黃 健， 呂林濤， 范 暉

(西京學(xué)院,陜西 西安 710123)

0 引 言

自動(dòng)循跡是智能車要解決的一個(gè)技術(shù)問題，近年來，研究最多的是黑白線循跡，即沿著貼有黑、白線的跑道行駛[1～3],但這種方法受自然光的影響較大，當(dāng)自然光比較強(qiáng)時(shí)，很難區(qū)分黑白線?；诖耍疚奶岢隽瞬捎眉?xì)鐵絲為跑道(因鐵絲受環(huán)境影響較小)，使小車沿著鐵絲行駛。對鐵絲的檢測，即對金屬的檢測。早期的金屬檢測采用模擬電路，檢測輸出的也是模擬信號，因此其抗干擾能力、精度都較低。本文采用新型數(shù)字電感傳感器LDC1614，為4通道金屬檢測傳感器，具有I2C接口，可方便與各種微處理器相連。輸出28位的數(shù)字量可實(shí)現(xiàn)對金屬物高分辨率、高精度檢測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。主控采用STM32F103ZET6[4,5]。LDC1614將采集到的數(shù)據(jù)通過I2C串行總線傳送給STM32，STM32根據(jù)LDC1614中2個(gè)通道傳感器A和B采集的數(shù)字量判斷鐵絲的位置，控制小車的行駛。1.44 in(1in=2.54 cm)TFT真彩屏作為顯示設(shè)備，用于顯示A,B傳感器的數(shù)字量和時(shí)間等信息。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 LDC1614傳感器設(shè)計(jì)

LDC1614原理如圖2所示，1腳為SCL，是I2C總線中的時(shí)鐘信號線。2腳是SDA，是I2C總線中的數(shù)據(jù)線，分別連接到STM32的PE4和PE5引腳上，PE4和PE5作為普通的I/O口，采用模擬I2C的方式與LDC1614進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，為了保證傳輸?shù)目煽啃?，在該引腳上均接有10kΩ的上拉電阻器。LDC1614采用3.3V供電。圖中LDC1614的9腳IN0A和10腳IN0B是IN0輸入通道；11腳IN1A和12腳IN1B是IN1輸入通道,這2個(gè)通道分別連接自制電感線圈和電容器,構(gòu)成LC諧振電路，通過電渦流原理檢測金屬[6，7]。

圖2 STM32與LDC1614連接

自制線圈可通過手工繞制或者在Altium Design中繪制，然后加工而成，直徑達(dá)到了4 cm。線圈相當(dāng)于電感，給該電感配置一個(gè)合適的電容值。當(dāng)外部有金屬物體時(shí)，就會產(chǎn)生LC諧振。LC的諧振頻率通過式(1)計(jì)算

Fsen=1/3×Fex/Fcnt×RT

(1)

式中Fsen為LC諧振頻率；Fex為外部時(shí)鐘基準(zhǔn)頻率，采用LDC1614內(nèi)部晶振產(chǎn)生，取值為4MHz；Fcnt為LDC1614內(nèi)部計(jì)數(shù)器值；RT為LDC1614內(nèi)部寄存器設(shè)置的響應(yīng)時(shí)間。對式(1)兩邊分別求倒數(shù)，并適當(dāng)變化，有

RT×(1/Fsen)=3×Fcnt×(1/Fex)

(2)

式中 1/Fsen為LC諧振周期；1/Fex為基準(zhǔn)時(shí)鐘周期。式(2)表明在RT個(gè)LC諧振周期內(nèi)，使用LDC1614的Fcnt計(jì)數(shù)器記錄基準(zhǔn)時(shí)鐘的個(gè)數(shù)來推算LC的諧振頻率。

根據(jù)電渦流原理，要檢測細(xì)小的金屬，必須要產(chǎn)生足夠大的渦流，就必須增大電感量L，通過多次實(shí)驗(yàn)，繪制了直徑為4 cm的電感線圈，線的粗細(xì)為0.1 mm，電感量為0.250 mH，與其匹配的電容值的大小為2.5 nF。對金屬的檢測距離達(dá)到3 cm。若要提高檢測距離，可適當(dāng)加大電感量和電容值。

2.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)TB6612與STM32的連接如圖3所示。

圖3中AIN1，AIN2，PWMA控制1路電機(jī)，對應(yīng)電機(jī)連接端是AO1和AO2; BIN1，BIN2，PWMB控制2路電機(jī)，對應(yīng)電機(jī)連接端是BO1和BO2; 可將AIN1，AIN2，PWMA連接到對應(yīng)的STM32的I/O口，PWMA引腳產(chǎn)生對應(yīng)的PWM波形，用于電機(jī)調(diào)速。對應(yīng)的真值表如表1。

圖3 TB6612與STM32的連接

輸入AIN1AIN2PWMA輸出AO1AO2電機(jī)動(dòng)作HHLLL制動(dòng)HLHHL正轉(zhuǎn)LHHLH反轉(zhuǎn)LLLLL制動(dòng)

當(dāng)電機(jī)全速運(yùn)行時(shí)，PWMA輸出高電平，要調(diào)整速度時(shí)，PWMA輸出不同占空比的方波。另一路電機(jī)BIN1，BIN2，PWMB，BO1，BO2的控制邏輯與表1類似。

