)別的硬件的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程。整個(gè)過(guò)程使用Altium Designer軟件完成原理圖與PCB的繪制，所設(shè)計(jì)主板配合相應(yīng)程序能夠?qū)崿F(xiàn)路徑識(shí)別和人機(jī)交互，為參加智能車(chē)競(jìng)賽提供了硬件保障。

【關(guān)鍵詞】K60；硬件；智能車(chē)競(jìng)賽；人機(jī)交互

一、引言

在本次大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃中，我們選擇了“基于K60的智能車(chē)主板”設(shè)計(jì)。在智能車(chē)競(jìng)賽中，程序是核心，硬件是基礎(chǔ)，一個(gè)穩(wěn)定的主板將為智能車(chē)調(diào)試帶來(lái)方便。在本次的項(xiàng)目中，我們組內(nèi)明確分工，分別完成資料收集、元器件購(gòu)買(mǎi)、原理圖繪制、元器件焊接等任務(wù)。硬件設(shè)計(jì)使用Altium Designer完成，設(shè)計(jì)中我們總結(jié)了自己參加競(jìng)賽時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，集成了能夠使得程序調(diào)試更為簡(jiǎn)單的外圍電路。通過(guò)此次項(xiàng)目，使得我們對(duì)硬件的理解更為深刻。

二、設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要是硬件設(shè)計(jì)，軟件方面只做相關(guān)測(cè)試，概括的說(shuō)是由傳感器（如攝像頭、CCD、電感等）采集賽道信息，經(jīng)信號(hào)處理電路（濾波、信號(hào)放大等）將信息傳輸給K60主控制器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)算法對(duì)賽道進(jìn)行識(shí)別。輸出控制信號(hào)，控制轉(zhuǎn)向和動(dòng)力機(jī)構(gòu)（舵機(jī)、電機(jī)）來(lái)調(diào)整車(chē)身位置。為了能夠增加靈活性，我們?cè)谥靼迳咸砑恿巳藱C(jī)交互模塊。這樣一來(lái)主板電路主要有電池接口、傳感器電路及其接口、舵機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、編碼器接口、TFT液晶顯示屏插座等。（系統(tǒng)框架如圖1）

三、軟、硬件設(shè)計(jì)

主控制器模塊：主控制器使用MK60DN512VLQ10單片機(jī)。K60 系列微控制器具有IEEE 1558以太網(wǎng)，全速和高速USB 2.0 On-The-Go帶設(shè)備充電探測(cè)、硬件加密以及防篡改探測(cè)能力，具有豐富的模擬、通信、定時(shí)和控制外設(shè)。K60含有的功能模塊包括：串行通信UART、GPIO、定時(shí)器、A/D、D/A、CMP、TSI、SPI、I2C、I2S、CAN、USB、SDHC以及存儲(chǔ)模塊。芯片正常工作需要簡(jiǎn)單的外圍電路，這些電路包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、下載電路。

傳感器模塊：在實(shí)際使用中我們用來(lái)采集賽道信息的傳感器可能是多種多樣的，這里我們使用攝像頭。傳感器通常不會(huì)集成在主板上，這樣方便調(diào)整機(jī)械位置，并且容易更換。所以，我們?cè)谥靼迳狭粝孪鄳?yīng)的接口電路。智能車(chē)高速運(yùn)行中對(duì)圖像的要求很高，必須保證得到的一幅圖像不失真，后續(xù)的程序才能正常運(yùn)行。這里選取了基于MT9V032芯片的“總鉆風(fēng)”攝像頭，這款攝像頭帶有 CMOS 全局快門(mén)，即：在曝光前整個(gè)圖像重置，像素可在曝光時(shí)間積累電荷；曝光結(jié)束后，每個(gè)像素積累的電荷同時(shí)傳送到屏蔽光的存儲(chǔ)區(qū)域；然后信號(hào)從此區(qū)域讀出。因所有像素同時(shí)重置，曝光積分同樣的間隔，同時(shí)傳輸?shù)焦馄帘未鎯?chǔ)區(qū)域，對(duì)移動(dòng)物體來(lái)說(shuō)沒(méi)有形變。此外，要實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)速的閉環(huán)控制，我們還會(huì)在主板上設(shè)計(jì)編碼器接口。

電源模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)MK60FN1M0VLQ15采用3.3V供電，另外還有攝像頭、液晶顯示屏、撥碼盤(pán)及按鍵采用 3.3V 供電，考慮到單片機(jī)及攝像頭對(duì)電源的低紋波要求，我們選用了線性低壓差穩(wěn)壓源LP38690-3.3做穩(wěn)壓芯片，輸出電流可達(dá)1A，能很好的滿足系統(tǒng)要求。另外采用LP38690-5.0對(duì)7.2V進(jìn)行5V穩(wěn)壓。

人機(jī)交互模塊：為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的目的，本設(shè)計(jì)將TFT液晶顯示屏放在了系統(tǒng)主板上，并且可以使用撥盤(pán)和按鍵改變智能車(chē)行駛參數(shù)。這種設(shè)計(jì)大大提高了智能車(chē)的調(diào)試效率。另外我們還添加了蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路和“藍(lán)牙”通訊接口，這樣調(diào)試結(jié)果將會(huì)更為直觀，而且方便將數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦，運(yùn)用電腦處理數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)軟件：主板完成后，需要軟件來(lái)測(cè)試板子是否能正常工作，程序使用IAR平臺(tái)進(jìn)行編寫(xiě)和調(diào)試。主要檢測(cè)主板上的各個(gè)接口是否正常工作。

四、項(xiàng)目原理圖

圖2是主板的部分原理圖。其中包括攝像頭接口、顯示屏接口、兩個(gè)編碼器接口、電機(jī)和舵機(jī)控制信號(hào)輸出接口以及六路撥碼開(kāi)關(guān)。

為使車(chē)模整體更輕巧，更精簡(jiǎn)，我們根據(jù) K60 技術(shù)手冊(cè)所列舉的外圍電路自行設(shè)計(jì)并制作了最小系統(tǒng)板，并將其集成在主板上。

五、項(xiàng)目體會(huì)

本次項(xiàng)目是基于K60的智能車(chē)主板設(shè)計(jì)，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了麻煩，但在仔細(xì)分析問(wèn)題后都找到了問(wèn)題所在。這次的科研訓(xùn)練是理論運(yùn)用于實(shí)踐的過(guò)程，也是實(shí)踐反哺于理論知識(shí)，二者互相提升。當(dāng)然，團(tuán)隊(duì)合作是很重要，項(xiàng)目的實(shí)施離不開(kāi)每個(gè)人的協(xié)調(diào)合作，正是大家的共同努力，項(xiàng)目才能圓滿完成。

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