周恒 王民慧

摘 要：智能汽車是當今車輛工程領域研究的前沿，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和綜合，是未來汽車發(fā)展的趨勢。本系統(tǒng)采用S9KEAZ128AMLK芯片為核心處理器，對智能小車的轉向及動力系統(tǒng)進行設計，通過ESP8266WiFi模塊，將智能小車各個傳感器的數據通過簡易的通信協(xié)議實時傳輸給本設計中的上位機，以達到智能小車數據的實時監(jiān)控及控制。

關鍵詞：S9KEAZ128AMLK;ESP8266;智能小車

文章編號：2095-2163（2019）04-0149-06 中圖分類號：TP23 文獻標志碼：A

0 引 言

智能汽車是當今車輛工程領域研究的前沿，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制。為了使智能汽車獲得更快的速度、更好的控制性能，智能小車上位機的研究也成為一個主要研究方向。隨著無線通信以及上位機的概念逐漸被眾人所熟知，設計一個完整的上位機調試平臺對于智能小車來說也成了必不可少的事情。本設計以S9KEAZ128AMLK芯片為核心處理器設計，下位機控制系統(tǒng)以LabVIEW為平臺設計上位機控制系統(tǒng)。當智能小車開始尋跡時，上位機控制系統(tǒng)用于對智能小車尋跡過程中數據的采集與監(jiān)控，這樣便可以知道智能小車的實時運動狀態(tài)，通過小車的實時運動狀態(tài)使用者可以調整出最優(yōu)PID參數，使小車獲得更快的速度。

1 智能小車硬件設計

1.1 智能小車系統(tǒng)架構

智能小車控制系統(tǒng)以S9KEAZ128AMLK芯片為核心處理器，通過LC選頻電路對賽道信號進行檢測之后通過信號放大電路將LC選頻電路采集的信號放大之后傳到單片機的AD口，將其轉換成單片機能夠處理的數字信號發(fā)送到單片機處理。KEAZ128單片機將電感采集的信號、編碼器采集的信號以及MPU6050陀螺儀加速度計采集的信號通過均值濾波，然后通過不同的算法對其獲取一個數值，將該數值發(fā)送到PWM脈寬調制控制電機輸出[1]。在調試智能小車時人們將數據通過WiFi模塊發(fā)送本設計的上位機進行觀察，同時為了方便也將數據發(fā)送到液晶顯示屏顯示。此外WiFi模塊也接收上位機發(fā)送過來的信號，并將其信號發(fā)送到單片機處理（如一鍵停車等）。硬件系統(tǒng)結構如圖1所示。

1.2 智能小車硬件介紹

1.2.1 LC信號選頻電路設計

根據麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在其周圍產生交變的電磁場。在賽道上載流導線內通過的交流電流頻率約為20 kHz，電流大小約為100 mA，其產生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波[1]。甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻之間，為3～30 kHz，波長為100～10 KM。

根據電磁學的知識，載流導線周圍充滿交變的磁場，在當中放置一個電感線圈，電磁感應會使線圈內產生感應電動勢，該感應電動勢信號比較弱，感應電壓最大只能達到百毫伏級，此外空間中還存在很多頻率、強弱均不同的磁場，如果直接采集，采集的信號噪聲會比較大。所以針對賽道上的20 kHz交流磁場采用LC選頻電路對信號進行選頻，這樣便可濾除噪聲的干擾[9]。LC諧振電路如圖2所示。

根據上述電路，C為并聯(lián)的校正電容，L為感應線圈的電感量，電路諧振頻率的公式為：

因目前只有與其接近的6.8 nf的電容，因此諧振電路中的校正電容的容量為6.8 nf。經實驗驗證，選用10 mH的電感和6.8 nf的校正電容可以很好地獲取賽道信號。

1.2.2 信號放大電路的設計

由于LC諧振電路得到的信號是交變的電壓信號，且電壓幅值只有百毫伏，經A/D轉換后數值差異并不明顯。因此，還需要將采集的信號進一步放大[4]。OPA2350運放芯片輸出類型為：滿擺幅，理論供電電壓為5 V，可以將采集的微小的電壓信號放大到5 V，放大后的電壓即可達到供電電壓的幅值，其壓擺率可達22 V/us，增益帶寬積可達33 MHz，很好地滿足放大需求。

