“恩智浦”杯智能汽車設計與實例教程（簡體書）

本書以全國大學生“恩智浦”杯智能汽車競賽為背景，講述智能汽車設計的整體思路與技術難點，從元器件選購到相關專業知識講解，全方位展示了智能汽車的實際製作與調試過程。本書分為11章，第1章為全國大學生“恩智浦”杯智能汽車競賽的總體介紹；第2～4章分別為硬件設計、軟件設計及機械結構設計；第5章介紹了恩智浦系列芯片的相應模塊，包括MC9S12XS128、MCF52259、Kinetis K60及MPC5604；第6～11章給出了電磁、節能、攝像頭、光電及自平衡、信標等組別智能汽車的實例製作過程。本書以智能汽車競賽為切入點，提煉了智能汽車競賽的技術精要，全方位闡述了一套完整的、具有自動控制功能的嵌入式系統方案設計藍圖，不僅適用於各個階段研究智能汽車的讀者，還可供嵌入式系統與自動控制相關專業的本科生、研究生用作參考資料。

隋金雪，男，1977年9月生，博士，副教授。現任山東工商學院信息與電子工程學院教師，自動化教研室主任。2001年7月畢業于山東理工大學工業自動化專業，並獲學士學位；2005年4月畢業于東北電力大學控制理論與控制工程專業，並獲工學碩士學位； 2009年12月畢業於導航、制導與控制專業，並獲工學博士學位。2005年4月至今在山東工商學院信息與電子工程學院自動化系任教，先後擔任自動化教研室副主任、教研室主任、自動化黨支部書記。多次榮獲山東工商學院優秀教師、優秀黨員、工會活動積極分子，2011年榮獲煙臺市優秀共產黨員。

從教7年來，曾主講過《自動控制原理》《現代控制理論》《控制系統仿真》《自動化導論》等7門課程，治學嚴謹、教學經驗豐富，講課啟發性強，理論聯繫實際，富有激情，有較強的感染力，教學效果優秀，學生網上評教一直名列全校前茅，深受學生歡迎。注重教學理論和教學經驗的研究和總結，積極進行教學研究，將自己的科研融於教學之中，先後在國內外教學研究刊物上公開發表教學研究論文 10餘篇；獲山東工商學院教學效果二等獎2項。輔導學生參加以自動化專業技術為主的全國（或山東省）大學生電子設計競賽、“恩智浦”杯智能汽車競賽，並多次獲獎。

前言

智能汽車是當今車輛工程領域的研究前沿，它體現了車輛工程、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，是未來汽車發展的趨勢。全國大學生智能汽車競賽對高校學生而言是一次難得的機遇和挑戰。智能汽車競賽涉及的知識較為寬泛，為了設計出性能優越的智能賽車，需要在賽車的設計開發過程中參考許多有價值的文獻資料，不斷學習，不斷創新。
智能汽車競賽考驗參賽選手的綜合能力，包括傳感器的應用、電動機的應用、電路設計、自動控制原理、系統調試、機械結構設計等，將這些知識合理運用到智能汽車上是對選手的巨大挑戰。對於競賽選手來說，臨場發揮對比賽成績的好壞至關重要，及時制定並調整策略才能發揮智能汽車的最優性能。
關於恩智浦微控制器
競賽指定控制芯片為恩智浦系列芯片，恩智浦公司是嵌入式控制領域的全球帶頭人，是主要技術創新者，其旗下飛思卡爾開發了首個基於Flash存儲的微控制器（MCU）。
1．16位微控制器
恩智浦S12微控制器和S12X微控制器可以為汽車和工業應用提供高性能的16位控制功能。S12X微控制器具有創新的XGATE模塊，無須CPU干預即可處理中斷事件。這讓S12X微控制器具備了通常在32位微控制器上才有的高性能處理能力。16位產品組合也包括一系列的數字信號控制器（DSC），DSC將微控制器功能與DSP性能合二為一，它們特別適合先進的電動機控制應用。
2．ColdFire微控制器
32位ColdFire微控制器系統架構不同於業內其他任何產品。這個豐富的MCU產品組合以工業應用為核心，具有優異的性能和外圍設備選件，包括市場上超低功耗、段式和圖形LCD、USB、以太網。憑藉龐大的開發工具和設計資源生態系統的有力支持，ColdFire微控制器廣泛應用於消費和工業應用領域。
3．Kinetis ARM?微控制器
32位Kinetis MCU是業界最具擴展能力的ARM? Cortex?-M4 MCU的出色代表。該產品組合前期推出的產品包括5個系列 200 多款引腳、外設和軟件都兼容的MCU，具有出色的性能、內存和功能擴展能力。由於採用了創新的90nm薄膜存儲器（TFS）閃存技術，並帶有獨特的FlexMemory（可配置嵌入式E2PROM），Kinetis包含最新的低功耗創新技術和高性能、高精度的混合信號功能。Kinetis MCU還得到恩智浦和ARM第三方生態系統合作夥伴的領先市場的實施工具包的支持。
本書特色
1．實用性強
本書以實用性為原則，根據前幾屆參賽選手的親身經歷，通過“第一視角”向讀者展示智能汽車製作與調試的精髓。
2．內容全面、系統、深入
本書涵蓋了智能汽車製作的各方面知識點，向讀者展示了一個完整的體系，特別對技術盲點進行了深入的解析，有利於讀者繼續研究和學習。
3．源代碼豐富
編者從事智能汽車研究多年，先後參加過第五屆、第六屆、第七屆、第八屆、第十二屆“恩智浦”杯智能汽車競賽，多次獲得省級獎、賽區獎及國家獎，本書收錄了編者長期製作與調試經驗，向讀者完全開放源代碼，講解精華程序，給讀者呈現最具體、最實用的資料。
本書結構
全書分為11章，第1章介紹全國大學生“恩智浦”杯智能汽車競賽概況與比賽規則；第2～4章分別從硬件設計、軟件設計及機械結構設計給出智能汽車整體設計的框架；第5章對控制芯片的使用進行了詳細描述，著重講解了智能汽車競賽需要用到的各模塊，由於競賽規定每個學校參賽隊伍不得採用同一種型號的控制芯片，因此挑選4種適用于智能汽車競賽的恩智浦系列芯片――MC9S12XS128、MCF52259、Kinetis K60及MPC5604進行相應講解；第6～11章根據編者自身的參賽經歷，將完整的智能汽車製作過程收錄在內，涵蓋了電磁、節能、攝像頭、光電及自平衡、信標等組別。

