智能电路设计与制作范文

导语：如何才能写好一篇智能电路设计与制作，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

1整车系统设计思路

智能小车控制系统采用MK60DN512作为核心控制单元，由安装在车身支架上的OV7620数字摄像头负责采集道路信号；智能小车后轮安装有光电测速传感器，用来采集车轮的转速数据，并将信号传到核心控制单元进行分析处理，处理完毕后反馈到相应的驱动模块，驱动舵机和电机运转，从而完成智能小车的转向、前进及制动[1]。智能小车控制系统包括以下模块：MK60DN512最小系统、转向舵机模块、电机及其驱动模块、速度反馈模块、摄像头视频信号处理模块和电源管理模块[2]。

2智能小车机械结构设计

在智能小车机械结构的设计与安装调试时，需要考虑以下几个方面：

1）智能小车在安装过程中的可靠性与行驶过程中的稳定性。

2）智能小车在安装过程中的轻便简洁性。

3）是否能够方便准确地进行数字摄像头OV7620的检测与调试。

4）车体保证较低的重心以确保智能小车顺利转弯、加速。

经过不断地调试、摸索、对比之后，完成了对智能小车机械结构的初步设计，主要内容有以下几个方面：

1）为了减少转向舵机的力臂滞后时间，将舵机直立架在车前，并使用专业的金属框架牢牢固定住，以防松动，避免影响舵机转向角度的准确性。

2）数字摄像头OV7620及其支架安装在车身中部，减少车前数据采集盲区，将车身重心略微前移，防止智能小车转弯时侧滑，增加智能小车的弯道通过性。

3）为了减少车身质量，采用了强度高、质量轻的碳纤维管。

4）在底盘设计上，底盘是支承、安装各部件的总成，是形成智能小车整体造型结构的基础；可以接受电机传递的驱动动力，带动智能小车行进，以保证智能小车在跑道上的快速行驶。由于合适的重心对于小车过弯性能和小车速度这两个方面起了很大的作用，适当地调整前后底盘高度，使得智能小车车模整体重心下降到合理位置，既可以顺利过坡，又不会与跑道摩擦接触。

3智能小车硬件电路系统设计

3.1智能小车总体电路设计

通过简化总体硬件电路设计方案，采用模块化设计方案，减少不必要的电子元件的使用，就可以有效地减轻PCB板的使用质量及其占用智能小车的有效空间，从而达到轻量化的目的。硬件电路总体结构设计如图2所示。

3.2电源分配板的电路设计

采用比较节能的线性稳压电路设计方案。电源分配如图3所示。TPS7350是一款差线性电源稳压芯片，它具有功率消耗低、额定电压小等特点，而且只需极少的元件就能够构建满足智能小车硬件电路设计要求的稳压电路，该芯片还拥有过流、过压及电压反接等电压保护设计，能够有效地保护智能小车的硬件电路，避免电压过大或电流反接而导致的硬件电路烧毁事件的发生。

3.3电机驱动板的电路设计

采用由BTN7970B驱动芯片搭建的H桥电路设计方案，减小驱动电路的内阻，增大额定承载电流，可以让智能小车获得更大的加减速度及提高在直道上行驶的极限速度。H桥电路原理如图4所示。

4智能小车的软件系统设计

智能小车系统软件设计部分主要有：图像采集及处理、道路判断、舵机打角、电机控制以及速度信息反馈处理等。

4.1图像采集及处理算法

OV7620能够提供的三种数据制式中，采用YUV16位数据制式来提取Y信号亮度信息，生成黑白图像，同时采用HREF-行同步信号、VSYNC-场同步信号来作为图像数据采集的控制信号[4]。为了提高智能小车控制系统的实时性，视频图像信号采集采用外部中断触发的方式进行。采样系统的程序流

4.2路径优化

1）增加智能小车摄像头视场的长度和宽度。根据实验调试的观察，当智能小车采集到的图像能够覆盖比较完整的S弯道时，通过微处理器计算出来的中心就会处于实际道路中央附近，此时智能小车会以一个比较好的路径快速通过S弯道；反之智能小车容易误处理为普通的单向弯道，这样导致智能小车的行驶速度大大减慢。因此，尽量增大摄像头视场的长度和宽度就很有必要了。由于视场的长度与单片机处理的图像行数成正比，所以采用由运算放大器制作的模拟比较器进行图像二值化，可以令单片机的处理速度大大提高，增加了单片机处理的图像行数，达到的视场长度为200cm以上；为了增加视场宽度，除了增加每行采集的图像点数之外，采用了广角镜头，有效地增加了摄像头视场的宽度。

2）进行加权算法的相关优化。采用对整场有效行的中心加以求加权平均值的算法，在低速情况下可以有效地优化智能小车的行进路径，但在智能小车速度提高到一定程度之后，由于过弯时轮胎的侧滑，路径不是很好找，而且由于数字摄像头采集图像分布不均，基本上2/3的行分布于车体前方40cm左右的范围内，所求出的加权平均值容易受车体近处的图像影响，因此整场图像求加权的算法对于高速情况下智能小车的路径选择优化效果不太明显。考虑减小车体前部一定范围内的图像参与加权的行数和权重，同时增大摄像头视场前部图像的权重，最后经过调试得到了一套较为合适的数据，使其能够有效优化高速情况下的智能小车的路径算法。

5结论

篇2

培训内容的确定，结合职业岗位定位，选择与实际电路产品相关的案例，面向应用，因用而学，学以致用。以丙级为例，其具体案例如：（1）时序逻辑电路设计与制作：设计制作一个数位电子钟。（2）组合逻辑电路设计与操作：①半加减法器；②具有智能控制的2to4译码器；③具有优先权的4to2编码器；④4to1多任务数据选择器；⑤1to4多任务数据分配器。（3）CPLD设计与应用：①电子骰子控制；②二位数计时器；③红绿灯控制。

2培训的组织实施

培训的实施采用面向职业岗位，以工作任务为引领，教学做一体的项目教学法进行培训授课。如表2，即为实用丙级的实施方案示例。

3培训的鉴定认证

培训的鉴定认证，是参照台湾嵌入式系统发展协会的职业能力认证考核标准，制定出包括PLD电子设计专业知识和职业技能兼具的鉴定认证系统，从专业知识和工程实践技能两大模块分别进行考核鉴定。在实用丙级中，专业知识模块由100道选择题组成，由在线测试系统（OSTS）从题库中以随机方式产生，以考核学员对专业知识的掌握。而实践技能的考评，主要包括组合逻辑电路的设计与操作、时序逻辑电路的设计与制作、综合逻辑电路的设计与应用以及数位逻辑功能的模拟与纪录等四个项目，规划为二个阶段来进行：第一阶段主要考量学员对于传统数位逻辑电路的设计及制作能力，其中包含逻辑化简、电路设计、电路板规划、组件辨识及焊接等能力；第二阶段则考量有关CPLD的设计与应用能力，包含功能分析、工具使用、电路设计、程序撰写以及功能模拟纪录等能力。

4结束语

篇3

关键词：语音识别；LD3320；STC10L08XE

随着科学技术的进步，智能轮椅的研究已经成为一个热点问题，智能轮椅在作为助老/助残智能服务机器人得到广泛应用。在普通轮椅中加入语音识别技术，用语音命令来控制轮椅的各种运动给用户带来了极大的便利。本文对智能轮椅的设计做了简单的研究。

1 主控单元

智能轮椅的核心主控单片机是STC10L08XE，该芯片的特点是高度集成，资源丰富，便于二次开发，支持多种语言编写。根据LD3320输入信号STC10L08XE单机片输出信号为高低电平，控制电机的转动和停止。

