飞思卡尔硬件设计

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作为一名大三的学子,很有幸参加了第九届全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛。作为一个机械可谓是一张白纸,因为大二曾经自学过机电自动化方面的知识,这对整个制作起到了关键的作用。

全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛起源于韩国,是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的大按传感器类别分为摄像头组、光电组、电磁组、创意组。该竞赛是在规定的模型汽车平台上,使用司的8位、16位微控制器作为核心控制模块,通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应个能够自主识别道路的模型汽车,按照规定路线行进,以完成时间最短者为优胜。该竞赛涵盖自动传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。

我们组所参加的光电组,主要是以光电传感器或者线性CCD(现已禁止使用激光传感器)作我们组选用的是飞思卡尔半导体公司的16位微处理器——RAM内核的K60系列,基于组委会指制作智能车,B车模相对来说,车模采用舵机控制前轮转向,后轮使用滚珠差速器从而实现转弯差笨重,驱动电机的功率较大,转向半径较小,车模轮胎摩擦系数较小,这都严重制约了车速的提高

B车模

有了车模,只是第一步。硬件设计工作的重任落在我肩上,基于上面车模因素,对我们组的硬的考验,经过前期资料和历届技术报告的查阅,我们组最终定下了电路硬件的设计图纸。整个电路Altium Designer软件,工程的原理图如下:(采用分层设计思路设计原理图。)一、采用分层结路清晰,各电路模块关系明确。

顶层连线关系

二、电源部分设计电源是一个系统工作稳定的基本保障,所以电源的设计工作对整个系统至

经过查阅电子电路设计手册以及相关网上资料后,最终采用如下设计方案: 1.电源7.2V 电流能达到5A,满足驱动电机的驱动要求,但是对稳压电路带来了严重的影响。因为当电机电流的压降,以至于稳压芯片不能正常工作,得不到想要的稳压电压,会导致微处理器自动复位,带来

2.经过查阅大量资料,最终确定采用底线性压差稳压的TPS7350、TPS7333 芯片分别得到5主用给5V供电要求的芯片供电和测速编码器供电。

3.3V主要给K60微处理器供电,虽然K60超普通微处理器功率高,由于采用TPS7333芯片稳压,输出功率也较高,所以满足微处理器正常工电源要求也相对较高,我们选用LM2941可调稳压芯片来作为舵机的电源,通过合理选择LM294就能得到5.5V的电压,可调稳压输出也方便后期的调试,因为在竞速的模型上,转向的灵活和快速和稳定。所以常常为了加快舵机的响应速度,缩小舵机的响应时间,适当的加大舵机的供电电压了满足驱动电机的快速加减速,因而IR2104芯片驱动大功率的MOSFET管—(相当于一个开关,它的作用只是负责通过控制信号控制电机电源的接通和断开,已方便PWM电机调速),而IR210 10-20V,所以需要设计升压电路。升压电路采用MC34063芯片升压,因为MC34063匹配电容的经过几次调试,从7.2V升14V电路总是不太稳定,最终我们采用舵机电源5.5V升14V,经测试

工作并且满足IR2104供电要求。 4.再加上开关和电源指示灯就完成了电源原理图部分的

电源

三、控制器电路设计,车模的大脑,稳定性异常重要。

1.注意K60特殊功能的输出引脚,FTM实现PWM调速,LPTMR0_ALT2(输入捕捉)实现编现CCD模拟电压的采集。

2.预留SPI、串口通信接口,方便调试。

3.PCB设计过程中,注意信号线的线宽和相邻信号线的间距,采用数字地和模拟地分开的原则覆铜以减少信号干扰。

控制器

四、电机驱动电路作为整个系统的心脏,是提升速度的关键模块,因为模型车在运行过程中,需要(对于直流电机,通过PWM调速大幅度增加电机电源的电压实现急加速,通过PWM调速在电机向电压,从而实现电机的制动,完成急减速过程,整个过程的PWM调速电压,都是通过软件算法实现的,不能胡乱的加大电机电压,否则会出现电路板或者电机的损害,再进行减速制动的时候需制动产生大电流和大压降,对电路板和整个系统来说都是一个大的考验。)所以驱动电路的设计工北京科技大学的驱动电路设计图纸,我们设计出如下电路:

1.IR2104控制大功率的MOSFET管的通断,能满足上述的电机的大电流要求,1片IR2104控MOSFET管,形成一个电流回路,即可实现直流电机的驱动,但是为了实现车模的加、减控制策加上正向、反向电压,所以需要使用2片IR2104控制分别独立4片大功率的MOSFET管,搭建实现直流电机加上正向、反向电压。

2.PCB(印刷电路板,先绘制电路原理图(元器件电气连接,方便后面的PCB物理层连线,我是元器件的物理连接),然后绘制元器件封装,最后连接各元器件的物理层关系)设计过程中,需IR2104芯片下面放置散热孔。

3. 电源和电机电源走线尽量宽。

电机驱动五、速度检测电路

因为采用成品单相200线旋转编码器(转一圈输出200个矩形波,处理器根据这个原理可以脉冲计数,从而实现测速功能),测速电路相对简单。按照旋转编码器手册,对照接口定义设计电

1.输出端需要上拉3.3V,不上拉时输出波形不是需要采集的矩形波。

2.编码器采用5V电源供电时,输入波形叫稳定,适合微处理器进行捕捉计数。

六、设计按键和显示屏是为了方便调试和设置参数用,不做过多说明。

1.按键一般需要上拉,但是考虑到K60处理器可以通过程序设置上拉,所以这里没有上拉。

2. 显示屏一般采用Nokia5110液晶,小巧轻便。

按键

LCD显

七、2路CCD传感器电路

1.因为今年比赛规则增加了“强制掉头区”,车模要想顺利通过“强制掉头区”,有两种方大转向通过该区域;2).减速,并反向行驶出该区域,需要两个CCD,正向行驶一个CCD,反向行

2.尽量采用FPC排线,减少信号干扰。

CCD

八、具体的PCB线路设计过程不做太多的说明,因为实在不能用几句简单的话来概括,需要学习相关资料。

制作的PCB效果

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