小車自動停車入庫系統設計_畢業設計說明書-資料下載頁

【導讀】現了小車自動停車入庫系統。該系統將Freescale16位單片機MC9S12XS128作為系統微。識別電路及對管定位電路，并介紹了電路相關參數的計算方法。自動從車場入口行駛至指定空車位，并準確停車入庫。通過CCD攝像頭采集道路信息并。像頭來提取信號燈的指向，進而指引小車正確駛向車庫。

　　

【正文】 電流。 在有紅外線光照時， 攜帶能量的紅外線光子進入 PN 結后，把能量傳給 共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子空穴對 。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電 流也越大，這種特性稱為光電導 。紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產生 的電流叫光電流 [25]。如果外電路上存在負載，負載上的電壓信號就會隨之光強度的變化而變化。 在本次實驗 中選用的 3個是 NPN常開型紅外接收三極管，發射管是紅外發射二極管，其有效距離是 50厘米。右側車庫接受管的信號引腳與單片機 PT2口連接，左側車庫接受管的信號引腳與單片機 PT3口連接，十字路口接收管的信號引線與單片機 PT4口連接。紅外接受與單片機的連接如圖 312所示。 圖 312 紅外接受管電路 由紅外接受管的特性可知，在輸出和正極之間串連一個 1K 左右的上拉電阻可直接接單片機的 IO 口，當紅外接收管沒有檢測到信號時，其信號輸出端在上拉電阻的作用下呈現高電平；當有紅外信號射向接收管時，其輸出端呈現為低電平。 21 第四章 軟件設計 主函數 主函數是整個程序的入口，實現軟件功能的主體，這里主要完成的任務是對系統進行初始化及在不同條件下調用各種函數 [26]。初始化程序包括參數初始化、鎖相環初始化、輸入捕捉初始化、定時初始化、 PWM 初始化以及 AD 初始化。通過輸入捕捉功能檢測單片機 PT2 口、 PT3 口和 PT4 口電平的高低變化，從而改變程序調用參數 cx 的數值，根據 cx 的大小決定主函數調用各子函數。當 cx的值為 0 時，執行自動循跡子程序，通過單片機內部 AD 對 CCD 攝像頭的數據采集，判斷出小車與中心黑線的偏差，將偏差送給舵機 1 子程序，調整小車的狀態；當 cx 的值為 1 時，說明小車已經行駛到十字路口，同樣用 AD 將信號燈的數據采集出來，通過辨別信號燈的指向，確定小車的轉向。當 cx 的值為 2 時，說明智能車已經行至車庫，則執行入庫程序，這里主要利用單片機的定時器功能，通過定時來控制電機方向和舵機轉角，至此整個程序運行結束。主程序流程如圖 41 所示。 NNNYYY開 始系 統 初 始 化參 數 c x = 0小 車 自 動 入 庫車 道 信 息采 集 及 處 理交 通 燈 信 息采 集 及 處 理舵 機 控 制 1舵 機 控 制 2參 數 c x = 1參 數 c x = 2 圖 41 主程序流程圖 22 初始化程序設計 鎖相環初始化設計 單片機一般采用內部振蕩的方式為其提供時鐘源，振蕩器時鐘二分頻后作為 MCU內部總線時鐘。如果想要系統有更加快速的 運行速率，那么可以通過提高內部總線時鐘頻率的方法實現，但過高的外部時鐘容易受到干擾，同時其也會影響其他器件的正常工作。 MC9S12XS128 單片機內部集成了時鐘產生模塊，可利用外部穩定的振蕩器頻率，鎖定內部更高的壓控振蕩器頻率作為系統時鐘，其鎖相環時鐘可達 80MHz，即使內部總線時鐘達到 40MHz[27]。 與鎖相環相關的寄存器有時鐘分頻寄存器（ REFDV）、時鐘合成寄存器（ SYNR）、鎖相環控制寄存器、時鐘產生標志寄存器、時鐘后分頻寄存器以及時鐘選擇寄存器。其中后分頻寄存器用于設定 ?VCOCLK 與 ?PLLCLK 之間的頻率比例，一般比例為 1， ?VCOCLK為內部壓控振蕩器頻率， ?PLLCLK 為鎖相環時鐘頻率；時鐘選擇寄存器用于控制總線時鐘的選擇，這里選擇鎖相環時鐘頻率的二分頻作為內部總線的時鐘；鎖相環控制寄存器用于確定鎖相環的功能；時鐘分頻寄存器和時鐘合成寄存器用于確定鎖相環與內部總線的時鐘頻率，內部總線時鐘頻率 ?BUSCLK 的計算方法入式 41 所示。 ?BUSCLK=?PLLCLK/2=?VCOCLK/2=?OSCCLK?