2 电源模块

智能轮椅的电源由7.5V充电锂电池提供，为了满足电源的独立性，避免相互之间的干扰，各供电系统都采用单独的稳压芯片处理提供， 7.5V充电锂电池直接给直流电机提供直流电源，满足电机转动。 LD3320，主控STC10L08XE所需要的的3.3V直流电源，由7.5V充电锂电池输入经过LM1117稳压管输出，为了保证稳压管的性能和稳定性，可在中间串两个二极管。LM1117是电子制作中常用的稳压3.3V的稳压管。电路设计中添加电容，为了提高其稳定性，防止自激振荡影响性能。另外该电路具有限流的功能，提高了保护性能。

L298N是红外避障模块，所需的5V电源由LM7805稳压管提供。采用LM7805，是因为该电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用可靠、方便，且价格便宜。电路设计中采用三端固定集成稳压电路，旁电容提高了其稳定性，

3 语音识别模块

语音模块采用LD3320，LD3320 芯片是一款“语音识别”专用芯片，由 ICRoute 公司设计生产。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括 AD、DA 转换器、麦克风接口、 声音输出接口等。本芯片在设计上注重节能与高效，不需要外接任何的辅助芯片 主要特征有： 通过 ICRoute 公司特有的快速而稳定的优化算法，完成非特定人语音识 别。不需要用户事先训练和录音，识别准确率 95%。

4 红外避障模块

红外线避障电路是智能轮椅的“眼睛”，其性能的好坏和抗干扰能力的强弱受外界可见光的影响较大，因此用250Hz的信号对38KHz的载波进行调制，这样能减少外界的一些干扰。 接收管采用HS0038A2型号，输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。避障电路采用红外线发射与接收原理，利用单片机产生250HZ和38KHz信号，并利用单片机的中断对红外线发射管进行调制发射，发射距离远近由RW调节，由于本设计的小汽车行驶速度较快，所以调节避障距离为80cm左右。发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出TTL电平。利用单片机的中断系统，在遇障碍物时控制电机并使小车停止。

5 实物效果测试

为了验证智能轮椅的性能效果，我们将基于语音识别的智能轮椅进行实物效果的测试，测试跑到为宽120CM的跑道，包含两个直角弯道。轮椅的速度为v表示a《V《b，语音发出到智能轮椅转动完成所用的时间为T表示，发令时距离障碍物间的距离为S.避障的测距门限80CM小于障碍物间的距离120CM，这样智能轮椅可以转弯，并始终保持与障碍物间的一定距离，保证轮椅的安全通过。s-v t=80cm

根据实物测试，智能轮椅必须在一定的运行时间下，保证其在不加速或减速过程中，开始执行语音命令，才能完成所需控制，速度V由电机供电电压决定，经过实物多次测试与调试，测量结果显示当电机的电压为7v时效果比较明显，控制效良好。

6 结束语

本文介绍的方案是基于STC10L08XE单片机的语音识别智能轮椅，语音识别芯片LD3320是一个非特定语音识别系统，这样可以省去大量的语音训练与调试精力，同时也能满足了大部分使用者同时使用。效果良好，对普通话要求不太严格，经过多次实物的调试与测试，整个系统响应良好，语音识别度较高，控制反应短。整个控制系统结构简单，易于操作，性能优良，证明此方案设计正确。在保证效果的前提下，简单的解决了现在市场所存在的智能轮椅价格昂贵，维修复杂，操作复杂的问题。

参考文献

1.于庆栋《智能轮椅语音识别与控制系统的研究与实现》2012.3

2.王仁杰《智能轮椅驱动控制与避碰的研究》2009.12

3.何清华 黄素平 黄志雄《智能轮椅的研究现状和发展趋势》

篇4

关键词：智能手机；硬件系统；低功耗

中图分类号： TN07 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）06-150-2

引言

智能手机在市场上的首次出现，就受到了广大消费者的青睐和认可。智能手机在操作、系统，以及软件的多样化应用上丰富了人们的业余生活。在早间、晚间的地铁车站，随处可见排队等车的上班族拿着自己心爱的手机搜索自己想要知道的信息。智能手机的应用不断更新丰富使得手机的功率消耗成为用户体验过程中的首要问题，需要通过技术创新实现改变调整。

1 简述智能手机硬件结构

现今市场上大众化的智能手机产品在手机的硬件结构上存在着一定的共同点。关于智能手机硬件结构系统中损耗最大的部分主要是指手机的主处理器部分、无线Modern部分、传声器部分、扬声器部分、LCD部分、以及背光灯部分等。主处理器部分主要负责控制智能手机的整个系统，一般助力器皆采用开放型的操作运行系统，通过数字基带控制芯片进行语音信号的转变，实现A/D或者反向的语音转换，可以对编解码、无线猫进行时间顺序上的控制。具有先进内核技术的CPU芯片可以帮助主处理器在实现长时视频功能的同时减少内核的运行压力，实现语音、摄像、解码工作的有机结合。大多数的智能手机硬件结构中，无线猫加上电路，就可以完成一部手机的制作，语音功能的实现主要依靠ABB和负责语音视频的解码器共同完成。

2 智能手机产生功耗的原因

2.1 CPU系统产生功耗

智能手机上市后，用户的第一体会就是新型的智能手机应用数量繁多、趣味性得到较大提升，但是，智能手机的续航能力却大大不如从前的普通商务手机。许多手机生产商家在进行产品预售宣传时经常会提到本公司新产品的高续航、低消耗的问题，吸引顾客前来购买。事实上，不管商家所言是否属实，CPU芯片的确不断朝着低功耗的方向前进者。然而，CPU的功耗仍然占据整部手机的最大功耗比例。智能手机在制作过程中涉及单核双核的问题，特别是现今安卓系统手机已经出现了四核，甚至八核的智能手机，旨在提高手机运行的流畅性。但是，通过数据计算显示，核数越大，相应功耗也成倍扩大。经过电路功耗的动态计算公式显示，CPU的功耗大小与电路中供电部分电压的平方数成正比例关系，和电路中工作的频率也成正比例关系。

2.2 背光灯工作产生功耗

市场上大部分的智能手机皆使用液晶显示电容屏，背光灯在手机使用的能耗中占据较大的比例。例如，制作一部屏幕为3.5英寸的手机，所需背光灯的数量为六颗，只有这样做才能充分保证屏幕亮度的均匀性。一颗背光灯的工作电压是3.1伏特，通过串联的连接方式将六颗LED灯连接起来所需电压为18.6伏特。从电流的数据统计方面看，一颗背光灯的正常工作所需电流为20毫安，六颗背光灯若同时开到最亮状态，则需要耗费372兆瓦的电量。试想一下，人们将手机亮度开到最亮状态，然后进行手机视频、手游应用的使用，每段使用的时间不少于一个小时，那么，对于手机的功耗压力则是不可估量的。在日常的手机使用过程中，人们为了省电，通常会将手机的屏幕亮度降到最低来延长手机的续航，这个方法是用户的无奈之举，可以治标但是不能治本，硬件损耗技术不断革新发展才是p少此类问题的关键。

2.3 射频部件系统以及其他部件的功耗

射频部件系统也是智能手机高损耗的一个主要因素。智能手机的射频部件中放大器是导致功率消耗巨大的重要部件，主要是因为放大器的电路设计有缺陷，电阻的选用和接入不合理，导致放大器的功率较大，进而消耗较多的电能。在以后的研究发展中，应该重点考量射频系统的优化问题。其次，系统本身的功耗能力设计也决定了手机整体的功耗能力，用户在使用手机应用的过程中，对于一项功能使用的时间上具有不确定性，所以生厂商应该提前思考手机使用的各种可能性，优化系统损耗能力。再者，现今大多用户喜欢使用无线设备接入互联网，此类连接方式的功耗在一定程度上高于手机流量上网的功耗，且无线连接的耗能大小与信号强弱有着一定的联系。

