作者：隋金雪,杨莉
出版社：电子工业出版社
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“恩智浦”杯智能汽车设计与实例教程试读：
前言
智能汽车是当今车辆工程领域的研究前沿，它体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。全国大学生智能汽车竞赛对高校学生而言是一次难得的机遇和挑战。智能汽车竞赛涉及的知识较为宽泛，为了设计出性能优越的智能赛车，需要在赛车的设计开发过程中参考许多有价值的文献资料，不断学习，不断创新。
智能汽车竞赛考验参赛选手的综合能力，包括传感器的应用、电动机的应用、电路设计、自动控制原理、系统调试、机械结构设计等，将这些知识合理运用到智能汽车上是对选手的巨大挑战。对于竞赛选手来说，临场发挥对比赛成绩的好坏至关重要，及时制定并调整策略才能发挥智能汽车的最优性能。
关于恩智浦微控制器
竞赛指定控制芯片为恩智浦系列芯片，恩智浦公司是嵌入式控制领域的全球带头人，是主要技术创新者，其旗下飞思卡尔开发了首个基于Flash存储的微控制器（MCU）。
1.16位微控制器
恩智浦S12微控制器和S12X微控制器可以为汽车和工业应用提供高性能的16位控制功能。S12X微控制器具有创新的XGATE模块，无须CPU干预即可处理中断事件。这让S12X微控制器具备了通常在32位微控制器上才有的高性能处理能力。16位产品组合也包括一系列的数字信号控制器（DSC），DSC将微控制器功能与DSP性能合二为一，它们特别适合先进的电动机控制应用。
2.ColdFire微控制器
32位ColdFire微控制器系统架构不同于业内其他任何产品。这个丰富的MCU产品组合以工业应用为核心，具有优异的性能和外围设备选件，包括市场上超低功耗、段式和图形LCD、USB、以太网。凭借庞大的开发工具和设计资源生态系统的有力支持，ColdFire微控制器广泛应用于消费品和工业应用领域。®
3.Kinetis ARM微控制器®
32位Kinetis MCU是业界最具扩展能力的ARM Cortex™-M4 MCU的出色代表。该产品组合前期推出的产品包括5个系列 200 多款引脚、外设和软件都兼容的MCU，具有出色的性能、内存和功能扩展能力。由于采用了创新的90nm薄膜存储器（TFS）闪存技术，并带有独特的FlexMemory（可配置嵌入式E2PROM），Kinetis包含最新的低功耗创新技术和高性能、高精度的混合信号功能。Kinetis MCU还得到恩智浦和ARM第三方生态系统合作伙伴的领先市场的工具包的支持。
本书特色
1.实用性强
本书以实用性为原则，根据前几届参赛选手的亲身经历，通过“第一视角”向读者展示智能汽车制作与调试的精髓。
2.内容全面、系统、深入
本书涵盖了智能汽车制作的各方面知识点，向读者展示了一个完整的体系，特别对技术盲点进行了深入的解析，有利于读者继续研究和学习。
3.源代码丰富
编著者从事智能汽车研究多年，先后参加过第五届、第六届、第七届、第八届、第十二届“恩智浦”杯智能汽车竞赛，多次获得省级奖、赛区奖和国家奖，本书收录了编者长期制作与调试的经验，向读者完全开放源代码，讲解精华程序，给读者呈现最具体、最实用的资料。
本书结构
全书分为11章，第1章介绍全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛概况与竞赛规则；第2～4章分别从硬件设计、软件设计及机械结构设计给出智能汽车整体设计的框架；第5章对控制芯片的使用进行了详细描述，着重讲解了智能汽车竞赛需要用到的各模块，由于竞赛规定每个学校参赛队伍不得采用同一种型号的控制芯片，因此挑选4种适用于智能汽车竞赛的恩智浦系列芯片——MC9S12XS128、MCF52259、Kinetis K60及MPC5604进行相应讲解；第6～11章根据编著者自身的参赛经历，将完整的智能汽车的实例制作过程收录在内，涵盖了电磁、节能、摄像头、光电及自平衡、信标等组别。
读者对象
√智能汽车制作初学者
√想进行技术提升的智能汽车参赛队员
√嵌入式开发人员
√自动控制领域研究人员
√本科院校学生及研究生
√科技爱好者
本书作者
本书由隋金雪、杨莉、张岩编著，参加编写的人员还有山东工商学院深蓝工作室（山东工商学院机器人协会）等。
鉴于作者水平有限，书中难免存在不足和错误之处，恳望读者提出宝贵建议和意见，以便再版时改进。编著者2018年4月第1章竞赛简介1.1竞赛与规则简介1.1.1 竞赛介绍