(SYNR+1)/(REFDV+1) （ 41） 上式中 ?OSCCLK 為外部振 蕩器的頻率，即 ?OSCCLK 等于 16MHz； REFDV 的值由時鐘分頻寄存器的后 5 位確定，為了使鎖相環穩定，應該選擇盡可能大的 REFDV，綜合考慮到其他因素，程序中設置其值為 1； SYNR 的值由時鐘合成寄存器的后 5 位決定，設計中要求內部總線的時鐘頻率達到 40MHz，所以這里設置時鐘合成寄存器的值為 0x44，即 SYNR 的值為 4。 TIM 模塊初始化設計 MC9S12XS128 單片機內部設置有定時器 TIM 模塊，其全稱是 Timer Module，這部分可以完成輸入捕捉、輸出比較和脈沖累加等功能，可用于測量輸 入波形、產生輸出波形、統計脈沖或邊沿個數，還可用于作為時間基準使用。 TIM 模塊的主要組成部分有 1個 16 位自由運行計數器、 1 個 16 位脈沖累加器和 8 個 16 位輸入捕捉 /輸出比較通道，通過可編程預分頻器為其提供時鐘源 [28]。這里使用的是 TIM 模塊的輸入捕捉功能，輸入捕捉功能是通過捕捉 16 位自由運行計數器的計算值來檢測外部事件和輸入變化的。 23 捕捉端口 PTO 用于檢測視頻的行同步信號，捕捉端口 PT1 用于檢測視頻的場同步信號，捕捉端口 PT2 用于檢測交叉口的對管信息，捕捉端口 PT3 用于檢測右車庫信息，捕捉端口 PT4 用于檢測左 車庫信息。 與輸入捕捉功能相關的寄存器有定時器系統控制寄存器 1（ TSCR1）、定時器輸入捕捉 /輸出比較選擇寄存器（ TIOS）、定時器控制寄存器 3（ TCTL3）、定時器控制寄存器 4（ TCTL4）及定時器中斷使能寄存器（ TIE）等。其中 TSCR1 寄存器控制定時器的使能位； TIOS 寄存器用于選擇定時器的具體功能，清零時相應通道起輸入捕捉的作用，置一時相應通道起輸出比較的作用，硬件上需要 5個輸入捕捉端口，因此 TIOS的值為 0xe0，即通道 0、 3 和 4 作為輸入捕捉端口； TCTL3 和 TCTL4 是輸入捕捉邊沿控制位 ，程序上將其分別設置為 0x01 和 0x55，也就是說 5 個端口都是上升沿捕捉； TIM 寄存器控制定時器的中斷使能位。 PIT 模塊初始化設計 周期中斷定時器 PIT 模塊的全稱是 Periodic Interrupt Timer，其主要作用是周期性產生中斷和外設模塊觸發，其包含 4 路 24 位定時器，程序中利用 PIT 模塊實現定時功能。PIT 模塊的工作原理是：通過片內總線時鐘的 8 位微計數器減一操作完成，當此微計數器的數值減到 0 時，就會觸發高 16 位計數器做一次減一操作，如此循環計數直到這兩個計數器的數值都減到 0，則就會 產生定時器溢出中斷，從而完成計時功能。 XS128 單片機的這部分有運行、等待、停止和凍結四種工作模式 [29]。 設計中決定 PIT 模塊定時時間的寄存器是微定時器加載寄存器和加載寄存器，其中微定時器加載寄存器是給微定時器 0 和 1 裝載數據的，加載寄存器為 16 為計數器裝載計數初值。如果 16 位計數器和 8 位微計數器對應的加載寄存器的值分別是 A 和 B，則定時器定時時間的計算如式 42 所示。 T =(A+1)?(B+1)/?BUSCLK （ 42） 在上面已經設計了 系統內部總線的時鐘頻率為 40MHz，這部分設計要求定時最小時間為 100ms，再通過這個時間進行更大時間的計時，則 A 的值為 19999， B 的值為 199。此外，其他的寄存器決定了 PIT 的主要工作功能，定時器的定時通道選擇 0，多路選擇寄存器的值設置為 0x00，即設定通道 0 連接的微定時基準計數器也是 0，同時要開啟定時器中斷使能。 24 PWM 模塊初始化設計 脈沖寬度調制 PWM 是嵌入式應用系統的常用功能之一，即產生一個在低電平和高電平之間交替重復的方波輸出信號，通過軟件編程可以調節方波信號波形的占空比、周期以及 相位。 S12XS 系列單片機可以通過兩種方式產生 PWM 信號，一種是利用 TIM 模塊的比較功能，另一種是采用 MCU 內置的 PWM 模塊實現，前者可通過軟件編程設定輸出任意脈沖信號，但其不易產生精確的脈沖序列，后者專門用于輸出 PWM 信號，而且占用的 CPU 資源極少。 MCS12XS128 內置的 PWM 模塊包括 8 路具有可編程周期和占空比的 PWM 通道，亦可通過設置變為 4 個 16 位的 PWM 通道，每個通道由獨立運行的 8 位通道計數器、通道周期寄存器和占空比寄存器等組成 [30]。 