智能车基础

利用上下计数模式消除死区。
定时器 A —— 捕获/比较模块 （1/5）
Timer_A有多个相同的捕获/比较模块，为实时处理提供灵 活的手段，每个模块都可用于捕获事件发生的时间或产生定 时间隔。 通过TACCTLx中的CAP位选择模式，该模块既可用于捕获 模式，也可用于比较模式。 当发生捕获事件或定时时间到都将引起中断。 捕获/比较模块的结构，如下图所示。
• IN1，IN2相对占空比决定了正转反转，以 及转速 • 如果一个周期内IN1均值大于IN2均值，电 机正转，反之，则反转。 若IN1均值与IN2 均值差越大，则正转速度越大 • 同理，IN3和IN4也是如此决定另一侧车轮 转向及转速
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• 思考题？如何控制占空比，来控制电机？
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定时器

异步16位定时器/计数器 连续、递增-递减、递增计 数模式
Байду номын сангаас
TACLK ACLK SMCLK INCLK
16-bit Timer TAR
Count Mode Set TAIFG CCR0


3个捕获/比较寄存器
PWM 输出 中断向量寄存器，实现快速 中断响应
CCR1
CCR2 CCI2A CCI2B GND VCC CCI SCCI Y A EN Output Unit2 Set CCIFG2 Capture Mode TACCR2 Compararator 2
智能车基础
王中方 wangzhongfang@mail.xjtu.edu.cn
• • • • •
智能车介绍 智能车组成 电机驱动 红外测距 相关技术
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智能车概念
• 智能车辆是一个集环境感知、规划决策、 多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统， 它集中运用了计算机、现代传感、信息融 合、通讯、人工智能及自动控制等技术， 是典型的高新技术综合体。 • 智能车是以汽车电子为背景，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的汽车模型。
• 接口
– 需外接倍频电路或鉴相器等进行计 数和判别转向
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电机驱动
• 电动小车的驱动系统一般由控制器、功率 变换器及电动机三个主要部分组成。 • 电动小车的驱动不但要求电机驱动系统具 有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性， 而且电机的转矩-转速特性受电源功率的影 响，这就要求驱动具有尽可能宽的高效率 区。
当捕获完成后，定时器的值被复制到 TAxCCRn 寄存器， 并且中断标志 CCIFG 置位。如果总的中断允许位GIE允许， 相应的中断允许位CCIE也允许，则将产生中断请求。如下 图所示：
定时器 A —— 捕获/比较模块 （5/5）
◆
比较模式
当TACCTLx中的CAP = 0，该模块工作在比较模式。
PCB图
5V电源输出
输入控制
12V电源输入
out1,out2
Out3,out4
• 电机驱动连线 • 12V直流电压接到L298左下角二端子。 • 左上角是5V输出，为单片机供电
• • • • 单片机控制L298N的输入 IN1——IN4 L298N输出 分别连接到两个二端子上 可先连接好，先试试正转反转，是否正确 IN1,IN2一组，IN3，IN4一组，互换，转向 变换。 33
比较方式主要用于为软件或应用硬件产生定时，还可为 D/A转换功能或者马达控制等各种用途产生脉宽调制 （PWM）输出信号。 在计数器TAxR计数到TAxCCRn（n 代表具体的捕获比较 寄存器）的值时：
▲ 中断标志 CCIFG 置位 ▲ EQUx 根据输出模式影响输出
▲ 输入信号
CCI 被锁存在 SCCI
• 在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断 电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、 断电的时间，即可让电机转速得到控制。
• 设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax， 设占空比为D=t／T，则电机的平均速度为
Vd=Vmax×D 式中， Vd 电机的平均速度；
Vmax电机全通电时的速度(最大)；D=t1／T占空比。 当我们改变占空比D=t1／T时，就可以得到不同的 电机平均速度Vd ，从而达到调速的目的。在一般 应用中，可以将平均速度Vd与占空比D近似地看成 线性关系。
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编码盘
• 原理：在码盘两边分别安装光源及光电元件。当码盘随
被测物体的工作轴转动时，每转过一个缝隙，光电元件所 获得的光强就发生一次明暗转换，光电转换电路就产生一 定幅值和功率的电脉冲输出信号。