3 关于降低功耗的设计

3.1 解决CPU系统的电压问题

由上文的第一原因分析中可知，CPU是影响智能手机电能功耗的最大因素，解决CPU系统的电压问题和频率问题是重中之重。在集成电路，特别是数字电路方面，要注意动态消耗的数据计算，相反，半导体组成电路中的静态功率消耗非常之小，完全可以忽略。在计算动态消耗电能的计算公式中，涉及几个参数，分别是：功能芯片的动态总量功率消耗，半导体芯片负载的电容量，芯片所需要的电压，以及芯片工作过程中的频率。根据计算公式显示，集成电路中功耗的数据和电路工作中开关的频率系数呈现线性关系，与芯片工作所需电压呈现平方关系。由此可以得出，芯片工作所需要的电压越高，运行的频率就越快，最后CPU工作耗费的功效耗能就越高。所以，生产商对于既定的CPU产品设计上，应该在合理范围内对工作电压和工作频率进行控制，尽量缩小数值。

3.2 控制DPM系统的运行

DPM是对智能手机的主系统在运行期间进行电压或者时间上的动态控制，通过即时的动态数据管理达到减少能耗的效果。动态控制DPM主要通过软件控制实现管理，动态控制的过程系统的整体效率息息相关。首先，对智能手机中的工作模式进行定义和分类管理。主CPU运行系统应该根据工作模式类别和强度对手机工作进行合理分类，主要分为日常的工作模式，手机空闲工作模式，手机的睡眠待机模式，以及手机处于关闭状态的模式设置。在四种常有手机工作模式中，调节主CPU 的电压、工作频率，以及手机其他部件电源灯光的智能启动和只能关闭，在设计过程中体现智能手机的最大智能特色，将智能技术和电能损耗有机结合起来。例如，通过固定手势触摸屏幕唤醒手机部分功能，其余非工作时间此部分功能处于睡眠状态，可以极大程度上减少手机电池的损耗。

3.3 接口电路设计和LED灯低损耗设计

在智能手机的接口电路设计过程中，生产商除了考虑产品的性能新颖之外，应该更加注意芯片的能源损耗问题。在上拉电阻或者下拉电阻部件的选择应用上，应该注意未处于工作状态的引脚不可以悬空处置，通过增加上拉电阻进行电平输出的提高能力，来加强芯片的抗干扰能力。在一系列的驱动工作实施中，合理把握电阻的使用度，确保信号的平稳完整和电源内的低能耗性。合理控制LED灯的电流控制问题，可以通过改变回路中的电阻阻值控制电流，结合人眼的生理机能调节电流信号，控制损耗。

3.4 电源供给电路

由于智能机外设非常多，需要多种电源（1.3V、1.8V、2.8V和3.3V电压等），和不同的电路分开供电，因此需要使用多个电压变化单元。DCDDC电路的特点是效率高、升降压灵活，缺点是纹波噪声干扰较大。因此，在设计中，对于电源纹波噪音要求不严的情况，使用DC-DC电压转换器件，这样可以有效地节约能量，降低智能手机的功耗。

4 结论

综上所述，智能手机要想在快速的更新变化中脱颖而出，必须加强CPU、DPM、LED背光灯以及接口电路的技术创新改造。通过控制机器的工作电压、通过电流、组合电阻以及电源供给电路实现手机的低功率消耗，不断分析总结从前的经验教训，重视用户体验，将用户的使用舒适度放在第一位，迎合我国的可持续发展战略，为我国通信技术的发展做贡献。

参 考 文 献

[1] 牛金行，刘玉宝，吴国乔.一种数字集群智能手机的硬件设计[J].现代电子技术，2013（13）：80-83.

篇5

数字电路教学设计项目教学学习兴趣现代化电子技术飞速发展，数字电路更是以系统集成化、设计自动化、用户专业化和测试、智能化的趋势出现。数字电路教学中如何能应对电子技术的发展，同时又遵循高等职业教育以职业为基础、以能力为本、理论够用为度的原则，圆满完成课程的教学任务，用项目教学法是行之有效的手段。

一、关于项目教学法

1.项目教学的概念

项目教学法，是围绕一个实践项目而展开的教学活动，其目的是在项目实施过程中使理论与实践教学同步进行，从而充分调动学生参与的积极性，提高学生解决实际问题的综合能力。

2.项目教学法的关键

项目教学法的关键，是把整个学习过程分解为一个个具体的工程或事件，设计出一个个合适的项目教学方案。这样，不仅传授给学生理论知识和操作技能，更重要的是培养他们的职业能力。

3.项目教学法的优点

项目教学法，是让学生实施一个具体的项目，学生学习的目的很明确，能极大地调动学生的学习积极性，提高学习兴趣。项目教学法大多要分小组完成，通过小组内及小组间的充分交流、讨论、决策等，提高学生合作能力，强化学生的团队意识。而合作能力和团队意识，恰恰是当前社会化大生产所要求的基本素质。项目教学法在实施过程中会涉及到很多学科知识，能促进课程间的整合。

二、项目教学法的教学实践

数字电路课程是高职电气专业一门承上启下的专业基础课，具有较强的逻辑性、应用性和工程实践性。内容包括数字电路基础、组合逻辑电路基础、组合逻辑集成电路、时序逻辑电路基础、时序逻辑集成电路、半导体存储器与可编程逻辑器件、数模和模数转换器和脉冲信号的产生与整形共8章节。按照“以能力为本位，以职业实践为主线，以项目课程为主体的模块化专业课程体系”的总体教学设计要求，本门课程以培养灵活应用常用数字集成电路来实现逻辑功能的能力为基本目标，打破学科课程的设计思路，紧紧围绕工作任务完成的需要来选择和组织课程内容，突出工作任务与知识的联系，让学生在职业实践活动的基础上掌握知识，增强课程内容与职业岗位能力要求的相关性，提高学生的就业能力。本课程可以分成6个项目完成，分别是：全加器电路设计、抢答器的设计与制作、同步计数器电路设计、数字钟电路的设计与制作、用可编程逻辑器件设计数字钟电路和A/D 和D/A 转换功能仿真。第1到3章划为第一个项目，内容是：全加器电路设计。以下就以第一个项目为例完成教学设计。

1.教材分析

这部分内容包含3个章节：数字电路基础、组合逻辑电路基础、组合逻辑集成电路。每章节后面都有本章小结、思考题与习题、技能要求和实训内容以及书最后的实验内容部分。很显然，编者也在强调技能和实训的重要性，但在进行教学设计时采用项目教学法能很好地体现实践能力为主。

2.教学设计

此部分内容重点是掌握逻辑函数的表示方法，会进行逻辑函数的变换和化简；能正确理解基本门电路逻辑功能；会用基本逻辑门电路设计简单组合逻辑电路。如何把内容连贯，用某个项目来体现，我们可以结合实验内容以及常见的电路来解决。那么，学习项目选取的基本依据是该门课程涉及的工作领域和工作任务范围，在具体设计过程中，还以相关专业的典型产品为载体，使工作任务具体化，产生具体的学习项目。项目的难度要适中，要适合学情，让学生都能动手参与，能充分调动他们的积极性，使学习更有目的性，让学生在职业实践活动的基础上掌握知识。本项目内容是全加器的电路设计。采用全加器的设计这样的项目内容，那么，组合逻辑集成电路，此部分章节中的编码器、译码器与数码显示器等内容暂时就使用不到，我们可以把这些内容划分到下一个项目中去，而只是涉及到它的前面一部分内容二进制加法器。这样，不会显得项目量过大，知识太拥挤，学生学习困难的问题。