通過Multisim軟件仿真觀察到輸入信號很明顯地按照本設計放大，可以證明本次電路設計是正確的。仿真結果如圖3所示。

1.2.3 檢波電路設計

由上文可知，OPA2350芯片所設計的放大電路只是將信號放大了，實際上還是交變的電壓信號。如果將交變的電壓信號直接給單片機的A/D口，無疑會大大增加單片機對信號濾波的處理難度。因此，在電路設計中還需要一個檢波電路，將交變的電壓信號整流成直流信號送到單片機的A/D口[7]。該電路采用倍壓整流原理設計，檢波電路如圖4所示。

通過Multisim軟件仿真驗證該設計的檢波電路是正確的，其仿真結果如圖5所示。

1.2.4 穩(wěn)壓電路設計

智能小車車模使用7.2 V 2 000 mAhNi-cd供電，而ESP8266WiFi模塊、陀螺儀、加速度傳感器和液晶顯示屏均使用的是 3.3 V 的電源。編碼器、電磁傳感器模塊以及單片機最小系統(tǒng)需要5 V電源。因此電路設計中必須將7.2 V的電源電壓降至5 V以及3.3 V的供電電源。本設計通過德州儀器公司生產的TPS系列穩(wěn)壓芯片，對電池電壓進行降壓至3.3 V和5 V，因為該芯片穩(wěn)壓后會有較大的紋波，因此設計電路時采用0.1 uf的瓷片電容濾除高頻信號、10uf的電解電容濾除低頻信號進行濾波處理，得到一個穩(wěn)定的直流電源。

1.2.5 電機驅動電路設計

智能小車在尋跡過程中電機的速度是根據編碼器反饋值進行實時調速的。因此，在設計時不能直接將電源對電機進行供電，本設計采用脈寬調制實現(xiàn)了對電機速度的控制。S9KEAZ128AMLK單片機在接受并處理完傳感器傳回賽道的信息后，得到一個目標速度，然后通過脈寬調制信號來控制電機的轉速。由于S9KEAZ128AMLK單片機輸出信號的電流較小，不能驅動電動機轉動，所以需要設計一個驅動模塊來放大單片機的輸出信號，實現(xiàn)對電機的驅動[3]。因此，電機驅動電路中使用74HC244芯片對PWM信號進行緩沖，采用IR2104SMOS驅動管和LR7843MOS管設計了如圖6所示的電機驅動電路。

Data[15]=Data_Speed%10+0x30;

Data[16]='B';

Data[17]='B';

for（i=0; i<=17; i++）

{

Uart_SendChar（UARTR0， Data[i]）;

}

}

2.2 上位機軟件設計

上位機軟件實現(xiàn)了對PC機IP地址的獲取、通信協(xié)議的處理以及對所獲取的數據進行處理與顯示。如圖9所示為上位機程序流程圖。

（1）上位機通過“字符串至IP地址轉換”函數[2]獲取當前機器的IP網絡地址，然后在通過“IP地址至字符串轉換”函數轉換成字符串，然后將其輸入到字符串顯示控件。當該上位機運行時即可獲得當前PC機的IP地址[8]。

（2）上位機通過讀取TCP函數以及寫入TCP函數實現(xiàn)了數據的接收與發(fā)送。

（3）上位機通過“截取字符串”函數截取所獲得數據包的前兩個字節(jié)數據和后兩個字節(jié)數據使用“等于？”函數判斷其是否等于本設計所設定的幀頭和幀尾，當其均相等時再通過“與”邏輯函數進一步判斷是否為真，如若為真則通過事件結構處理接收的數據，通過“字符串截取”函數將每個字節(jié)所對應的數據截取到相應的圖表顯示出來。

3 結束語

本文設計了以S9KEAZ128AMLK芯片為核心處理器的下位機及以LabVIEW為上位機的智能小車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能小車的快速循跡以及上位機與下位機之間的局域網通信，并通過通信協(xié)議實現(xiàn)了智能小車傳感器數據的實時監(jiān)控以及智能小車的實時控制。經實驗表明，該智能小車控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，效果良好。

參考文獻

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