全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在恩智浦半导体公司资助下举办的、以HCS12单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会提供一个标准的汽车模型、直流电动机和可充电式电池，参赛队伍要制作一个能够自动识别路径的智能汽车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，最快跑完全程而没有冲出跑道且技术报告评分较高为获胜者。智能汽车设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生知识融合和实践动手能力的培养具有良好的推动作用。
全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括中国香港、澳门地区的高校）参赛。竞赛首先在各分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍。全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻“政府倡导、专家主办、学生主体、社会参与”的16字方针，充分调动各方面参与的积极性。“恩智浦”杯智能汽车竞赛以恩智浦半导体公司为协办方，自2006年首届举办以来已经成功举办了12届，得到教育部领导、恩智浦半导体公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国34个省级行政区、市级行政区、自治区200余所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年第三届“恩智浦”杯智能汽车竞赛被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中9个科技人文竞赛之一，2009年第四届“恩智浦”杯智能汽车竞赛被列入国家教学质量与教学改革工程资助项目。
全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛一般在每年的10月公布次年竞赛的题目和组织方式，并开始接受报名，次年的3月进行相关技术培训，7月进行分赛区竞赛，8月进行全国总决赛。1.1.2 竞赛规则
全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定并负责采购的竞赛车模，采用恩智浦各系列芯片作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电动机驱动、转向舵机控制等，完成智能汽车工程制作及调试，于指定日期、地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主、技术方案和制作工程质量评分为辅来决定。竞赛秘书处制定的比赛规则适用于各分赛区预赛及最终决赛。在实际可操作性基础上力求公正、公平参与。秘书处将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。
分赛区、决赛区的现场比赛规则相同，均分为初赛与决赛两个阶段。
计算比赛成绩时，分赛区只通过比赛单圈最短时间进行评比，而决赛区还须结合技术报告分数综合评定。
近年来，随着智能汽车技术水平的不断突破，大赛组委会制定了新的赛道元素来考验选手，如反跑、双向跑、直角转弯、单双线切换、障碍、灯塔起步、圆环路径选择、节能控制、双车追逐等。具体的赛道元素与规则请参阅大赛组委会官方网站发布的大赛公告。1.2历届竞赛承办单位及获奖情况
1.第一届（2006年）
承办单位：清华大学
特等奖：清华大学
2.第二届（2007年）
承办单位：上海交通大学
特等奖：上海交通大学
3.第三届（2008年）
承办单位：东北大学
摄像头组冠、亚、季军：东北大学、北京科技大学、上海交通大学
光电组冠、亚、季军：武汉科技大学、北京科技大学、东北大学
4.第四届（2009年）
承办单位：北京科技大学
摄像头组冠、亚、季军：北京科技大学、上海交通大学、上海大学
光电组冠、亚、季军：北京科技大学、清华大学、杭州电子科技大学
5.第五届（2010年）
承办单位：杭州电子科技大学
摄像头组冠、亚、季军：北京科技大学、杭州电子科技大学信息工程学院、南京师范大学
光电组冠、亚、季军：杭州电子科技大学、杭州电子科技大学信息工程学院、乐山师范学院
电磁组冠、亚、季军：广东技术师范学院、清华大学、杭州电子科技大学
6.第六届（2011年）
承办单位：西北工业大学
摄像头组冠、亚、季军：湖南大学、北京科技大学、山东大学
光电组冠、亚、季军：西北工业大学、电子科技大学、乐山师范学院
电磁组冠、亚、季军：杭州电子科技大学、北京科技大学、西北工业大学
7.第七届（2012年）
承办单位：南京师范大学
摄像头组冠、亚、季军：北京科技大学、常熟理工大学、电子科技大学