2.3 TFT顯示單元電路設(shè)計(jì)

顯示電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 TFT顯示電路設(shè)計(jì)原理

為提高顯示屏刷屏速度，采用STM32F103ZET6的硬件SPI1接口與顯示屏屏相連。其中SCLK連接到PB3(SPI1_SCLK),DI連接到PB5(SPI2_MOSI),CS連接到PB12(SPI2_NSS)。其余RST為復(fù)位信號,GND共地，VCC接3.3 V。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件編程時(shí)，首先對I2C、定時(shí)器、SPI接口進(jìn)行初始化，然后通過I2C接口循環(huán)采集LDC1614的金屬探測值。為了使檢測值穩(wěn)定、可靠,共循環(huán)采集50次，進(jìn)行冒泡排序，去掉最大值和最小值各10個(gè)，用剩下的30個(gè)求均值，并將結(jié)果送給1.44 in TFT屏顯示。LDC1614連接2只傳感器，假設(shè)左邊的傳感器為A，右邊的傳感器為B。小車行駛時(shí)，將鐵絲放在傳感器A和B的中間，當(dāng)鐵絲偏向左邊時(shí)，A傳感器的值增大，控制小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)鐵絲偏向右邊時(shí)，B傳感器的值增大，控制小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)鐵絲在A，B中間時(shí)，A，B傳感器的值相等，小車直走。小車的行駛通過TB6612直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。按照表1所述的真值表控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。

3.2 I2C讀寫時(shí)序

圖5給出了其讀時(shí)序。圖中SCL是時(shí)鐘信號，SDA是數(shù)據(jù)線。對LDC1614進(jìn)行讀操作時(shí)，首先發(fā)送所讀單元地址，然后分別讀出高8位和低8位數(shù)據(jù)[8～10]。LDC1614雙通道的地址寄存器的映射關(guān)系如表2所示。

圖5 I2C讀時(shí)序

地址功能描述0X00通道0高16位數(shù)據(jù)0X01通道0低16位數(shù)據(jù)0X02通道1高16位數(shù)據(jù)0X03通道1低16位數(shù)據(jù)0X7F設(shè)備ID號(默認(rèn)值0X3055)

表2中，按照圖5所示的時(shí)序，讀寫0X00和0X01的高16位數(shù)據(jù)和低16位數(shù)據(jù)，將其組合成通道0對應(yīng)的32位數(shù)據(jù)，通過和0X0FFFFFFF進(jìn)行“與”運(yùn)算得到28位有效數(shù)據(jù)。通過讀寫0X02和0X03地址得到通道1的28位有效數(shù)據(jù)。初始化時(shí)，為了驗(yàn)證I2C時(shí)序的正確性，可通過讀寫設(shè)備ID號實(shí)現(xiàn)，若讀到的ID號是0X3055,則說明I2C讀寫時(shí)序正確，初始化成功;否則,調(diào)試程序。

4 測試結(jié)果

測試時(shí)的跑道如圖6所示。測試時(shí)，為了增加難度，在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置了彎道。小車起始位置處于2 m直道的正中心，途經(jīng)6個(gè)彎道，彎道圓弧的半徑均為20 cm。最后再回到起點(diǎn)處，順時(shí)針行駛一圈。表3列出了細(xì)鐵絲位置與傳感器的測量值之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖6 測試場地

測試時(shí)，首先將細(xì)鐵絲放置在傳感器A和B的自制線圈的正中心。假設(shè)通道0所對應(yīng)的傳感器為A，安裝在小車的左邊。通道1所對應(yīng)的傳感器為B，安裝在小車的右邊。當(dāng)小車按順時(shí)針方向在直道上行駛時(shí)，當(dāng)細(xì)鐵絲靠近傳感器A時(shí)，傳感器A的測量值降低，傳感器B因?yàn)檫h(yuǎn)離鐵絲，所以其值不變，此時(shí)控制小車右轉(zhuǎn)，直至左、右傳感器采集值相同為止；反之，細(xì)鐵絲靠近傳感器B時(shí)，傳感器B的測量值降低，傳感器A因?yàn)檫h(yuǎn)離鐵絲，所以其值不變，此時(shí)控制小車左轉(zhuǎn)，直至左、右傳感器采集值相同為止。當(dāng)在彎道行駛時(shí)，情況比較復(fù)雜，細(xì)鐵絲靠近的一端的傳感器值降低比較快，此時(shí)控制小車向傳感器的值增大的一方旋轉(zhuǎn)，直至左右兩只傳感器的測量值接近為止，然后控制小車直走。

表3 細(xì)鐵絲位置與傳感器測量值(數(shù)字量)之間對應(yīng)關(guān)系

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種能夠沿著細(xì)鐵絲行駛的智能小車，采用新型LDC1614數(shù)字電感傳感器探測金屬，配置適當(dāng)?shù)碾姼芯€圈和電容，可實(shí)現(xiàn)對細(xì)鐵絲的檢測，檢測距離接近3cm。由于LDC1614是雙通道傳感器，恰好可以實(shí)現(xiàn)對一根細(xì)鐵絲的檢測和循跡。加入適當(dāng)?shù)能浖V波算法，可使數(shù)據(jù)處理變得更加穩(wěn)定、可靠。本設(shè)計(jì)為智能小車的循跡增加了一種新的思路和方法，克服了光電傳感器受強(qiáng)光影響比較大的缺點(diǎn)，可應(yīng)用在灰塵、污垢、油和潮濕等惡劣環(huán)境中，具有一定的實(shí)用價(jià)值。