3.教学过程的组织实施

项目教学法的教学步骤，具体是以下六个步骤：情景设置，操作示范，独立探索，明确项目，协作学习，学习评价。本项目可以包含这几个模块：（1）完成基本门电路的测试；（2）用74LS00实现多种逻辑功能；（3）用基本门电路设计全加器电路。每个模块参考学时都可以是4学时，它们的学习目标不相同，由浅入难，循序渐进，慢慢引导学生掌握理论知识，增加实践经验。每个模块除了列出的工作任务以外，根据学生层次的不同，还可添加相应的拓展知识。模块一逻辑门电路测试工作任务包含测试TTL门电路74LS00、74LS04、74LS20、74LS32、74LS86逻辑功能并记录测试数据和整理归纳总结，列出74LS00、74LS04、74LS32、74LS86 逻辑表达式，状态真值表。它相关的理论知识：基本逻辑运算和复合逻辑运算，基本门电路逻辑功能，逻辑函数的基本表达式。模块二用与非门电路实现多种逻辑功能工作任务有用74LS00实现下列逻辑功能：或非F=A+B、与或F=AB+CD、4输入与F=ABCD、异或和同或。相关理论知识：逻辑代数的基本定律和规则，逻辑函数的化简方法，逻辑函数表达式。模块三全加器的设计与制作工作任务：用基本门电路设计判奇电路，用基本门电路设计半加器电路，用基本门电路设计全加器电路。相关理论知识：组合逻辑电路的分析方法，用基本门电路实现组合逻辑功能。全加器是能够计算低位进位的二进制加法电路，全加器的逻辑图如图所示。

篇6

【关键词】数字电路 模拟电路 发展

1 前言

随着国民经济的快速增长，科学技术的快速进步，电子信息产业得到快速发展，逐渐渗透到国民经济生活的各个领域，使人们的生活发生了翻天覆地的变化。电子信息产业对军事领域也有着深远的影响，改变了传统战争的作战模式，在现代国防中发挥着越来越重要的作用，其在其在国防领域的应用也彰显了一个国家的综合国防水平。

作为高新技术产业，知识、技术和资本是电子信息技术产业得以快速发展的三个重要因素，它彰显了一个国家或地区制造业的整体水平，也是一个国家或地区科学技术和制造业综合实力的重要标志。就我国目前的社会经济现状而言，我国正处于传统产业结构转型时期。如何平衡新的产业结构，达到经济的稳定快速发展，解决目前政府资本过剩、内需不足、市场疲软等宏观经济问题是我国目前经济社会发展面临的一个重要挑战。而加速电子信息产业的建设与发展，对于促进传统产业变革、改变传统产业结构、增加就业率、提升就业水平具有重要作用是应对这一挑战的最好办法。

电子电路是电子信息产业的技术支撑。是电子信息产业的发展重要限制因素。电子信息产业的快速发展离不开电子科学技术的发展及应用。生产技术的提高及加工工艺的改进加快了集成电路的更新速度，也为电子信息产业注入了蓬勃的朝气以及更加旺盛的生命力，使其得以快速发展。根据其结构、功能的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。

2 模拟电路

模拟电路是一种针对模拟信号（幅值随时间连续变化的信号）行传输或处理的电子电路。它主要是利用电流或电压对真实信号进行模拟，使其等比例的再现。如调幅/调频的收音机，接收处理无线电广播信号，然后经过一系列的混频、放大、解调等过程，最终完成音乐的播放和新闻等的报道。模拟电路在生活中的应用非常广泛，如晶体管小信号放大器，低频功率放大器，负反馈放大器，MOS 集成运放，谐振放大器，直流稳压电源等。都是用模拟电路制作的。

模拟电路的设计过程比较复杂，其设计的重点在于电路参数的实现。其设计的基本流程主要包括以下几个方面：

2.1 系统定义

系统定义是模拟电路设计的基本前提。根据设计要求，模拟电路设计工程师需要对电路系统及子系统做出相应的功能定义，并确定面积、功耗等相关性能的参数范围。

2.2 电路设计

电路结构的选择是电路设计的重要环节。模拟电路设计工程师需要根据模拟电路需要实现的功能要求、设计规范及相应的参数指标选择合适的电路结构，并在此基础上确定元器件的组合方式等。针对模拟电路的设计，目前暂时没有可以利用的比较成熟的设计软件，因此，只能是有工程师根据自己的经验手工完成。这在一定程度上增加了模拟电路设计的难度，限制了模拟电路的发展速度。

2.3 电路仿真

电路仿真是模拟电路的设计过程中必不可少的一个环节，是模拟工程师判断模拟电路是否可以达到设计要求的一个重要依据。工程师根据仿真结果，不断对电路进行修改和调整，直到模拟电路的仿真结果可以达到设定的指标及相应的功能要求。常用方法主要有参数扫描法，直流和交流分析法、蒙特卡罗分析等

2.4 版图实现

版图将电路设计转化生产的重要桥梁。在由前面的设计及仿真结果确定了模拟电路的结构及相关参数后，设计工程师对设计的模拟电路进行物理几何性的描述，将其转换成图形格式，以便于模拟电路后续的加工与制作。

2.5 物理验证

在物理验证阶段，需要对设计的模拟电路进行设计规则检查（DRC）。设计规则检查是在给定的设计规则的基础上对其最小线宽、孔尺寸、最小图形间距等限制工艺进行检查，衡量版图工艺实现上的可行性。此外，还要对版图与电路图的一致性进行检查（LVS）。可以利用LVS工具提取版图的参数，将得到的电路图与原电路设计图进行比较，保证版图与原电路设计的一致性。

2.6 寄生参数提取后仿真

在版图之前进行的电路设计的仿真称之为“前仿真”，“前仿真”都是比较理想的仿真，没有考虑到连线的电阻、电容等寄生参数。将寄生参数加入版图后进行的电路仿真称之为“后仿真”，只有当后仿真的仿真结果达到设计指标及系统功能要求，电路的设计工作才算完成。寄生参数对模拟电路的影响较大，前仿真的仿真结果满足的情况下，后仿真结果却无法满足要求。因此，设计工程师需要根据后仿真结果不断进行晶体管参数的修改，有时甚至要进行电路结构的调整，直至后仿真结果达到系统设计要求。

目前，模拟电路设计难度高且比较复杂，使用的EDA工具的功能和系统配套性又相对落后，且在设计过程中需要进行频繁的人工干预，对寄生参数等比较敏感等，这些都在一定程度上限制了模拟电路的发展，导致模拟电路发展速度相对缓慢。

3 数字电路

篇7

智能车有着极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适巡航并把车开得开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；他也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外他还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来撞车就不会发生了。提高安全性和系统效率。这种新型车辆控制方法的核心，就是实现车辆的智能化。

1 智能车机械结构设计

机械结构是控制算法和软件程序的执行机构，对机械结构性能的了解和改造有利于对控制算法和软件程序的实现。因此对车体机械结构的调整是非常必要的。

1.1 车体机械参数调整：前轮参数的调整包括前轮主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角，前轮前束。这几个参数对车体直线行驶的平稳性和转弯的灵活性有很重要的影响[1]。

1.2 舵机的安装：舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。这样安装的优点是：改变了舵机的力臂，使转向更灵敏；舵机安装在正中央，使左右的转向基本一致；重心相对来说靠后，减轻舵机的负载[2]。

1.3后轮距与后轮差速机构调整

后轮距的调整：赛车高速行驶时突然转弯时容易翻倒，为了增加整车的平衡能力，可将车模原配的后轮调节件把改为大轮距的调节件，使后轮距在原来基础上增加了4mm。

1.4传感器的安装：图中将激光管固定在下排孔内上排六个固定接收管和透镜，将激光照射距离调整到50CM，前瞻效果达到最好[3]。

1.5 车体重心调整：重心越低越好。选择摄像头时选择比较轻的，摄像头支架材料及规格也要加以考虑，电路板的摆放也尽可能低。

2系统总体硬件电路设计

2.1 系统硬件电路结构：此智能车辆定位系统用激光管和接收芯片检测车辆前方的赛道，通过MC9S12XS128采样光电三极管的模拟信号，获得赛道数据，结合一定的算法，提取赛道的黑白线对舵机和电机驱动芯片以合适的控制。