光电组冠、亚、季军：北京科技大学、山东大学、乐山师范学院
电磁组冠、亚、季军：中南民族大学、浙江大学、华中科技大学
8.第八届（2013年）
承办单位：哈尔滨工业大学
摄像头组冠、亚、季军：北京科技大学、武汉科技大学、西安交通大学
光电组冠、亚、季军：北京科技大学、厦门大学、厦门大学嘉庚学院
电磁组冠、亚、季军：电子科技大学、北京科技大学、东北大学秦皇岛分校
9.第九届（2014年）
承办单位：电子科技大学
摄像头组冠、亚、季军：南京师范大学、北京科技大学、电子科技大学
光电组冠、亚、季军：北京科技大学、中南民族大学、华中科技大学
电磁组冠、亚、季军：华中科技大学、浙江大学、电子科技大学
10.第十届（2015年）
承办单位：山东大学
摄像头组冠、亚、季军：厦门大学、北京科技大学、山东大学
光电组冠、亚、季军：重庆大学、中南大学、北京科技大学
电磁组冠、亚、季军：北京科技大学、天津大学、中南民族大学
11.第十一届（2016年）
承办单位：中南大学
摄像头组冠、亚、季军：北京科技大学、电子科技大学、惠州学院
光电组冠、亚、季军：北京科技大学、北京邮电大学、厦门大学嘉庚学院
电磁组冠、亚、季军：中南大学、北京科技大学、湖北工程学院
电轨组冠、亚、季军：电子科技大学、北京科技大学、中南民族大学
双车追逐组冠、亚、季军：北京科技大学、武汉大学、厦门大学
信标越野组冠、亚、季军：哈尔滨工业大学、武汉大学、武汉理工大学
12.第十二届（2017年）
承办单位：常熟理工学院
光电直立组冠、亚、季军：太原理工大学、湖北工程学院、北京科技大学
光电四轮组冠、亚、季军：武汉大学、华中科技大学、燕山大学
电磁组冠、亚、季军：北京科技大学、中南民族大学、合肥工业大学
电磁追逐组冠、亚、季军：西北工业大学、合肥学院、北京科技大学
光电追逐组冠、亚、季军：北京科技大学、杭州电子科技大学、重庆大学
电磁节能组冠、亚、季军：华中科技大学、杭州电子科技大学、武汉大学
13.第十三届（2018年）
承办单位：厦门大学嘉庚学院1.3历届竞赛变化趋势
自第一届“恩智浦”杯智能汽车竞赛以来，由最初的光电、电磁为主导的智能汽车竞赛，到如今的信标、节能、摄像头等多种多样的比赛组别，这极大地提高了参赛大学生研究和比赛的趣味性，使得更多的学校积极参与、投入竞赛。通过对这些年汽车竞赛规则及其类别的分析，我们发现自第三届“恩智浦”杯智能汽车竞赛引入摄像头组之后，摄像头组一直被延续下来，可见其给参与者带来的趣味性和研究价值已为大众所接受；但摄像头组对车型的要求有一定的更改；经典的电磁组检测信号方式单一且稳定便于操作，可以看出主办方在赛道类别的难度上有一定程度的提高；而最近几届新的比赛组别，如节能、信标、四旋翼等都反映出比赛的多样性和创新性，这些比赛组别相对于经典摄像头和电磁组别而言，比赛环境和赛道等要求不高，其控制策略偏向于稳定、准确和创新性。第2章智能汽车硬件设计在智能汽车的整体设计中，硬件的设计至关重要。良好的硬件设计是智能汽车稳定运行的基本保证。智能汽车的硬件模块大致可以分为3部分，即传感器电路、驱动电路和辅助电路。传感器电路主要包括不同组别的智能汽车在识别赛道时使用的传感器及其外围电路，如摄像头使用的图像采集“硬件二值化”电路、电磁的“放大、选频”电路等；驱动电路主要是指用于摄像头、电动机、舵机的驱动电路；辅助电路包括信号的缓冲、光电隔离等电路设计。智能汽车整体方案概览如图2.1所示。图2.1 智能汽车整体方案概览在硬件设计过程中有很多需要考虑的因素，如强弱电的分离、模拟和数字信号的隔离、布线的合理性等。本章将从“电路原理设计”到“电路实物设计”的思路进行讲解，详细介绍智能汽车的硬件设计方案。本章的前5节主要介绍智能汽车基本电路的硬件原理，后两节根据前面介绍的原理进行实物设计。注意：本章内容是根据智能汽车竞赛考察的技术要点进行整合讲解的，从原理上阐述智能汽车硬件的设计制作过程，并提供在嵌入式系统中的制作思路，其应用不限于此次竞赛。2.1供电模块电路设计
智能汽车是依靠电能工作的，因此在智能汽车的硬件系统中有一个稳定可靠的电源系统是智能汽车正常运行的前提。然而，在智能汽车运行过程中，各传感器及其周边电路所需要的电压不尽相同，而根据大赛组委会的规定，智能汽车的电源只能是规定型号的充电电池，因此在硬件电路设计过程中，第一步就是给各电路单元设计好输出电压不同的供电电路。
在设计供电电路之前，首先要充分了解智能汽车电池的特性。智能汽车的充电电池标准规格为7.2V、2000mAh。根据实际使用过程中得到的经验来看，在电池充满电时，其电压能达到8.2V左右。随着使用时间的延长，电池的电压会缓慢下降，当电压下降到7.5V以下时，电池就不能提供足够的电流给电动机。根据电池的特性，要对所有恒压供电的器件提供稳定的电压才能保证智能汽车的稳定运行。