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• 原理
光电编码器
– 由对射式或反射式光电开关和边缘 刻有一圈方孔的旋转编码盘组成 – 输出脉冲频率与转速成正比 – 在编码盘上刻有数量相等但位置交 错的两圈方孔，用两个光电开关输 出两个相位相差90°的脉冲，通过 判断脉冲的相位可以判断电机的运 转方向。
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速度传感器
• 原理
– 将车轮转动转化为电脉冲信号 – 根据单位时间内脉冲数推算车轮转速，从而获 得车速
• 类型
– 霍尔传感器 – 编码盘 – 光电编码器
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霍尔传感器
• 霍尔效应：当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流
的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。
• 接口：安装在车轮
上的永磁铁经过霍尔元件 集成的开关，触发脉冲。 使用两个开关可判断车轮 转向。
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摄像头
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智能车的组成
• • • • • • • • 车体 电机 微处理器 测距模块 测速模块 通信模块 循迹模块 ……
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• • • • • •
车体： 玩具车改造 购买车模 自己制作； 四轮 三轮车
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• 电机：是指依据电磁感应定律实现电能转 换或传递的一种电磁装置
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• 1.按驱动方式可分为直流电机和步进电机。。 • 直流电动机是依靠直流工作电压运行的电 动机，广泛应用于执行元件、录像机、电 动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等。 • 直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普 通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速 箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转 速，较大的力矩。
主计数器结构
包括时钟源选择、预分频器、计数器和计数模式几个部分
TACTL相关控制寄存器， 控制字：TASSELx 定时器A时钟源选择 Idx：预分频
定时器的计数模式
停止模式 连续计数模式
0FFFFh
0h
增计数模式
0FFFFh 0FFFFh
增/减计数模式
CCR0
CCR0
0h
0h
定时器 A 工作模式 ——增计数模式 （1/5）
定时器 A —— 捕获/比较模块 （3/5）
◆
捕获模式 当TACCTLx中的CAP = 1，该模块工作在捕获模式。
每个捕获/比较寄存器可以用来记录时间事件，例如：
▲ 测量软件程序所用时间 ▲ 测量硬件事件之间的时间 ▲ 测量系统频率
用CM1和CM0 位选择捕获条件，可以选择禁止捕获、上 升沿捕获、下降沿捕获或者上升沿下降沿都捕获。
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直流电机控制
• PWM可以应用在许多方面，如电机调速、 温度控制、压力控制等。 • 在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固 定的频率来接通和断开电源，并根据需要 改变一个周期内“接通”和“断开”时间 的长短。通过改变直流电机电枢上电压的 “占空比”来改变平均电压的大小，从而 控制电动机的转速。
• 其实物及引脚图如下所示：
实物图
L298内部的原理图
OUT1 OUT2
6V动力电源
OUT3
OUT4
IN1 IN2 ENA
IN4 IN3 ENB
L298的逻辑功能
•
IN1
X 1 0 0 1
IN2
X 0 1 0 1
ENA
0 1 1 0 0
电机状 态 停止
顺时针 逆时针 停止 停止
12V电源输入
• 根据步进电机的驱动原理，可以通过控制一 个周期内脉冲个数来控制角位移量，从而达 到准确定位的目的。 • 可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速 度和加速度，从而达到调速的目的。 • 步进电机系统多半以“开环方式”进行操作。
• 直流电机则是以电机电压为控制变量，以 位置或速度为命令变量。直流电机需要反 馈控制系统，他会以间接方式控制电机位 置。 • PWM是通过控制固定电压的直流电源开关 占空比，从而改变负载两端的电压，进而 达到控制要求的一种电压调整方法。 • 电压越大，电机转速越大。
