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4.3 电路模块功能介绍

一个完整的闭环控制系统应该包括传感器、控制器、被控对象和执行机构。智能汽车作为一个自动控制系统也不例外。因此在电路设计时应该考虑如何设计传感器电路、控制器电路以及如何让单片机输出的信号能够驱动功率较大的电机。智能汽车的电路模块包括单片机最小系统、电源电路、主板电路、传感器信号采集与处理电路以及电机驱动电路等。

4.3.1 单片机最小系统介绍

单片机最小系统由电源、时钟及复位电路等组成。要使芯片能够正常稳定地工作,必须有电源、工作时钟以及复位电路。MK60DN512ZVLQ10 单片机提供了在板或在系统写入程序功能,因此,最小系统应该把程序下载器的接口电路也包含在其中。基于以上考虑,MK60DN512ZVLQ10(K60)芯片的最小系统包括电源电路、复位电路、晶振电路及JTAG接口电路。

单片机是整个系统的控制核心,它是沟通传感器和被控对象的桥梁,也是硬件和软件结合的枢纽。其包含丰富的接口,如GPIO,IIC,SPI,ADC,DAC,UART,FTM等。通过这些接口可以实现核心板与传感器之间的通信,经过信号处理,将控制信号作用于被控对象。

4.3.2 主板介绍

由于智能汽车需要的传感器种类丰富,各个传感器的供电电源要求不一致,因此需要提供不同的电源以满足使用要求。传感器的信号需要输入单片机,单片机输出的控制信号需要与其他模块相连接,主板的主要作用就是电源管理和为单片机的输入输出模块提供接口,电源设计部分在后面有介绍,这里主要介绍一下各种接口。

(1)ADC接口

ADC即模数转换器,用于将模拟信号转换为数字信号。智能汽车竞赛中的电磁信号就是一种模拟信号,需要经过模数转换后输入单片机。在设计时需要考虑两个问题:一是模拟信号的输入范围,一般充分利用传感器的量程可以提高测量精度,ADC转换也是一样的。如果单片机的A/D转换为 3.3V,则将输入模拟信号调到2V左右比较合适。如果超过 3.3V,则无法分辨;二是要查阅芯片手册,使ADC接口和单片机ADC引脚对应连接。

(2)GPIO

GPIO即通用输入输出接口,用于捕获输入的电平高低或者输出高低电平。智能汽车竞赛中需要一些辅助调试的手段,如独立按键、蜂鸣器、三色LED。独立按键就需要使用捕获输入功能,蜂鸣器和三色LED都需要GPIO输出信号来控制。设计时需要考虑三个问题:一是芯片的引脚是否具有该功能;二是GPIO是否具有中断功能,如果需要使用到中断则需要注意;三是需要特别注意不能和JTAG引脚复用。

(3)UART

UART即是通用异步收发传输器,作用在于将要传输的数据在串行通信与并行通信之间加以转换。智能汽车实现在线调试过程中会使用到蓝牙模块,蓝牙模块与单片机之间的通信即为UART,UART接口一般有四根线,分别为RX,TX,VCC,GND。设计时需要考虑的问题:一是查阅芯片手册,需要芯片的引脚具有UART功能;二是RX与TX之间的连接方式为铰接,即主机的RX与从机的TX相连接。

还有其他一些接口,实现的功能也是通信或者控制。这里不再一一介绍,在使用时切记要查阅芯片手册,按照芯片手册设计。值得一提的是,虽然MK60DN512ZVLQ10 的硬件资源丰富,但毕竟硬件资源有限,设计时需要合理地分配这些硬件资源。

4.3.3 电机驱动模块

在智能汽车运行的过程中,电机转速需要实时调整。电机的控制是通过脉宽调制(PWM)信号实现的。脉宽调制控制通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要的波形,其本质是将脉宽调制信号进行低通滤波后得到调幅信号。单片机的驱动能力是有限的,输出的PWM信号没有办法直接驱动电机,需要加一个功率放大的电路,驱动电路就是用来实现信号的功率放大。 7qwkm1QcVtAx5HmiO7IEdgKsewyr8BfiGMQRgr95Re+W82c/J3hu9F7zpR0eAnQo

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