CCD视频传感器的智能车路径识别控制系统

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告基于CCD视频传感器的智能车路径识别控制系统（下）4.2电源管理模块设计电源是一个系统正常工作的基础，电源模块为系统其他各个模块提供所需要的能源保证，因此电源模块的设计至关重要。

模型车系统中接受供电的部分包括：传感器模块、单片机模块、驱动电机模块、转动电机模块以及其它的外围辅助模块等。

设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、噪声、干扰和电路简单等方面进行优化。

可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。

全部硬件电路的电源由7.2V，2A/h的可充电镍镉电池提供。

由于电路中的不同电路模块所需要的工作电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。

本系统主要用到了以下几个不同的电压，如表4.1所示。

电源模块由若干相互独立的稳压电源电路组成。

在本系统中，除了电机驱动模块的电源是直接取自电池外，其余各模块的工作电压都需要经电源管理芯片来实现。

5V电源的实现是通过电源管理芯片TPS7350来实现的。

TPS7350是一款低压稳压芯片，能提供5V的固定电压输出。

TPS7350低压差稳压芯片克服了早期稳压芯片的缺点，而且还增加了如节电待机模式和供电管理等功能。

与其它的稳压芯片一样，TPS7350需要外接一个输出电容来保持输出的稳定性。

出于稳定性考虑，需要在稳压输出端和地之间接一个10uF低等效电阻的电容器。

除非该等效电阻小于1.2欧姆，否则引入的陶瓷电容或薄膜电容器会使输出的电压不稳定。

在很小或根本就没有旁路电容的情况下，输出电容可以减少到4.7uF，所提第四章系统硬件设计供的等效电阻维持在0.7到2.5欧姆。

因为电容的等效电阻很小，有必要串联一个0.5～1欧姆的电阻，并且限制该电阻不超过1.5欧姆。

表4.1 系统所用到的电压图4.2是6V电压生成电路。

该电路与5V实现电路最大的区别就是在图2.2使用了两个二极管D202和D203来提高TPS7350的地电位，实现6V电压输出。

图4.2 TPS7350（6V）工作原理图第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告在上图中，注意到TPS7350有一特殊的输出引脚，该引脚为复位(RESET)。

TPS7350的复位引脚（RESET）作用是：控制输入端电压，以调节输出端电压，当输出电压高于4.65V时，复位输出端RESET为高电平。

当输出电压低于4.65V 时，RESET输出低电平。

当输出电压又变为高于4.65V时，RESET在保持200ms 的低电平后，变为高电平。

另外，CCD传感器还用到了12V电压，所以还要用MAX734来实现12V 的电压输出。

如图4.3所示，通过电感L301和电容C301、C302 网络的7.2V的电源电压，在经过电源管理芯片MAX734后，输出+12V的稳定电压。

SHDH为闭锁引脚，低电平有效。

SS为软启动引脚，在SS和地之间的电容提供了软启动和短路保护的功能。

CC为电容补偿输入，构成补偿反馈环。

VOUT为输出引脚，固定的+12V电压输出，V+为电压输入引脚，将通过滤波后的电源电压引入该引脚。

图4.3 MAX734工作原理图4.3视频分离电路LM1881视频分离芯片LM1881外围电路如图4.4所示，1脚为复合同步输出第四章系统硬件设计（COMPOSITE SYNC OUTPUT）端口，将该端口的信号作为行同步的标志，当该端口有信号输出时，表示采集到一行数据，将它的输出作为行同步信号，连接到单片机的IRQ端口，在IRQ中断中对采集到的视频信号进行处理。

2脚为视频信号的输入端，该端口接收CCD传感器采集到的视频信号。

3脚为垂直同步输出(VERTICAL SYNC OUTPUT)引脚，该引脚的信号作为场同步信号，当该引脚有信号输出时，表示采集到一新场，将它连接到H端口。

图4.4 LM1881外围电路4.4直流电机驱动电路用MC33886电机驱动H桥芯片作为电机的驱动芯片，通过S12输出的PWM 信号来控制电机。

如图4.5所示。

VPWR为电源电压7.2V，当D1接低电平，D2接高电平时，电机驱动芯片MC33886开始作用。

IN1和IN2是该芯片的两个输入引脚，OUT1和OUT2是芯片的输出引脚（各有两个，可同时控制2个电机的运转，因模型车只有一个电机，所以可以将它的两个OUT1和两个OUT2并在一起，增大芯片的带负载能力），它们随着输入PWM信号的占空比的不同，输出的电压不同，从某种意义上说，MC33886就是一款将占空比转换为电压的芯片。

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告在本系统中，引入了可接跳线的插孔，可以方便地对MC33886的各个引脚进行控制。

因为当MC33886正常工作时，需要将使能端D1和D2分别接地和高电平。

所以，除了用单片机的输出引脚对D1和D2 进行控制外，可以使用跳线将D1和D2直接与地和电源相连。

而且，从图中还可以看到，当用跳线将J4相连后，输出端OUT2的经过发光二极管后可以触发二极管的亮灭，方便对当前芯片输出情况的监控。

图4.5 MC33886工作原理图另外，为了更快的减速，本队考虑了利用电机的倒转进行减速的过程，方法是：MC33886的23通道输出作为直流电机的一端输入，而45通道输出作为直流电机另一端的输入，这样，直流电机就会根据两个输入端的差值来运转，即可实现正转和倒转。