讀者對象
? 智能車製作初學者
? 想進行技術提升的智能汽車參賽隊員
? 嵌入式開發人員
? 自動控制領域研究人員
? 本科院校學生及研究生
? 科技愛好者
本書作者
本書由隋金雪、楊莉、張岩編著，參加編寫的人員還有山東工商學院深藍工作室（山東工商學院機器人協會）等。
鑒於作者水平有限，書中難免存在不足和錯誤之處，懇望讀者提出寶貴建議和意見，以便再版時改進。

編著者
2018年4月

第1章 競賽簡介 1
1.1 競賽與規則簡介 1
1.1.1 競賽介紹 1
1.1.2 競賽規則 2
1.2 歷屆競賽承辦單位及獲獎情況 2
1.3 歷屆競賽變化趨勢 4
第2章 智能汽車硬件設計 5
2.1 供電模塊電路設計 6
2.1.1 單片機供電電路設計 6
2.1.2 舵機供電電路設計 8
2.1.3 特殊傳感器的升壓供電 10
2.1.4 傳感器等其他外設供電 12
2.2 電動機驅動電路設計 13
2.2.1 脈寬調製基本原理 13
2.2.2 H全橋的基本原理 15
2.2.3 A車模、D車模電動機驅動方案 16
2.2.4 B車模電動機驅動方案 17
2.3 信號傳遞電路的設計 20
2.3.1 電動機控制信號的電平轉換與隔離 21
2.3.2 傳感器數據信號的電平轉換 23
2.3.3 舵機控制信號的隔離 25
2.4 測速模塊原理與電路設計 26
2.4.1 光電脈衝測速原理 26
2.4.2 低成本方案――光電碼盤 27
2.4.3 高精度方案――光電編碼器 29
2.4.4 第五輪測速方式 30
2.5輔助調試設備及其電路設計 31
2.5.1 液晶顯示 31
2.5.2 矩陣鍵盤 33
2.5.3 撥碼開關 34
2.5.4 串口通信 35
2.5.5 無線通信 37
2.5.6 SD卡讀寫 38
2.6 主板外形設計 39
2.6.1 A型車模主板設計參考 39
2.6.2 B型車模主板設計參考 40
2.7 PCB實體電路設計 41
2.7.1 元器件封裝選擇 41
2.7.2 基於原理圖設計實體電路 42
2.7.3 電路抗干擾、防靜電設計 45
2.7.4 自製PCB的方法指導 46
本章小結 48
第3章 智能汽車軟件設計 49
3.1 C語言核心內容與芯片編程規範 49
3.1.1 C語言核心內容 49
3.1.2 命名規則 56
3.1.3 注釋 58
3.1.4 統一類型別名定義 59
3.1.5 編碼 60
3.2 控制主程序 61
3.2.1 攝像頭組主程序設計 61
3.2.2 電磁組主程序設計 61
3.2.3 光電組主程序設計 62
3.3 賽道信息的獲取 63
3.3.1 攝像頭圖像的獲取 63
3.3.2 電磁傳感器信號的獲取 70
3.3.3 光電傳感器信號的獲取 73
3.4 信號處理與賽道識別 74
3.4.1 攝像頭圖像處理與賽道邊沿識別 74
3.4.2 電磁車信號放大與賽道邊沿識別 76
3.4.3 光電車信號處理與賽道邊沿識別 77
3.5 賽道分析與控制策略 77
3.5.1 攝像頭組 77
3.5.2 電磁組及光電組 81
3.6 起跑線的識別 81
3.6.1 攝像頭組 81
3.6.2 電磁組 82
3.6.3 光電組 83
3.7 PID控制算法和應用 84
3.7.1 PID控制算法 84
3.7.2 PID控制在智能汽車上的實現 88
3.8 其他控制算法和應用 89
3.8.1 模糊控制 89
3.8.2 賽道記憶算法 91
3.9 計算機輔助調試 91
3.9.1 開發軟件介紹 91
3.9.2 C#上位機獲取圖像 92
3.9.3 MATLAB調試PID 92
3.9.4 按鍵及顯示屏模塊 93
第4章 智能汽車機械結構設計 94
4.1 機械設計軟件――Pro-Engineer 94