表2.1.1给出了智能汽车常用模块的电压需求情况，在下面的各小节中将对以上模块的供电方案进行详细解读。表2.1.1 智能汽车常用模块的电压需求情况2.1.1 单片机供电电路设计
单片机供电需求电压为5V或3.3V，这两种典型电压是根据智能汽车竞赛组委会规定的预选芯片种类而定的。其中，最常用的16位单片机MC9S12XS128的需求电压为5V，如图2.1.1所示；常用的32位单片机（如K60、ColdFire 52259等芯片）则为3.3V供电，如图2.1.2所示。大部分单片机的功耗并不大，所以不需要大电流稳压，但单片机需要一个稳定的电压保持平稳工作，所以单片机供电最好设计为独立供电，避免与其他负载并联导致负载变化时影响单片机供电而引起问题。
在单片机供电中，推荐使用三端固定式集成稳压器为单片机提供降压稳压供电。首先介绍一下三端固定式集成稳压器。图2.1.1 MC9S12XS128核心板图2.1.2 K60核心板
如图2.1.3所示为三端固定式集成稳压器的基本应用电路，只要把正输入电压加到三端固定式集成稳压器的输入端，稳压器的公共端接地，其输出端则可以输出芯片所表示的正电压。在实际应用电路中，芯片输入端、输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，通常还需要在芯片引出根部接小容量（0.1～10μF）电容到地，用于抑制芯片自激振荡，压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。电容的具体取值应随芯片输出电压的高低和应用电路的方式不同而变化。图2.1.3 三端固定式集成稳压器典型电路
常用的稳压芯片有78系列、LM2940、AMS1117等系列。由于78系列的稳压芯片发热量较大，不做推荐。在5V稳压方案中使用LM2940进行讲解，在3.3V稳压方案中则使用AMS1117-3.3。
图2.1.4和图2.1.5分别为LM2940和AMS1117-3.3的实物照片，关于实物封装的选择将在PCB设计部分进行介绍。图2.1.4 LM2940（STO-263-3）图2.1.5 AMS1117-3.3（SOT-223）
如图2.1.6所示，使用一片LM2940为5V单片机供电，其中，输入端的滤波电容为0.47μF和0.1μF，输出端的滤波电容为22μF和0.1μF。在输出端接入LED指示灯来检测稳压IC是否可以正常输出。其中，三端固定式集成稳压器也可换为AMS1117-3.3。
若使用3.3V供电的单片机，则可以在5V稳压后使用AMS1117-3.3进行二次稳压，从而给32位的单片机提供3.3V的电压，其稳压电路如图2.1.7所示。实例电路图中的滤波电容仅供参考，有余力的读者可以根据理论依据自行计算所需的滤波电容。在使用滤波电容时，应注意区分是否有极性，极性电容和非极性电容应区分使用。
值得注意的是，在三端固定式集成稳压器的使用过程中，一定要避免将输出端直接接地，直接接地很容易损坏三端固定式集成稳压器，进而对整个电路造成不可预估的影响。
上述三端固定式集成稳压器的示例电路都是根据芯片手册设计的，根据外围电路的不同，三端固定式集成稳压器还能实现其他更多功能。有关LM2940和AMS1117-3.3的更多功能请参考芯片手册自行设计。图2.1.6 LM2940 5V稳压电路示例图2.1.7 AMS1117-3.3 3.3V稳压电路示例2.1.2 舵机供电电路设计
在舵机供电部分，要根据舵机型号分别制订供电方案。A车的舵机为S3010（见图2.1.8），此舵机的额定工作电压为6V，在6V电压下其扭力达6.5kg·cm，动作速度为0.16±0.02s/60°。在实际使用中，为了使舵机转向更加灵活有力，常将舵机供电电压升至6.5V甚至更高。B车的舵机为SD-5（见图2.1.9）。相比A车，B车的舵机性能较弱，在额定工作电压为5V时，动作速度为0.16～0.14s/60°，扭力为5kg·cm。又因为SD-5舵机内部齿轮组的自身缺陷，无法负载更大的扭力，电压过高会导致齿轮碎裂，SD-5舵机一般使用5V供电。图2.1.8 S3010舵机图2.1.9 SD-5舵机
舵机供电在考虑供给足够电压的同时，还要考虑给舵机提供足够的电流。如果稳压芯片的最大通过电流小于舵机的最大工作电流，则可能制约舵机的性能发挥。
综合上述情况，在设计S3010舵机的供电方案时，推荐使用AMS1117-ADJ来实现。AMS1117-ADJ与固定电压的三端稳压器不同，它是一种稳压值可调的三端稳压器，其稳定电压通过外围电路中的电位器来调节。