当智能车需要急刹车的时候，可以适当的进行倒转，来达到快速减速的过程。

不过，这个过程也对电机和MC33886有一定的损耗，所第四章系统硬件设计以利用的时候应十分谨慎。

4.5转速测量电路为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行，除了控制前轮转向外，还需要控制小车的车速，使模型车在急转弯时速度不至于过快而冲出赛道，同时也使小车在直线段时以较快的速度行驶。

所以要时刻把握当前小车的速度，并根据小车所处的位置来实时调整小车的速度。

通过速度检测，可以消除或降低电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力等的影响，使得小车在赛道上运行得更精确。

本系统采用频率-电压转换芯片LM2907结合带齿槽结构的圆盘来实现小车的速度检测。

即将具有齿槽结构的圆盘固定在后轮驱动电机输出轴上，采用直射式红外传感器读取齿槽圆盘转动脉冲。

将该脉冲信号输入频率-电压转换芯片，可得出相应于输入脉冲的电压值。

然后将该电压信号输入MC9S12DG128芯片的A/D端口，得出当前转速的数字量。

将该数字量于期望的转速相比较，来调整小车的速度。

LM2907单片集成频率-电压转换芯片由比较器、充电泵、高增益运算放大器组成，能将频率信号转换成电压信号[2]。

为了获得最佳性能，必须仔细选择合适的电阻R1和合适的电容C1。

定时电容还为电荷泵提供内部补偿，为了使元器件取得准确的转换结果，其值应大于100uF，太小的电容会在R1上产生误差电流，特别是低温条件下更应该如此。

LM2907的外围电路如图4.6所示。

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告图4.6 LM2907工作原理图需要注意的是，必须抬高11引脚（参考电压端）的电压，否则不能获得跟随输入频率的输出电压。

因此， 系统通过分压电阻网络抬高11脚电平。

如图所示，通过R2=50k 和R3=30k 将11脚电平提高到1.875V 。

其实，只要将该脚的电平值提高到一定的数值，就可实现跟随输入频率的输出电压[18]。

引脚3的输出电流是内部固定的，因此V O /R1值必须小于或等于此固定值。

于是有：m a x ma x 1S S I V R ≥ 公式4.1其中max S V 是满刻度输出电压，max S I 为150uA 。

但是如果1R 太大，将会影响3脚的输出阻抗，从而使频率－电压转换的线性度变差。

其次，还要考虑输出纹波电压，以及1R 和2C 的影响。

引脚3的纹波电压RIPPLE V 可用下式计算：11(1)222C C C C IN R IP P LE V V F C C V C I ⨯⨯=⨯⨯- 公式4.2第四章 系统硬件设计1R 的选择与纹波无关。

但是响应时间，即输出V OUT 稳定在一个新值上需要的时间会随着2C 的值增加而增加，因此必须在纹波、响应时间和线性度之间仔细地进行折衷选择。

最后，最大输入频率由CC V ，1C 和2I 共同决定：21M AX C C I F C V =⨯ 公式4.31C 和2C 的选择： 11fullscaleC C fullscale V C R V F =⨯⨯ 公式4.4将系统所能忍受的纹波电压输入上面的纹波函数公式4.2，即可得2C 。

在测试过程中，系统检测到无论输入频率增加到多大，其输出最大电压为约为V V O 62.3=而固定在小车后轮转轴上的圆盘齿槽数为20个（即小车车轮没转动一圈，透射式光电传感器能检测到20个脉冲信号），所以当小车以占空比为1时全速运行，其有最大的输出频率Fmax ，经检验，Fmax=600Hz 。

k uA VR 1.2415062.31=≥方案一：选择R1为100k ，将R1=100k 带入公式4.4，可得3.62112.1()1005600C nf ==⨯⨯设系统能忍受的速度偏差为0.05m/s ，因为车轮的直径为51mm ，则将速度偏差转换为相应的频率值为0.05134()0.051 3.14F H z =⨯=将该频率转换为电压值为110.024()C C V F V R C V =⨯⨯⨯=纹波电压为0.024V ，由（4.2）式可知，最大的纹波电压发生在频率最小的时刻（即输入频率为0的时刻），将R IP P LE V =0.024V 带入公式4.2，可得第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告12 1.26()2C C RIPPLE V C C uf V ⨯==⨯因此，系统选择C1为10nf ，C2为1uf ，R1为100k 。

其所对应的频率-电压表如表4.2所示：表4.2频率-电压转换表第四章 系统硬件设计由该频率-电压对应表拟合的频率-电压转换曲线如图4.7所示图4.7 频率-电压转换曲线方案二：系统选择R1为51k ，将R1=51k 带入公式4.4，可得3.62123.6()515600C nf ==⨯⨯在此系统选择1C 为33nf .设系统能忍受的速度偏差为0.05m/s 。

0.05134()0.051 3.14F H z =⨯=将该频率转换为电压值为V C R V F V CC 036.011=⨯⨯⨯=纹波电压为0.036V 。

由公式4.2可知，最大的纹波发生在输入频率最小的时刻（即输入频率为0的时刻）。

将R IP P LE V =0.036V 代入公式4.2，可得12 2.5()2C C RIPPLE V C C uf V ⨯==⨯在此系统选择1R 为51k ，1C 我33nf ，2C 选择2.5uF 。