系统先对接收芯片获得的数字信号，速度传感器测得的速度值，加速度传感器检测到的坡度信息，以及拨码开关输入的脉冲值等送入单片机最小系统进行分析处理，发出命令驱动舵机，并使用全桥电机驱动芯片 MC33883驱动场效应管控制电机的正反转，输出 PWM 波形实现对于电机的控制，使用LM 2940S 等稳压芯片对各模块提供电源。

2.2 传感器选择及其电路设计：激光传感器好比模型车的眼睛，是整个系统采集赛道信息的核心。前瞻距离最远能够达到1.1M。经过调整和优化，使得激光传感器性能能够完成赛道全部信息采集的任务。

2.3 电机驱动模块设计：MC33883它可以驱动场效应管实现电机的正反转，场效应管用IRF3205，场效应管为N沟道，MC33883的驱动能力很强，最大电流可以达到110A。本设计采用PWM直流脉宽调速，该方法有效地避免了串电阻调速其调速范围小，平滑性低的缺点， IN_HS1、IN_HS2、IN_LS1、IN_LS2是单片机传给MC33883脉冲信号的接口。

2.4 测速电路模块设计

VCC_MCU为5V电压，SIGNAL是编码器的脉冲输出端，SIGNAL和VCC_MCU之间接一个10K上拉电阻，然后将SIGNAL连接到单片机的PT7口，进行脉冲。

2.5稳压芯片选择及电源模块设计：我们需要对配发的标准车模用蓄电池进行电压调节。单片机系统、激光管、接收管、车速传感器电路，LED显示电路等各个电路的工作电压不同，我们需要设计方案来使得电压满足各自的要求。

3智能车电路板的设计

智能车的电路板设计是利用altium designer软件设计的。在布线时信号线和电源线的宽度不同，信号线的宽度为10mil，稳压后的电源线为20mil或30mil，直接经过电源的电源线为60mil。覆铜的时注意移除死铜，覆铜定义网络标号为GND。

4系统软件设计

4.1 程序开发和调试：本车在开发和调试中所使用的开发环境为Metrowerks 公司的集成开发环境 Metroworks CodeWarrior IDE4.6和与之配套使用的调试软Hiwave，调试器为清华大学工程物理系开发的BDM，辅助调试工具有电视机、刻度尺，串口调试软件等。

4.2 调试器：CodeWarrior IDE中的调试器不仅可以进行在线调试，还可以进行在线的仿真。在调试器中，我们可以看到定义的全局变量的变化和各个寄存器的当前值，还可以看到单片机内存中内容等。此外，还有许多其他的实用功能，在赛车的调试过程中使用很是方便有效。

4.3系统程序流程图：如图6显示程序开始进行初始化，然后开始采集信息，在把采集到的信息进行一些数据处理（这里可以用到模糊和PID算法），之后求出速度和转向。为了形成闭环系统这里利用中断进行时时测速，保证小车速度不至于过快或过慢，形成闭环系统，使小车更快，更稳定的完成比赛。

4.4 转向舵机的控制程序的设计：一个周期采集完毕以后，要对传感器的原始状态进行处理，我们规定当激光传感器照射到黑线记做1，白线记做0，12个传感器分别赋予对应的权值，当有2个或者1个激光传感器照射到黑线的时候，对它们的权值取平均值，最后单片机通过最终的偏移值计算出控制转向舵机和速度分配值。

number是计算一共有几个传感器在黑线上，lost_number是计算所有在黑线上传感器的偏移值，lost_location是计算激光传感器的平均偏移值。

4.5 速度采集程序的设计：速度采集模块需要定时采集速度，根据相同时间内的脉冲数多少来判定速度的快慢，因而我们单独开了一个PIT中断，中断定时周期为3MS，那么每当经过3MS，就读取脉冲累加器计数器PACNT的值，然后将此值和设定速度的值进行比较，完成对速度的闭环控制。 控制函数number_count变量是反馈的速度，用来传递给PID函数；TIME_INTER是速度给定；这里要注意的就是，当进行完毕速度读取，PACNT寄存器一定要清零，防止脉冲的错乱。

5 结论

我们在车模硬件及软件上都有许多改进与创新，采用上排激光管作为循迹传感器。大大提高了前瞻距离和系统的稳定性。激光前瞻达到0.25米，大前瞻是保证高速度的前提条件。采用自己制作的单片机最小系统板。自己制作的单片机最小系统板，尺寸小，重量轻。即减轻了车模总重量，有方便了其它硬件布局。使得整个硬件系统布局更简洁，性能更稳定。

参考文献

[1]陈家瑞.汽车构造.机械工业出版社，2009.

[2] 第四届全国大学生“飞思卡尔”智能汽车竞赛杭州电子科技大学钱江一号队技术报告，2009.

篇8

关键词: Protel DXP; 印制电路板;设计;制版

电路设计的最终目的是生产制作电子产品，各种电子产品的使用功能与物理结构都是通过印制电路板来实现的。印制电路板(PCB)是电子设备中的重要部件之一，其设计和制造是影响电子设备的质量、成本的基本因素之一。因此，印制电路板(PCB)设计质量直接影响着电子产品的性能。2002年7月底由Altium公司的Protel DXP电路设计软件，由于其良好的操作性等优点已成为电路设计者的新宠[1]。本文以Protel DXP为设计平台对PCB板主要设计步骤及其内容进行了分析，以提高电路板备板的制作效率及可靠性。

一.原理图设计

原理图设计是整个Protel工程的开始，是PCB文档设计乃至最后制版的基础。一般设计程序是:首先根据实际电路的复杂程度确定图纸的大小，即建立工作平面;然后从元器件库中取出所需元件放到工作面上，并给它们编号、对其封装进行定义和设定;最后利用Protel DXP提供的工具指令进行布线，将工作平面上的元器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，对整个电路进行信号完整性分析，确保整个电路无误。

1. 电路板规划

电路板规划的主要目的是确定其工作层结构，包括信号层、内部电源/接地层、机械层等。通过执行菜单命令Design\Board Layers，在打开的对话框中可以控制各层的显示与否，以及层的颜色等属性设置。如果不是利用PCB向导来创建一个电路板文件的话，就要自己定义PCB的形状和尺寸。绘制时需单击工作窗口底部的层标签，再由Place\Keepout 命令来单独定义。该操作步骤实际上就是在Keep Out Layer(禁止布线层)上用走线绘制出一个封闭的多边形，而所绘多边形的大小一般都可以看作是实际印制电路板的大小。

2. 元器件的选择

对元器件的选择要严格遵循设计要求。在Protel DXP软件中，常用的分立元件和接插件都在软件分目录Library 下Miscellaneous Device. Intlib和Miscellaneous Connectors. Intlib 两个集成元件库中。其它的元件主要按元器件生产厂商进行分类，提供了型号丰富的集成库。但是有时候出于个人设计的需要，设计者无法在库文件中找到完全匹配的元器件，此时就只有通过制作工具绘制所需元器件。需要注意的是，绘制元件时一般元件均放置在第四象限，象限交点即为元件基准点。

3.元器件的布局

Protel DXP 提供了强大的自动布局功能，在预放置元件锁定的情况下，可用自动布局放置其他元件。执行命令Tools\Auto Placement\Auto Placer，在Auto Place 对话框中选择自动布局器。Protel DXP提供两种自动布局工具:Cluster Placer 自动布局器使用元件簇算法，将元件依据连接分为簇，考虑元件的几何形状，用几何学方法布放簇，这种算法适用于少于100 个元件的情况;Global Placer 自动元件布局器使用基于人工智能的模拟退火算法，分析整个设计图形，考虑线长、连线密度等，采用统计算法，适用于更多元件数量的板图。自动布局较方便，但产生的板并不是最佳方案，仍需要手工调整。