通过图2.1.10可知，AMS1117-ADJ与上文提到的AMS1117-3.3都由SOT-223封装，但引脚的定义是不同的。AMS1117-ADJ外围电路设计方案如图2.1.11所示。图2.1.10 AMS1117-ADJ（SOT-223）图2.1.11 AMS1117-ADJ稳压电路示例
示例电路根据芯片手册给出的典型电路设计添加了LED指示灯来指示输出端是否正常。AMS1117-ADJ的1号引脚为调整端，2号引脚为输出端，3号引脚为输入端。这是它与其他三端稳压器不同之处，使用时要注意区分。在图2.1.11所示的方案中，使用1kΩ的电位器可以调节输出端的电压，精度可达0.1V。
根据上述稳压方案，可以给S3010舵机预置6V甚至更高的电压来提升舵机的扭力，使智能汽车在高速运行时有更出色的表现。而对于SD-5舵机，由于它存在自身缺陷，将电压预置在5V左右，过高的电压将大大增加舵机齿轮组损坏的概率。SD-5舵机也可使用LM2940实现5V定值稳压供电，电路设计方案与单片机5V供电方案相同。
由于舵机的工作电流普遍大于200mA，峰值电流可能达到800mA甚至更高，由此可见舵机的功率变化相对单片机和一般芯片来说浮动更大。上文中选取的稳压芯片的通过电流一般为1A左右，为了保证智能汽车的稳定运行，建议舵机的供电模块不要并联其他用电器或者增加二级稳压单元给其他模块供电。2.1.3 特殊传感器的升压供电
从表2.1.1中可以得知，大部分供电模块都能实现降压稳压的功能，其供电电压都低于供电电池的电压。然而在智能汽车的制作过程中，在部分特殊的传感器或者芯片需要为其提供高于电源的电压才能正常工作，如SONY CCD摄像头、MOS管电动机驱动H桥等。对于需要高于电源电压驱动的模块单元，可以购买成品的升压模块来升压，也可以自行设计升压电路。竞赛组委会指定的竞赛规则中禁止对电动机进行升压，但是对传感器模块允许使用升压电路。在升压电路的设计中，对大电流设备供电推荐使用LM2577-ADJ；对小电流设备供电推荐使用MC34063。
首先介绍LM2577-ADJ芯片，外形如图2.1.12所示。LM2577-ADJ的输入电压为3～30V，输出电压为4～35V，最高转换效率为92%，最大电流为3A，完全可以满足智能汽车所有需要升压电路单元的电源供给。
根据芯片手册给出的典型电路可以自行设计升压电路。图2.1.13所示为LM2577-ADJ的典型升压电路。图2.1.12 LM2577-ADJ（TO-263-6）图2.1.13 LM2577-ADJ升压稳压电路示例
许多参赛选手在比赛初期都使用5V摄像头，在调试过程中由于各种原因想更换为12V的CCD摄像头，在改动主板的情况下，可以自行制作或者购买升压稳压模块对12V的摄像头供电，模块照片如图2.1.14所示。
再来介绍一下使用MC34063的升压稳压方案，首先了解一下MC34063芯片，如图2.1.15所示。其输入电压为2.5～40V，输出电压为1.25～40V，输出电流可达1.5A，工作频率最高可达180kHz，并且静态电流低，可限制短路电流，该器件本身包含了AC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路，且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R-S触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC/DC变换器仅用了少量的外部元器件。图2.1.14 LM2577-ADJ升压稳压模块照片图2.1.15 MC34063（SOP-8）
MC34063可以根据外围电路的不同而实现很多不同的功能，在此只研究升压功能。升压电路方案如图2.1.16所示，升压电路如图2.1.17所示。图2.1.16 MC34063 升压稳压电路示例
图2.1.16所示为升压至16V的电路方案，主要用于MOS管H全桥电路的驱动升压。其他升压方案可自行参考资料搭建，也可购买现成的升压模块实现升压功能。图2.1.17 MC34063 升压模块
虽然12V的CCD摄像头的自身发热量相比CMOS摄像头要高一些，但是为了获取更高的图像质量和更优越的动态图像性能，很多选手选择这款摄像头参加比赛。在升压的同时保证足够的电流才能发挥CCD摄像头的优势，所以，建议使用LM2577-ADJ给CCD摄像头升压供电，保证电流的供给。SONY CCD摄像头示意如图2.1.18所示。图2.1.18 SONY CCD 摄像头（12V）
MC34063电流较小，作为MOS管的H全桥电动机驱动更为适合。由于MOS管是电压元件，需要电压来导通MOS管驱动电动机，而不需要大电流，所以MC34063更为合适。通过MOS管驱动电动机将在本章2.2节进行详细介绍。2.1.4 传感器等其他外设供电
