智能电动车联网系统硬件模块的研究与设计

智能电动车联网系统硬件模块的研究与设计

摘要：本课题选用飞思卡尔（Freescale）半导体公司推出的Kinetis系列微控制

器K60为核心控制器，该系列芯片具有很好的数据处理能力以及丰富的外设资源。在硬件方面再配以摄像头，无线模块等，使得我的硬件设计简单，集成性好，工

作稳定，操作方便，容易实现；在软件方面从数据的采集，处理，PID控制方法

等方面详细阐述了该智能电动小车的原理和设计思想，再通过无线技术，传输采

集的数据，在上位机上时时的显示赛道的信息，让人直观的看到车辆行驶的状况。这些方法体现了该智能电动小车硬件设计的合理性等优点。

关键词：飞思卡尔单片机；摄像头；控制算法；上位机

引言

在今天的社会生活中，车辆与我们息息相关，然而车辆发展到现在还不是很

完备，特别是在智能化、节能环保以及安全性等方面，这是由于在智能，环保，

安全上并没有很好地解决好这些问题，从而导致交通越来越拥堵、环境污染越来

越严重，重大交通事故越来越多等问题[1]。智能电动联网汽车可以减少交通事故，可以减少环境污染；可以让汽车采集路况信息并将信息传送给城市交通指挥中心，从而可以选择最佳的行车路线，进而有效避免交通拥堵。这样在道路上，即使没

有信号灯，汽车也可以保持高速的行车速度，路上也不会有堵塞，事故的现象，

从而解决城市交通问题及环境污染问题。

1实际应用的五点总结

因为传感技术，无线通信技术和GPS技术在现阶段已将各自发展的相对成熟，那么在未来的汽车交通中可以试着结合这几种技术，这样就可以全方位，多层次

的建立车辆之间的联系。这种综合的技术将被主要应用在如下几个方面：

1.1交通事故的急救

当大型事故发生时或者特殊事件时，车辆就会自动开启车载系统发射求救信号，通过车载无线通信系统发出求救信息给通信中心工作人员，工作人员可以利

用GPS技术对事故地点进行精确的定位，并及时作出最优的救援方案，并且在救

援与车内人员进行沟通，稳定车内人员的情绪，减少他们精神，生命，财产的损

失[2]。

1.2出行自动导航

还可以根据司机目的地和实时路况信息，最快到达目的地的路径，甚至为出

租车司机寻找最有可能少走路线多载乘客的路线。很多国际大型汽车公司都已经

开始了实验：日本丰田与2009年引入一个G-Book智能副驾系统，美国通用汽车2009年将凯迪拉克和别克等车型上使用nStar技术，福特，日产等汽车企业相继

发布了网络中心车载平台。在未来的道路上我们将会看到老人，小孩，残疾人，

盲人都可以随心所欲的驾驶着自己的汽车，人类社会将变得更加和谐美好[3]。

1.3交通管理

将先进的信息分析技术，传感技术，无线通讯技术，自动控制技术以及计算

机网络技术等有效地集成，运用于整个交通管理，从而在交通上全方位发挥作用的，准确高效的运输和管理[4]。

1.4缓解驾驶疲劳

车联网技术的未来，红绿灯将不会出现在城市交通，交通拥堵，交通事故和

停车难都将得到有效的解决。现如今驾驶者在驾驶过程中极度的紧张了和疲劳，

这种技术可以让驾驶者不必考虑交通的路况，尽情的享受车外的美景。

1.5用于协助驾驶

利用车辆与公路的通讯设施之间进行传感和通信，例如车辆发生交通事故、

汽车在郊外抛锚、道路紧急情况以及无法预测的危险等，通过车联网可以提前告

知将要经过发生交通事故路段的驾驶者，这有利于驾驶者及时的更改线路，缩短

行程的时间，同时也有利于道路的畅通，而且这些还有助于驾驶者把注意力放在

安全上，保持车距，提高安全性。另一方面路况信息及时的进行车与车之间的通

信可以方便与很多驾驶者，就能有效缓解交通拥堵[5]。同时，智能停车场管理也

可引入协助驾驶技术，例如车主驾驶到一个从未来过的地方，就可能造成车主找

不到停车的地方，此时就可通过车联网或者车与车之间的通信进行搜索，找到合

适的停车位，使行程更加方便，快捷，美好。

2系统方案设计

本课题设计主要研究基于飞思卡尔半导体公司生产的MK60DN512为核心控

制模块，通过OV7725，CMOS摄像头对小车行驶的赛道进行数据采集，使用硬件

模拟比较器对采集回来的数据进行二值化处理还原真实图像，找到赛道俩边的黑线，计算赛道的中心线位置；通过安装在车轮上的欧姆龙编码器检测获得小车的

行驶时速度，使用PID控制算法和PD控制算法分别调节电机的转速和舵机的转

向角度，从而实现了对小车运动速度的PID控制和运动方向的PD控制。并且通

过无线传输将赛道的信息，智能车的位置，速度，舵机转角等参数时时的显示在

上位机上，以便数据共享。为车联网做好准备[6]。

3硬件方案设计

本设计的核心板选用的是飞思卡尔的核心板K60，经摄像头OV7725采集回来赛道信息，再硬件二值化处理，DMA传输到处理器，对数据进行分析处理，判断

赛道是直道还是弯道，如果是直道则通过编码器采集回来的速度信息对小车进行

加速；如果是弯道则对小车进行减速且对舵机进行转角控制，实现闭环控制。把

所有的数据通过蓝牙传送到上位机，使我们可以清晰的看到小车在行驶过程中对

赛道的识别状态及数据共享。

4电源模块的设计

本车使用的是7V2（理论7V2，但是真的充好电了可以达到10V，甚至更高）

的电池，所以要降压。常用的电源主要有二大类：

4.1串联型线性稳压电源

优点是：产生的电信号纹波小，所需的外围电路少。缺点是：由于大部分的

能力以热量的形式耗散，所以其效率不高。

4.2开关型稳压电源

优点是：由于电路中有储能元件电容电感，所以功耗小，效率高。缺点是：

所需外围电路比较复杂，产生的电信号的纹波大。不适合为单片机所需要的3V3

供电。综合以上考虑：我选用线性度好的串联型线性稳压电源LM2940-5和

LM1117两次降压得到3V3为单片机供电。这样单片机的电源是绝对不会有问题

的了；再选用开关型稳压电源LM2596-5单独为舵机供电，就会很好的满足舵机

所需的大电流要求；剩余的电路再选用一片LM2940-5为其供电。这种分开为控

制电路和驱动电路供电的方法在后续制作硬件的过程中被证明是可行的，有效的

解决了舵机供电电流不足和单片机工作过程中受干扰的现象。

5核心板模块的设计

这款核心板的优点就是硬件做的紧凑，功能全：指示灯，SD卡都有了，而且

重量轻；它的缺点就是：它的下载接口是OSJTAG，我们大多数的下载器是JLINK，