3.元器件的连线

连线很讲究原则和技巧，走线应尽量美观、简洁。一些设计人员在初期使用Protel DXP进行设计时，只在表象上将元件连起，而出现“虚点”。导致在生成网络报表时出错。好的设计习惯是打开电气网络，使连线可以轻松连接到一个不在捕获网络上的实体;打开在线DRC，监控布线过程，违反规则的设计被立即显示出来。完成预布线后，为了在自动布线时保持不变，需要对预布线锁定。打开菜单Edit\Find Similar Objects，选择要锁定的对象。自动布线与交互式布线相结合可以很好地提高布线成功率和效率。自动布线的结果为手工调整提供参考。

二.电路仿真分析

所谓仿真是指在计算机上通过软件来模拟具体电路的实际工作过程，并计算出在给定条件下电路中各关键点的输出波形。电路的仿真是否成功取决于电路原理图、元器件模型的仿真属性、电路的网表结构以及仿真设置等因素。仿真时首先通过Analyses setup对话框设置仿真方式并制定要显示的数据。该软件提供了解种分析仿真方式，包括直流工作点、直流扫描、交流小信号、瞬态过程、噪声、传输函数、参数扫描等。设置好仿真环境后单击OK按钮，系统自动进行电路仿真并显示分析结果。通过对仿真结果的分析，设计者可以对电路进行合理的调整，直到完全满意。最后将设计好的原理图通过打印输出，以供制版使用。

三.制版工艺流程

1.双面制板工艺流程(简述)

电路设计覆箔板下料表面处理打印电路图热转印补缺 腐刻(浸泡在1:4FeCl3溶液中腐刻)去膜涂助焊、防氧化剂 钻孔焊接元件检查调试 检验包装成品。

2.双面制板工艺流程(简述)

双面覆铜板下料裁板数控钻导通孔检验、去毛刺刷洗化学镀(导通孔金属化) (全板电镀薄铜) 检验刷洗网印负性电路图形、固化(干膜或湿膜、曝光、显影) 检验、修板线路图形电镀电镀锡(抗蚀镍/金) 去印料(感光膜) 蚀刻铜(退锡) 清洁刷洗网印阻焊图形常用热固化绿油(贴感光干膜或湿膜、曝光、显影、热固化，常用感光热固化绿油) 清洗、干燥网印标记字符图形、固化(喷锡或有机保焊膜) 外形加工清洗、干燥电气通断检测检验包装成品。其详细说明这里不再赘述。

3.需要注意的问题

在初次表面处理时，需要用P240-320之间的水沙纸打磨覆铜表面，去除表面的氧化层。并且用5%FeCl3溶液浸泡1分钟，以增强印墨的粘敷力。腐刻溶液的温度最好在25℃左右。助防氧化剂是把松香按照:10的体积比，放入95%的酒精中浸泡24h以上形成的。钻孔时，按所装元件脚的直径φ+0.2mm，选择最接近标称值的钻头。

四.结束语

在集成电路不断发展的时代，计算机辅助技术(CAD)突飞猛进。熟练掌握Protel DXP软件，将极大提高电子线路的设计质量和效率。但要设计和制作出一块优良的PBC板，还需要不断的学习和实践。因此，广大电子工程设计人员要在不断的实践中去体会，通过总结经验努力提高设计和制作水平。

参考文献:

[1] 王廷才，王崇文. 电子线路计算机辅助设计Protel 2004[M]. 北京: 高等教育出版社，2006.

篇9

关键词：单片机 智能车 实训系统 模块化

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-5349（2016）23-0051-02

实习实训是人才培养的重要组成部分，对培养学生的工程意识和创新意识，提高学生的动手能力，加深对所学专业知识的认识具有不可替代的作用。但现阶段，实习实训教学模式陈旧，学生被动接受的内容多，主动探究的机会少，严重制约了创新精神和创新能力的培养。针对电类专业目前实习实训教学中存在的问题，提出了CDIO教学模式，即从Conceive（构想）、Design（设计）、Implement（实施）、到Operate（操作）全流程的教学模式，充分调动学生主动参与训练项目的积极性，在真设备、真项目和真要求的驱动下，实现学生可持续发展能力的培养。我院测控技术与仪器专业工程项目实训采用了CDIO教学模式，为此开发设计了基于单片机的智能车实训系统，该系统由10个功能模块组成，可根据实训内容要求构建硬件电路，可完成智能车的循迹、避障、调速、语音报警、车速和里程显示及遥控等功能，培养学生的系统设计、软件编程、硬件调试的综合能力，提高了学生的实践动手能力和创新能力。

一、整体设计思路

以AT89S52为核心控制器。车体选用标准车架模型改装而成，霍尔传感器实现测速和里程统计，红外传感器进行轨迹跟踪，超声波传感器避障，蓝牙模块实现无线控制，直流电机对车进行转向和行动控制，H桥电路实现电机的驱动。本系统基于完备的软硬件系统，很好地实现了小车的自动循迹和避障，遇到障碍物时，能进行语音报警和自动减速，通过液晶LCD1602显示车速、里程和距离障碍物距离。

系统由微控制器、电源模、功能按键、显示、电机驱动、语音模块、蓝牙、红外传感器、超声波避障、车速检测等10个功能模块构成。如图1所示，系统采用模块化的设计，学生可根据设计需要，完成不同功能智能车的硬件搭建和软件调试，通过蓝牙无线通信模块，可实现智能车的遥控。

二、智能车实训系统的硬件组成

系统硬件性能的好坏决定了整个系统的运行情况，能否稳定而可靠地运转就取决于硬件电路的质量。核心控制器采用AT89S52构成最小系统，红外传感器模块采用4组红外对管构成循迹电路，测距采用HC-SR04超声波模块，液晶显示电路采用1602，电机驱动采用L298构成H桥电路，语音模块采用ISD1760构成，使用了蓝牙通信模块HC-06实现无线通信，电源电路采用7805和LM1117将96V锂电池转换为5V和33V，除电机驱动模块需96V和蓝牙模块使用33V外，其他模块均采用5V供电。系统采用模块化设计，开放式接口，方便学生连线。

电机驱动电路采用L298N构成H桥电路，可同时驱动2个直流电机，如图2所示，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电机， 5（IN1），7（IN2），10（IN3），12（IN4）脚接输入控制电平，控制电机的正反转，这四个引脚输入PWM脉冲，假设IN1输入一个PWM脉冲，IN2输入与IN1相反的PWM脉冲电机正转，相反的PWM可以由程序设置，若要实现电机的反转，则IN1、IN2输入与正转相反的脉冲即可实现， EN1、EN2为使能端，控制电机的停转。当使能端为低电平时，芯片不会工作。

t外循迹模块采用红外对管构成，如图3所示，一体化红外发射接收IRT中的发射二级管导通，发出红外光线，经反射物体反射到接收管上，使接收管的集电极与发射极间电阻变小，输入端电位变低，当红外光线照射到黑色条纹时，反射到IRT中的接收管上的光量减少，接收管的集电极与发射极间电阻变大，三极管截止，三极管的集电极C为高电平，再经反相器后输入到单片机的信号为低电平。在三极管的基极B和发射极E接一个01pF的电容，减少电路中的“毛刺”，以减轻电路的干扰。由于光电传感器受外界的影响较大，容易引起单片机的误判，因此我们在电路中加入了一个可调电位器（阻值为10K），通过调整电位器，改变光电传感器的输入电流从而改变其灵敏度。

三、测试结果

实训过程中，以智能车为训练平台，根据设计要求构建硬件电路，先进行基础训练，然后采用项目驱动式，拓展任务，创新性地进行实训，通过在智能车平台上安装不同的功能模块来完成某种特定的任务，为了测试智能车实训系统的性能，制作了智能车的样机，经过试验测试，该智能车样机能够准确判断跑道的边界线并分析出跑道的走向，可以实现自主循迹功能、避障功能和语音报警等功能。

四、总结

本文设计了基于单片机的智能车实训系统，该实训系统具有模块化设计，搭建方便、灵活组合，功能多样，使学生在该系统上进行硬件电路设计、软件程序设计和综合调试等，极大地提高了学生的实训热情和实践动手能力。

参考文献：

[1]姜健峰.实训在电子电工教学中的重要性探究[J].电子制作，2014（1）：11.