其他传感器、外设、IC等供电则参考其需求进行配置。除电动机、舵机之外的电路单元一般不存在大电流器件，一般的稳压方案足以负载，则电压相同的电路电源可以并联供电。若担心稳定性，则可以对单独的电路单元进行单独稳压供电。
值得注意的是，在对缓冲芯片和光电耦合器进行供电时，一定要注意电平的匹配，如3.3V供电的单片机输出的控制信号要过缓冲芯片将信号匹配为5V电平，5V传感器获取的信号要经过缓冲芯片变换为3.3V的信号输入单片机中等。关于缓冲和光电耦合器的设计将在本章2.3节进行详细介绍。2.2电动机驱动电路设计
电动机的供电与上述电路单元供电有所不同，在智能汽车运行过程中，电动机的速度是根据传感器的反馈随时调整的。要实现电动机调速，像玩具四驱车那样用恒定电压对电动机进行供电无法实现。与舵机的工作原理类似，电动机的控制也是通过脉宽调制（PWM）信号实现的。主控单片机在接收并处理完成传感器传回的赛道信息后得出预期速度，通过脉宽调制（PWM）信号控制电动机的转速，从而实现调速。然而，单片机的输出信号电流非常小，根本不可能驱动电动机转动，所以需要一个专门的驱动模块来放大单片机输出的信号，并实现对电动机的驱动。这个驱动模块就是这一节要介绍的电动机驱动电路。
图2.2.1是一个典型的简单直流电动机调速驱动电路，功率管的选择由电动机的功率决定，其标称电流是电动机正常工作电流的3～5倍（电动机启动的时候存在较大的浪涌电流）。PWM信号的占空比决定电动机的转速，故电动机的调速可通过改变PWM信号的占空比来实现。使用此方案可以实现电动机的单向调速驱动，若要实现双向调速，就要使用H桥。H桥可以实现电动机的双向调速，即电动机可以正转也可以反转，并且都能通过控制信号来实现速度调整。本节重点介绍两种驱动方案，使用BTN7971的H全桥驱动方案和使用N-MOS管的H全桥驱动方案。图2.2.1 简单直流电动机调速驱动电路
在智能汽车运行过程中，电动机与舵机的控制都是通过单片机产生的脉宽调制（PWM）信号来实现的。当前，脉宽调制（PWM）在控制环节被广泛使用。在介绍控制电路前，首先介绍一下脉宽调制的相关原理。2.2.1 脉宽调制基本原理
PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。
PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，正是由于PWM控制技术在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术领域的重要地位。
1.基础理论
冲量相等而形状不同的窄脉冲（见图2.2.1）加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积；效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同，低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
2.面积等效原理
分别将如图2.2.2所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2.2.3（a）所示，其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2.2.3（b）所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异越小。如果周期性地施加上述脉冲，则i(t)响应波形也是周期性的，用傅里叶级数分解后可看出，各i(t)在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同。图2.2.2 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图2.2.3 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用一系列等幅、不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，把正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替正弦半波，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化，如图2.2.4所示。图2.2.4 用PWM波代替正弦半波
SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化，且和正弦波等效的PWM波形。
若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。