設計中用到 3 路 PWM 控制，即舵機控制和電機控制，其中電機要 實現正反轉，所以電機需要兩路 PWM 控制。將 PWM 控制寄存器的值設置為 0x70，實現通道 0 和 2和 4 和 5 的 16 位級聯；極性寄存器決定了先輸出電平的高低，則設置其的大小為 0xff，PWM 信號在周期開始時輸出高電平，達到占空比計數后翻轉為低電平；要輸出精確的脈寬調制信號，首先要選擇和設置時鐘參數，程序中設置預分頻時鐘選擇寄存器為 0x33，即時鐘 A 和 B 的頻率為總線頻率的四分之一（ 40/4=10MHz）。比例因子 A 寄存器和比例因子 B 寄存器的值都為 20，即時鐘 SA 和 SB 的頻率為時鐘 A 和 B 的四十分之一（ ）。選擇時鐘 SA 作為通道 1 和 5 的時鐘源，選擇時鐘 SB作為通道 3 的時鐘源，即時鐘選擇寄存器的值為 0x2a； PWM 的周期可由通道周期寄存器（ PWMPER）來設置，周期計算如式 43 所示。 P W M P E RT ?? 時鐘周期 （ 43） 上面已經設置了時鐘周期為 4 毫秒，又因為要求 PWM 周期為 20ms，由此可計算出通道周期寄存器的值為 5000。信號的占空比可由通道占空比寄存器（ PWMDTY）來調節，具體計算如式 44 所示。 %10 0/ ?? P W M P E RP W M D T Y占空比 （ 44） AD 轉換初始化設計 CCD 攝像頭輸出的是模擬信號，而單片機只能接受數字量進行計算，所以需要將CCD 的模擬信號轉換成數字信號。轉換方法可以利用專用的 AD 轉換器實現，這種方法轉換速度較快，但需要設計相關的外圍電路，也可以用 XS128 單片機內置的 AD 模塊， 25 為了充分開發單片機的內部資源，這里使用第二種方法。 MC9S12XS128 內部包含 16 路模擬輸入通道，轉換位數有 8 位、 10 位 和 12 位三種，具有數據對齊方式、單次 /連續轉換、結果比較等多種轉換方式 [31]。 設置 AD轉換結果為 8位右對齊的數據，即 AD控制寄存器 1和 5的數值分別為 0x00、0x20，由此可知 AD 的轉換精度為 28，因為單片機的參考電壓輸入為 0～ 5V，所以 AD轉換的最小分辨電壓為 毫伏。 AD 的轉換時鐘可由控制寄存器 4 來確定，計算如式45 所示。 ?ATDCLK=?BUSCLK/(2?(PRS+1)) （ 45） 上式中的 PRS 由控制寄存器 4（ ATDCTL4）后四位對應的十進制數決定 ，設置 AD時鐘預分頻因子時，要使 ?ATDCLK 的值不小于 ，同時不大于 ，所以設置控制寄存器 4 的值為 0x04， ATDCTL4 的高 4 為決定了采樣時間與轉換時間的倍數，即采樣時間是 AD 轉換時間的 4 倍，所以 AD 的進行一次轉換所需的時間為 1 微妙，而CCD 攝像頭輸出信號每行持續的時間為 40 毫秒，也就是說通過單片機內部 AD 每行可以采集 40 點，但實際實驗中每行只能采集 20 點。此外，設置 AD 模塊在連續轉換模式下工作，其轉換結果從結果寄存器的第一位開始依次存放，用到最后一個結果寄存器，再返回到第一個接著 存放。 道路模塊程序設計 道路信息采集程序設計 道路模塊主要實現的功能是通過采集道路黑線信息調整小車的狀態，上面已經介紹了通過單片機內部 AD 可以對畫面上每行采集 20 個點，由 CCD 攝像頭的原理可知，每場畫面上包含 300 行左右，而這里并不需要對每一行的信息都進行采集，而且又考慮單片機的運行速率，設計中設置每場畫面采集 37 行，采集的行信息用數組 get_n[]來表示。因為在 AD 初始化中設置其為連續轉換模式，所以采集每行點的數據值依次存放在 AD的 16 個結果寄存器中，這就要求在提取數據的過程中也要依 次讀取這 16 個寄存器。對于每個點采集到的數據，可以直接用于數據處理，也可以對其先進行二值化再做數據處理， 因為車道是在白色底板上鋪設黑色引導線，因此干擾比較小，黑線與白色低板在攝像頭中轉換的電壓值差距很大，根據實驗可知，黑線在單片機中反應的數字量在 90 左右，而白色底板在單片機中反應的數字量在 140 左右，所以設置二值化的閥值為 130。而在采集信號燈的過程中并不需要對采集的數據進行二值化處理。 硬件設計中用單片機 26 的輸入捕捉來采集攝像頭的行場中斷，所以在軟件設計中，將數據采集模塊放在行中斷里面。攝像頭采集數據程序流程 如圖 42 所示。 NNNN行 中 斷 開 始清 行 中 斷 標 志 位行 參 數 r o w 加 1