• 我们所使用的电机一般为直流电机直流电 机的控制很简单，直流电源也容易实现。 • 直流电机的驱动及控制需要电机驱动芯片 进行驱动。常用的电机驱动芯片有L297/298， MC33886，ML4428等。 • 下面我们主要对L298进行详细的讲解。
L298驱动芯片
• L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。是一 种二相和四相电机的专用驱动器，即内含 二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器， 接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、 2A以下的电机。
定时器 A —— 输出单元（2/5）
OUTMODx 模式 说明
000
001 010 011 100 101 110
输出模式0： 输出
输出模式1： 置位 输出模式2： 翻转/复位 输出模式3： 置位/复位 输出模式4： 翻转 输出模式5： 复位 输出模式6： 翻转/置位
5V电源输输 电机驱动模块连接图 出
电机1
电机2 控制信号
• L298有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，上 图中5V为逻辑电源，12V为动力电源。P1接入 12V动力电源，经过LM7805生成5V电源，供单片 机和其他电路使用。P2分别为单片机控制两个电 机的输入端，P3与P4分别与两个电机的正负极相 连。 • 由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态 突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到 逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中 加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进 行泄流，保护芯片的安全。
• 步进电机 • 步进电机是以步阶方式分段移动，直流电 机和无刷直流电机通常采用连续移动的控 制方式。 • 步进电机采用直接控制方式，它的用途是 将电脉冲转化为角位移，通俗的说：当步 进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动 步进电机按设定的方向转动一个固定的角 度（步进角）
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步进电机的控制方式


可触发DMA
多个时钟源可选 所有430均有Timer_A
定时器 A —— 特性（1/1）
◆ 定时器
A 由一个16位定时器和多路捕获/比较通道 两部分组成。 主计数器负责定时，计时和计数。计数值（TAR寄存 器的值）被送到捕获比较模块中，可在无CPU干预下 根据触发条件完成某些测量和输出功能。 TACTL控制主计数器工作模式，状态 TACCRx可提供额外的触发中断条件，在PWM输出 模式下，可用于设置占空比和周期。 在捕获模式，TACCRx存放捕获结果
捕获/比较寄存器TAxCCR0用作Timer_A增计数模式的周期 寄存器。 计数器TAxR与TAxCCR0的值相等(或TAxR大于TAxCCR0 的值)时，定时器 TAxR将立即重新从 0 开始计数。 产生定时中断比连续计数简单，多用来产生周期性定时中 断
定时器 A 工作模式 ——连续数模式 （1/3）
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直流电机结构
直流电机的结构应由定子和转子两 大部分组成。直流电机运行时静止不动 的部分称为定子，定子的主要作用是产 生磁场，由主磁极、换向极、轴承和电 刷等组成。运行时转动的部分称为转子， 其主要作用是产生电磁转矩和感应电动 势，是直流电机进行能量转换的枢纽， 所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁 心、电枢绕组、换向器等组成。
此模式下，定时器从当前值计数到0FFFFH后，又从0开始 重新计数。 在捕获模式下使用较多，定时器自由运行，根据事件发生 时自动记录计数值，对比几个计数值确定时间间隔或事件发 生时间。
定时器 A 工作模式 ——增/减计数模式 （1/3）
该模式下，定时器先增计数到TAxCCR0的值，然后反向减 计数到0。计数周期是TAxCCR0计数器数值的2倍。 多用于PWM发生器，借助增减模式，能够产生带死区的对 称PWM驱动波形，可直接驱动半桥电路，无需专门死区控 制电路
定时器 A典型应用——实现PWM （3/5）
如果PWM信号占空比随时间变化，那么经过滤波之后的输 出信号就是幅度变化的模拟信号，因此通过控制PWM信号的 占空比，就可以产生不同的模拟信号，实现D/A转换。如下图 所示：
◆
◆ PWM不需要修改占空比和时间时，CPU在做完Timer_A初
始化工作之后，Timer_A就能自动输出PWM，而不需利用中 断维持PWM输出，此时CPU就可以进入低功耗状态。