[2]狄春红.中央空调实训台实训项目的开发与应用[J].职大学报，2013（6）：73-75.

[3]孙涵，任明武，唐振民等.基于机器视觉的智能车辆导航综述[J].公路交通科技， 2005， 22（5）：132-135.

篇10

智能小车作为无人驾驶的智能交通探索的一部分，具有重要的理论和应用价值。以两辆智能小车串行前进的运动模式为背景，提出了具有实用价值的自适应防撞算法，并对系统进行了设计、开发实现和测试。该系统分为前向车和后追车，两车以MC9S12XS128MAA为控制核心，采用激光和红外寻迹探测传感器，超声波模块负责前向测障，无线通信模块负责两车间信息交换，基于PID （proportional integral differential）算法对小车进行自主运行控制。实验测试结果表明：所提供的设计方案可行，对探索无人驾驶智能交通系统的实现具有借鉴意义。

关键词：智能小车;自适应;PID;追逐;防撞

中图分类号：TP212.9

文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）05-0062-05

0 引 言

上世纪90年代，国外提出智能公交系统概念，智能车辆则是智能交通系统的重要组成部分。智能车辆技术包含了计算机、移动通讯、自动控制等使车辆更具舒适性、娱乐性、安全性、方便性的多项技术，而基于PC平台的汽车信息化是实现智能车辆技术的基础和必要条件^[1]。

2010年12月，吉利汽车与中国联通联合推出3G“智能汽车”，标志着国内智能汽车已经进入了一个高速发展的时代，并逐渐从单一的智能汽车开始向“车联网”时代进军，高安全性和高稳定性是智能汽车研发的主要需求。目前，国内“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛一定程度上带动了智能小车研究的发展。智能汽车竞赛以快速发展的汽车电子为支撑，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉，不仅能有效快速地提升参赛者的自主创新能力，对于国内相关学科学术水平的提高也有积极的推动作用^[2-3]。

本文从智能汽车自主运行的防撞需求出发，提出构建基于freescale S12系列单片机的双智能小车系统，实现两辆小车在跑道上自适应的防撞前行，为智能汽车的智能化行驶研究提供一个可行的方案。

1 系统总体方案设计

基于轻量化的选择和电路板的设计，选择体积小的MC9S12XS128MAA单片机作为核心控制单元。根据自适应防撞需求对前后车辆要求的不同，前后车辆配置不同的硬件。前向车为了保持较好的稳定性和灵敏性，采用前瞻较大的激光传感器用于循迹^[4]。前向车的系统组成框图如图1所示。

图1 前向车系统组成框图

后追车考虑用超声波传感器感知的距离信息和安装位置较低的红外传感器循迹来控制车辆的行进速度和舵机转向。后追车的系统组成框图如图2所示。

图2 后追车系统组成框图

2 系统硬件组成

2.1 前向车硬件组成

车辆整体硬件电路设计遵循低功耗，电路简单可靠，前瞻合适，控制芯片资源合理化使用的原则，设计了一些低功耗并且控制简单的电路。电路板的制作也进行了最小化设计，为机械设计打好基础。

智能车系统以freescale的MC9S12XS128MAA16位单片机为控制核心。电源管理模块选用7.2 VNi-Cd电池供电，因为单片机系统、用于路径识别的光电传感器、光电码编码器等均需要5 V电源，控制转向的伺服电机和转头电机工作电压范围为56 V。直流电机可以使用电池直接供电，由于整体电路设计功耗低，因此可以采用TPS7350作为单片机和传感器模块，以及编码器的供电电源，采用TPS7301作为舵机供电的可调电源。

电机驱动采用大功率BTS7970作为驱动芯片，BTS7970执行抱死刹车优势明显。单个的芯片内部为MOS半桥电路，这里选择两片进行对接形成全桥驱动。转向舵机选用体积较小的T170A ，控制传感器模块的随动舵机选用S3010。控制频率均为100 Hz，采用双电源控制。

前向车的道路信息采集传感器选用前瞻较大的激光传感器。在对单排固定和双排固定方案进行对比测试后，激光传感器的控制电路选用转向随动控制方案，采用四路接收、八路发射作为路径识别的传感器方案，即一路接收对应两路发射的这种较容易对准的方案，发射管采用分时发射电路，以减小功率消除干扰。在对多个分时控制电路方案进行测试后，选择MAX4638作为模拟八选一的选通开关，其性能相当于高速继电器，可以产生多个共用电路，有助于简化电路设计。工作于5 V电压，其内阻只有3.5 Ω，某一时刻只有一个选通，因此电路功率不高，增强了抗干扰能力。

在速度较高时普通码盘会出现输出不稳定现象，因此智能车的测速装置选用光电编码器，其可输出500脉冲/转，满足测速要求。

2.2 后追车硬件组成

后追车的主控电路、主板电路以及电机驱动等硬件与前向车基本一致。由于后追车使用超声波传感器进行前向扫描测距，因此需增加超声波模块。在机械结构上为保证超声波模块的架高设置，后追车选用架设位置相对较低的红外传感器进行轨道循迹， 红外传感器采用7路ST188红外对管架设电路。为增加超声波模块的扫描范围，超声波模块采用舵机控制。

超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间来实现的，即经发射器发射出波长约6 mm，频率为40 kHz 的超声波信号，此信号被物体反射回来由接收头接收，产生mV级的微弱电压信号。设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则从传感器到目标物体的距离可表示为：D=c・t2。超声波测距模块原理如图3所示。

图3 超声波测距原理框图

为了能实现2个小车之间的自适应防撞，本系统采用无线通信模块进行数据交换， 确保2个小车之间的通信和相互协调。系统选用高度集成超低功耗半双工微功率无线数据传输模块UTC1212，片上集成嵌入高性能低功耗STM8L101处理器，采用最新一代高性能射频芯片SX1212。其中SX1212创新的采用高效的循环交织纠检错编码，使抗干扰和灵敏度都大大提高，模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口速率，发射功率，射频速率等各种参数，二次开发简单方便，也可以通过MCU来设置常规参数，模块电压范围为2.13.6 V，在接收状态仅仅消耗3.2 mA，有4种工作模式。传输距离在500 m左右，其UTC1212模块共有7个引脚，如表1所示。

表1 UTC1212引脚作用分配

管脚名称方向说明

1GND无地线

2VCC无电源 2.13.6 V

3SET_A输入和 SET_B 组合用于选择模块工作模式

4RXD输入串口输入口，TTL 电平

5TXD输出串口输出口，TTL 电平。

6AUX输出用于模块工作状态指示

7SET_B输入和 SET_A 组合用于选择模块工作模式

无线模块工作时通常处于接收状态，一旦收到数据，就将已经接收到的数据通过UART输出，这时可以用单片机通过中断接收方式将数据读取并存储，便于处理（如比对、数据显示等）。当需要发送数据时，把待发送数据通过UART接口传输UTC1212模块，模块收到数据后就自动无线发送，发送完毕后自动切换到接收模式。无线模块共有四种工作模式，可相互转换，利用SET_A和SET_B管脚进行设置。如表2所示。

