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摘要：本文介绍了飞思卡尔电磁循迹智能车的设计成果。智能车控制器使用飞思卡尔MKL262256VLL4微控制器为主控制单元，程序编写使用IAR编程软件实现单片机的程序编写，硬件设计使用Altium Designer软件实现智能车硬件原理图设计与PCB设计。文章中主要阐述了智能车硬件设计中单片机型号的选型，电磁传感器、测速、起跑线检测、路障检测、人机交互和系统供电等竞赛方案的选择。
关键词：智能循迹；MKL262256VLL4单片机；硬件设计；竞赛方案
1 前言
近些年，随着人们生活水平的不断提高、人们对于自动化技术要求也不断提高。汽车普及开来，交通拥堵和交通事故问题日益严重。另外，21世纪初，人工智能、控制科学、车辆工程、传感器技术等领域快速发展。
2 智能车总体设计
电磁循迹智能车硬件设计中包括控制整个系统的微控制器、智能车循迹用的电磁传感器、智能车速度反馈用的测速传感器、起跑线检测传感器、路障检测传感器、人机交互和系统供电等竞赛方案的选择。总体流程图如图1所示。
3 智能车具体方案选择
智能车所有的模块中，微控制器为核心，是智能车的灵魂，负责接收各个传感器返回的信号并对其进行处理，利用智能车处理算法控制直流电机和舵机配合起来工作。智能车竞赛中以往应用较多的如32位K60系列、16位单片机XS128系列。由于K60系列性价比较高，因而成为很多智能车爱好者首选芯片。XS128系列价格则与KL26相差不大，但KL26单片机性能相比XS128强大很多，往往标准频率48 MHz，超频能力可达110MHz。在此选择KL26系列微控制器中的MKL262256VLL4。
直流电机是通过PWM脉宽调压实现调速。因为直流电机需要加速和制动，故直流电机两端需要能加载正、负电压，常用的电路是H桥电路。H桥电路由四支N沟道功率MOSFET通过合理的关断控制，形成不同的组合状态来驱动直流电机，其额定工作电流可以达到100A以上。相比一个半桥、大电流、高集成的BTS7960电机驱动芯片，直接使用MOS驱动电流大大增加。
目前较为成熟的智能小车的测速方案有测速码盘与光电旋转编码器。测速码盘质量小、价格低、精度低，目前常用的都为100线。对于智能车竞赛来说精度不足就会导致测速不准。光电旋转编码器价格高、质量略大、精度高，一般都在200线以上。因此，测速方案选择使用光电旋转编码器。光电旋转编码器是利用光电转换原理制作而成，并输出A，B和Z相3组方波信号。A，B相信号先通过上拉，以获得输出波形较稳定的信号，然后连接到KL26单片机的FTM接口，并通过正交解码方式即可获得当前速度信息。
由于赛道中心线产生的是20 kHz导航信号，为检测出赛道上的磁信号，在选频电路的选择上，采取LC并联谐振电路。谐振电路返回的信号电压很小，需要使用运算放大器对信号进行放大，芯片选型上选择NE5532。NE5532在20世纪90年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。它是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。用它实现信号放大有很好的效果。
人机交互部分，增加按键、拨码开关用于设置预定参数值，方便对策略进行调整；使用体积小、重量轻、可显示字符多的诺基亚5110液晶，显示状态便于调试；使用蓝牙模块用来返回传感器的数值再通过电脑端上位机完成对智能车进行调试。
起跑线部分由于赛道下放有磁铁，所以采用干簧管检测起跑线，当智能车通过起跑线时，干簧管由于赛道下磁铁的作用吸合，单片机通过电平变化检测起跑线。