3.相关概念（1）占空比。占空比就是在输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM时钟周期的时间之比。如果一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000μs，如果高电平出现的时间是200μs，那么低电平的时间肯定是800μs，那么占空比就是200:1000，也就是说PWM的占空比为1:5。（2）分辨率。分辨率是指占空比最小能达到多少，例如，8位的PWM，理论上的分辨率就是1:255（单斜率）；16位的PWM，理论上的分辨率就是1:65535（单斜率）。（3）频率。频率是这样的，例如，16位的PWM，它的理论分辨率为1:65535，要达到这个分辨率，T/C就必须从0计数到65535，如果计数从0计到80之后又从0开始计到80……，那么它的分辨率就是1:80，但是它变化快了，也就是说PWM的输出频率高了。（4）双斜率/单斜率。假设一个PWM从0计数到80，之后又从0计数到80……这就是单斜率。假设一个PWM从0计数到80，之后又从80计数到0……这就是双斜率。
可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率低了一半，但是分辨率却变为1:(80+80) ＝1:160，也就是提高了一倍。
假设PWM是单斜率，设定最高计数是80，再设定一个比较值是10，那么当T/C从0计数到10时（这时计数器还是一直向上计数，直到计数到设定值80为止），单片机就会根据设定控制某个I/O口在此时是输出1或0或端口取反，这就是PWM的最基本的原理。2.2.2 H全桥的基本原理
了解脉宽调制之后再来了解一下H全桥驱动的基本原理。如图2.2.5所示，使用三极管搭建的H全桥可以很好地帮助初学者理解驱动原理。图2.2.5 H全桥基本原理示意12
如图2.2.5所示，电路中电动机的转动方向由I/O和I/O的电平来决定。12
①当I/O和I/O为00时，VT1、VT2导通，VT3、VT4截止，加在电动机两端的电压差为0，电动机不转。12
②当I/O和I/O为01时，VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，电动机转动。12
③当I/O和I/O为10时，VT1、VT4截止，VT2、VT3导通，电动机转动。
注：在情况②和情况③下，流经电动机上的电流方向相反，电动机转动方向也相反。12
④当I/O和I/O为11时，VT1、VT2截止，VT3、VT4导通，加在电动机两端的电压差为0，电动机不转动。
基于上述原理，可以实现电动机的正/反转控制。通过对脉宽调制（PWM）信号占空比的调整，可以实现速度的调节。
理解了H全桥及脉宽调制的基本原理，下面来详细说明智能汽车驱动的设计方案。2.2.3 A型车模、D型车模电动机驱动方案
A型车模是广大车友公认的、最好用的车模，除了其具有良好的机械性能外，还因为其电动机的功率适中，驱动方式简单；而D型车模是自平衡组专用的车模，车上有两个电动机，电动机功率小于A型车模，驱动起来也很简单。广大车友在设计驱动时最常用的驱动方式（也是相对简单且成熟的驱动方式）为使用BTN7971芯片来实现H全桥的搭建。BTN7971芯片是应用于电动机驱动的大电流、半桥、高集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。P沟道高边开关省去了电荷泵的需求，因而减小了EMI。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生及过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTN7971芯片的可输入电压为4.5～28V，驱动电流可达70A，完全可以满足A型车模和D型车模的电动机需求。图2.2.6所示为BTN7971芯片外形照片。图2.2.6 BTN7971（TO-263-7）
BTN7971芯片集成度非常高，使用起来没有三极管搭建的H全桥那样繁杂。每一片BTN7971芯片就是一个半桥，两片BTN7971芯片即可组成一个H全桥电动机驱动电路。具体驱动方案如图2.2.7所示。
在图2.2.7中，N3和N9为输入的脉宽调制（PWM）信号，OUT1和OUT2分别接电动机的两极，如此便可实现电动机的正/反转调速。通过改变两路脉宽调制（PWM）信号的占空比，使OUT1与OUT2两端产生电压差，电动机就会转动。
初学者可以购买成品的BTN7971电动机驱动模块来学习、体会PWM信号调速的基本原理，融会贯通之后再将电动机驱动做到自己的主板上。BTN7971成品模块如图2.2.8所示。图2.2.7 BTN7971芯片H全桥电动机驱动电路方案图2.2.8 BTN7971电动机驱动成品模块