表2 无线模块工作模式

工作模式模式含义

模式 1 SET_A=0 SET_B=0正常模式，该模式下可以收发数据

模式 2 SET_A=0 SET_B=1唤醒模式，该模式下可以收发数据

模式 3 SET_A=1 SET_B=0省电模式，该模式下可以收发数据

模式 4 SET_A=1 SET_B=1休眠/配置模式，该模式下不可以收发数据

无线模块与单片机的接线如图4所示。

图4 无线模块与单片机的接线

3 系统控制策略

3.1 传感器及舵机控制策略

在系统运行过程中，传感器随动运行，始终保持传感器信息中心对准轨道黑线，这就要求在行进过程中对带动传感器板的舵机进行基于PID算法的随动控制^[5-6]。具体控制策略如下：设置2个控制变量e和w，e为轨道黑线相对于传感器板中心位置的偏差，w为舵机脉宽调制的占空比。为了使传感器板无稳态误差地跟随黑线，首先需要有积分环节，此时w=∫ki・edt（ki为积分系数，决定积分的强弱）。

为了减小干扰，采用增量式控制：Δw=ki・Δe。但该方法只在低车速时才能较好地工作，一旦速度较高传感器板就会偏离黑线，不得不提高ki使传感器板转动的响应速度加快，但这将导致新的问题出现：在经过急弯后传感器板会不停地左右摇摆，即出现控制理论上的震荡现象，此时系统不稳定。因此，应增加比例环节以提高传感器板转动的响应速度。但实验发现固定比例系数ki所取得的控制效果并不好，经分析发现原因在于：传感器板采集的是离散值，且离散值的总数有限，故比例系数设置过小导致动作不明显，比例系数设置过大将导致动作不连续，即ki小传感器板稳定但反应慢，ki大传感器板反应快但不稳定。这就要求在运行过程中根据需要动态地改变ki，根据实际调试确定如下规则：kmin≤ki≤kmax（kmin，kmax根据实际的调试效果进行确定）。

当e大于某值时，此时黑线偏离传感器板中点较多，说明传感器板跟不上黑线，故增加ki来加快传感器板的转动。当e小于某值时，此时黑线偏离传感器板中点不多，为了防止出现不稳定的情况，应减小ki。

若前述条件都不满足且e・pe<0（pe 为上一次的e），说明系统发生震荡，即传感器板偏转过度或出现其他错误，应减小ki使传感器板稳定或减弱因错误引起的不良后果。

对于转向舵机的控制采用分段比例加微分的方式;弯道控制采用直道加速，进弯减速，入弯后加速的方式^[7-8]。

3.2 车辆跟随防撞的反馈控制

为避免两车在跟随前进过程中出现追尾碰撞，后追车的超声波模块根据车辆的移动状态实时进行车距检测^[9]，当超声波检测到前方有小车时，如果距离为1 m后车开始减速;如果距离为30 cm以内，无线模块向前车发送指令，前车开始加速;如果出现数据丢失，则后追车在距离为10 cm时主动停车^[10]。

4 自适应追逐防撞系统的实现

4.1 控制算法的软件实现

根据智能车追逐防撞系统各个模块的设计，对前向车和后追车的控制算法进行了实现，两车的控制流程如图5所示。

4.2 机械结构的实现

为了保证智能车自适应追逐防撞系统的高速稳定运行，在机械结构的实现方面尽量保证车辆的重心低、重心位置靠后;并对车模的机械部分做如下调整：

图5 智能车主体控制软件流程

1）前轮倾角调整。

对前轮调整的目的是希望改善车模在行进中前轮的转弯性能，提高小车转弯的灵活性。因此调整前轮使主销内倾和后倾。经过测试，这样的调整有助于提高车在运行状态下的稳定性。

2）舵机安装位置调整。

舵机的原装位置对智能车的方向控制极为不利，舵机的传动效率低，空转行程大，反应时间长，并且容易在与其它的结构连接处发生卡死现象。为了克服舵机在机械上的不利影响，对原装车体更改了舵机的安装位置，将原来舵机的多机构传动改为直接传动，这样可减少舵机传动机构之间的复杂连接关系，提高效率，减少机械结构上的反应时间，便于对转向的精确控制。

3）减震调整。

减震调整包括松紧程度的调整和小车重心高度的调整。由于小车被设定是在平坦的道路上行走，因此太灵活的减震系统对小车来说并不是一个有利的因素，太松太紧的减震易使小车震动剧烈，不利于激光传感器对信号的接收，故适当调节减震弹簧的松紧程度，可改善小车的性能，降低震动对传感器接收信号的影响。另一方面，过高的重心不利于小车转弯，降低了小车的稳定性^[11]，尤其在高速情况下更明显，常发生小车在转弯时车轮离地的现象，一旦有轮子离开地面，车轮便会失去有效的驱动力，故降低重心高度可在一定程度上避免这种现象的发生。通过调节减震拉杆的长度来调节小车重心的高度，以低到不影响小车过坡道为原则。

4）电池安装位置调整。

在实际的调试过程中发现，小车电池的安装位置对齿轮的传动有影响，电池左侧会碰触中间的差速结构，再加上车模底板的塑料强度不高，导致小车在运动时差速齿轮与电机的铜齿时而啮合时而分离，一段时间之后就会把差速齿轮磨平，不利于传动，为此特意将电池的安装位置向后移动，直到脱离中间的差速机构，这有利于将小车整体的重心后移，从而降低舵机的负荷。

4.3 传感器的安装

由于前向车的传感器采用随动结构，在随动舵机的安装、传感器高度和前瞻的对比上都需要考虑车体重心的问题，在最大化降低重心的基础上，保证传感器40 cm以上的前瞻。后追车由于对超声波传感器进行了舵机架高，因此红外传感器板装于车前。

经过设计和调试，最终实现的智能小车自适应追逐防撞系统如图6所示。

图6 智能车系统实现

5 结束语

本文基思卡尔智能小车对双车自适应追逐防撞系统的实现进行了探讨。基于系统总体设计和模块构建，并最终调试完成了智能小车自适应追逐防撞系统的实现，达到在预定轨道上自主循线、PID运行控制、超声波测距、无线通信和追逐防撞的设计目标。对探索无人驾驶车辆及其协同运行的自适应实现方法和机制提供了可借鉴的新思路。

参考文献：

[1]

王荣本，李冰，施述明，等.世界智能车辆研究概述[J].公路交通科技，2011，18（5）：93-97.

[2] 吴斌华，黄卫华，程磊，等.基于路径识别的智能车系统设计[J].电子技术应用，2007（3）：80-83.

[3] 李舜酩，沈，毛建国，等.智能车辆发展及其关键技术研究现状[J].传感器与微系统，2009，28（1）：1-3.

[4] 周斌，李立国，黄开胜.智能车光电传感器布局对路径识别的影响研究[J].电子产品世界，2006（9）：139-140.

[5] 王智峰，张朋飞，何克忠.智能车辆自动驾驶控制系统方案设计[J].车辆与动力技术，2011（1）：26-30.

[6] 李渊，马戎，付维平.智能车辆的滑模轨迹跟踪控制[J].测控技术，2012，31（9）：71-74.

[7] 李进，徐朝胜，陈杰平，等.基于集散决策体系结构的智能车辆自主导航[J].控制工程，2012，19（4）：728-732.

[8] 马育林，吴青，吴勇，等.灭火智能车辆PID控制方法研究[J].交通信息与安全，2009，27（1）：19-22.

[9] 于少伟，曹凯.基于动态目标位置的智能车辆动态避障控制研究[J].计算机工程与应用，2008，44（26）：242-245.

[10]汪明磊，陈无畏，王家恩.智能车辆车道保持系统中避障路径规划[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2014，37（2）： 129-133.

[11]周兵，刘冬.智能车辆主动避撞与稳定性联合控制仿真[J].公路交通科技，2011，28（3）：153-158.

作者简介：

罗吉生（1966），男，云南省曲靖市人，工程师，主要从事企业计量技术及企业仪器仪表自动化技术的运用和管理。

Adaptive follow-up tracing anti-crash system for smart mini-cars

LUO Jisheng

（Yunnan Qujing Steel Holding Group Co.Ltd， Qujing 655003，P.R.China）