电源部分由于智能车电池采用额定电压为7.2 V的镉镍电池，充满电状态可达到8.5 V，单片机、编码器等模块额定电压电压为5 V，舵机额定电压为6 V，有时为了提高舵机摆动速度与力量，往往将舵机电压提高。在查询一些资料后，选择三端固定式稳压器LM2940芯片提供5 V电源，为了确保单片机能有一个稳定的电源环境单片机独立芯片进行供电。舵机供电采用AMS1117-ADJ芯片，通过电位器调节舵机电压。智能车详细方案图如图2所示。
关键词：智能循迹；MKL262256VLL4单片机；硬件设计；竞赛方案
1 前言
近些年，随着人们生活水平的不断提高、人们对于自动化技术要求也不断提高。汽车普及开来，交通拥堵和交通事故问题日益严重。另外，21世纪初，人工智能、控制科学、车辆工程、传感器技术等领域快速发展。
2 智能车总体设计
电磁循迹智能车硬件设计中包括控制整个系统的微控制器、智能车循迹用的电磁传感器、智能车速度反馈用的测速传感器、起跑线检测传感器、路障检测传感器、人机交互和系统供电等竞赛方案的选择。总体流程图如图1所示。
3 智能车具体方案选择
智能车所有的模块中，微控制器为核心，是智能车的灵魂，负责接收各个传感器返回的信号并对其进行处理，利用智能车处理算法控制直流电机和舵机配合起来工作。智能车竞赛中以往应用较多的如32位K60系列、16位单片机XS128系列。由于K60系列性价比较高，因而成为很多智能车爱好者首选芯片。XS128系列价格则与KL26相差不大，但KL26单片机性能相比XS128强大很多，往往标准频率48 MHz，超频能力可达110MHz。在此选择KL26系列微控制器中的MKL262256VLL4。
直流电机是通过PWM脉宽调压实现调速。因为直流电机需要加速和制动，故直流电机两端需要能加载正、负电压，常用的电路是H桥电路。H桥电路由四支N沟道功率MOSFET通过合理的关断控制，形成不同的组合状态来驱动直流电机，其额定工作电流可以达到100A以上。相比一个半桥、大电流、高集成的BTS7960电机驱动芯片，直接使用MOS驱动电流大大增加。
目前较为成熟的智能小车的测速方案有测速码盘与光电旋转编码器。测速码盘质量小、价格低、精度低，目前常用的都为100线。对于智能车竞赛来说精度不足就会导致测速不准。光电旋转编码器价格高、质量略大、精度高，一般都在200线以上。因此，测速方案选择使用光电旋转编码器。光电旋转编码器是利用光电转换原理制作而成，并输出A，B和Z相3组方波信号。A，B相信号先通过上拉，以获得输出波形较稳定的信号，然后连接到KL26单片机的FTM接口，并通过正交解码方式即可获得当前速度信息。
由于赛道中心线产生的是20 kHz导航信号，为检测出赛道上的磁信号，在选频电路的选择上，采取LC并联谐振电路。谐振电路返回的信号电压很小，需要使用运算放大器对信号进行放大，芯片选型上选择NE5532。NE5532在20世纪90年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。它是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。用它实现信号放大有很好的效果。
人机交互部分，增加按键、拨码开关用于设置预定参数值，方便对策略进行调整；使用体积小、重量轻、可显示字符多的诺基亚5110液晶，显示状态便于调试；使用蓝牙模块用来返回传感器的数值再通过电脑端上位机完成对智能车进行调试。
起跑线部分由于赛道下放有磁铁，所以采用干簧管检测起跑线，当智能车通过起跑线时，干簧管由于赛道下磁铁的作用吸合，单片机通过电平变化检测起跑线。
电源部分由于智能车电池采用额定电压为7.2 V的镉镍电池，充满电状态可达到8.5 V，单片机、编码器等模块额定电压电压为5 V，舵机额定电压为6 V，有时为了提高舵机摆动速度与力量，往往将舵机电压提高。在查询一些资料后，选择三端固定式稳压器LM2940芯片提供5 V电源，为了确保单片机能有一个稳定的电源环境单片机独立芯片进行供电。舵机供电采用AMS1117-ADJ芯片，通过电位器调节舵机电压。智能车详细方案图如图2所示。