使用BTN7971芯片作为电动机驱动有诸多优点，如芯片集成度高、控制方法简单、外围电路简单等。但是，BTN7971芯片也有其自身的不足，过高的集成度也导致该芯片内阻很大，在有PID参与的智能汽车速度调控中很容易发热，温度过高会导致芯片过热保护而停止工作。所以，BTN7971芯片更适合驱动功率相对适中的A型车模和D型车模，A型车模所配电动机功率约为26.5W，D型车模所配电动机功率约为11.5W，显然BTN7971芯片的驱动能力远大于此。对于电动机功率相对较大的B型车模来说，使用BTN7971芯片不是最理想的驱动方式。2.2.4 B型车模电动机驱动方案
在设计B型车模电动机驱动方案前，先来看一下B型车模电动机的基本参数。
工作电压：DC7.2V。
空载电流：1.72A。
最大电流：9.71A。
空载转速：23400RPM±10%。
负载转速：19900RPM±10%。
最大功率：61.75W。
由此可见，B型车模电动机功率较大，用BTN7971芯片驱动时，在PID调速情况下很容易出现过热现象。这是因为BTN7971芯片自身内阻较大，在大电流通过芯片时会产生较大热量。如果散热不及时，有可能导致芯片过热保护而失去驱动能力。针对此情况，需要使用另一种大电流驱动方式来解决B型车模的电动机驱动问题，即N-MOS H全桥电动机驱动。
图2.2.9所示为N-MOS和P-MOS原理示意，首先了解一下两者的特性与区别。图2.2.9 N-MOS与P-MOS原理示意（1）N-MOS的特性。vgs大于一定值就会导通，适用于源极接地的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。（2）P-MOS的特性。vgs小于一定值就会导通，适用于源极接CCV的情况（高端驱动）。虽然P-MOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大、价格贵、替换种类少等原因，在高端驱动中通常还是使用N-MOS。
N-MOS的导通电阻小，且容易制造也是它被常用的原因。在MOS管原理示意中可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管，也叫“晶体二极管”，在驱动感性负载（如电动机）时，这个二极管很重要。
N-MOS管，即N沟道场效应管，其连接方式可以类比三极管，在H全桥的设计中，可以参考本节三极管H全桥电路搭建N-MOS电动机驱动电路。在本部分的驱动设计示例中，使用IR2104（见图2.2.10）来驱动N-MOS管，采用的N-MOS管为LR7843（见图2.2.11）。
查阅芯片手册可知，LR7843芯片的最大电流可达100A以上，且自身内阻很小，所以使用LR7843驱动B型车模电动机完全克服了BTN7971芯片的发热问题。查阅IR2104的芯片手册可以得到搭建N-MOS电动机驱动的典型电路，但是其中的相关电容值要根据电动机的功率进行合理计算。图2.2.12给出N-MOS电动机驱动的参考电路原理。
在图2.2.12所示的H全桥电动机驱动电路原理中，将控制信号输入IR2104中，使用一片IR2104可以控制两个N-MOS管成为一个半桥，两路相同的半桥接入电动机两极实现H全桥驱动。方案中的电容和电阻给出参考值，C2、C4使用10μF的钽电容即可。在智能汽车制作过程中建议读者自行计算，使得驱动性能更加完善。图2.2.10 IR2104（SOP-8）图2.2.11 LR7843（TO-252）图2.2.12 IR2104 + LR7843H全桥电动机驱动电路示例
与前文提到的BTN7971芯片不同的是，使用此方案需要接入12V或者更高一点的电压作为原理叙述中的vgs使得N-MOS管可以导通。这里就可以使用2.1节介绍过的升压电路来实现12V电压的供电。另外，配合使用74HC00与非门芯片，组成的使能端可以获得更加可靠的驱动性能。
图2.2.13所示为74HC00使能端设计电路示例。图2.2.13 74HC00使能端设计电路示例
在设计好驱动板后，建议先使用万用板焊接电路测试功能，然后再制作PCB。若制作经验不足也可购买驱动模块借鉴其设计方案，驱动模块如图2.2.14所示。图2.2.14 N-MOS电动机驱动模块
在电动机驱动方案设计中，还有更多的方案可以选用，如采用LN293、LN298、MC33886等。前两者适用于电流较小的直流电机驱动；后者通过两片级联后增大负载电流，可用于智能汽车的设计。在设计电动机驱动方案时可根据项目整体情况自行选择。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]