4.1.1 簡介 94
4.1.2 歷史版本 94
4.1.3 主要模塊 95
4.1.4 主要特性 95
4.1.5 Pro-Engineer在智能汽車上的應用 96
4.1.6 用戶關注熱點 96
4.2 智能汽車機械零件設計的一般步驟與準則 96
4.2.1 相關概念 96
4.2.2 設計機械零件的一般步驟 97
4.2.3 設計機械零件的基本準則 97
4.3 工具準備 99
4.3.1 鋸切工具――鋼鋸 99
4.3.2 打孔工具 99
4.3.3 支持定位工具――桌虎鉗 101
4.3.4 畫線工具 102
4.3.5 螺絲刀 102
4.3.6 鉗子 103
4.3.7 粘連工具 103
4.4 常用材料 105
4.4.1 鋁合金 105
4.4.2 碳素纖維 105
4.4.3 潤滑劑 105
4.5 智能汽車機械結構優化 106
4.5.1 智能汽車的整體結構 106
4.5.2 智能汽車防護保養與機械結構調整 108
4.5.3 智能汽車轉向結構調整 112
4.5.4 智能汽車後輪結構調整 114
4.5.5賽道保養 115
第5章 控制芯片 116
5.1 MC9S12XS128芯片 117
5.1.1 芯片簡介 117
5.1.2 時鐘模塊 117
5.1.3 I/O模塊及其應用 126
5.1.4 計數器和定時器模塊 131
5.1.5 TIM模塊的脈衝累加器 138
5.1.6 脈衝調製解調模塊 143
5.1.7 週期中斷定時器 150
5.1.8 SCI總線 156
5.1.9 模數轉換模塊 162
5.2 MCF52259芯片 172
5.2.1 芯片簡介 172
5.2.2 時鐘模塊 172
5.2.3 通用I/O口模塊 177
5.2.4 邊沿中斷檢測模塊 186
5.2.5 中斷管理模塊 191
5.2.6 可編程中斷定時器 198
5.2.7 脈衝累加器模塊 202
5.2.8 舵機電動機控制模塊 204
5.2.9 通用異步收發機模塊 211
5.2.10 模數轉換模塊 220
5.3 Kinetis K60芯片 231
5.3.1 芯片簡介 231
5.3.2 時鐘模塊 231
5.3.3 多用途時鐘信號發生器 233
5.3.4 系統集成模塊 253
5.3.5 可編程中斷定時器 261
5.3.6 Flex定時器 264
5.3.7 通用輸入/輸出及引腳控制和中斷 288
5.3.8 引腳控制和中斷寄存器 290
5.3.9 UART異步串行通信 314
5.3.10 模數轉換器 337
5.4 MPC5604芯片 363
5.4.1 芯片簡介 363
5.4.2 時鐘模塊 364
5.4.3 簡化系統接口單元 379
5.4.4 中斷管理模塊 398
5.4.5 增強模塊化I/O子程序 410
5.4.6 可編程中斷定時器 436
5.4.7 A/D轉換模塊 444
第6章 電磁車實例 453
6.1 智能汽車競賽電磁組背景 453
6.2 電磁組傳感器及路徑檢測設計參考方案 453
6.2.1 磁場檢測方法 453
6.2.2 傳感器模塊設計 454
6.2.3 信號濾波 459
6.2.4 傳感器的佈局設計與調試 460
6.2.5 電路板的靜電保護 465
6.3 車模整體控制策略 465
6.3.1 速度控制策略 465
6.3.2 轉向控制策略 466
第7章 電磁節能車實例 467
7.1 智能汽車競賽電磁節能組背景 467
7.2 硬件電路設計及傳感器的選擇 467
7.2.1 硬件電路設計 467
7.2.2 車模整體佈局 468
7.2.3 系統整體概述 469
7.3 車模整體控制策略 469
7.3.1 方向控制策略 469
7.3.2 速度控制策略 470
7.3.3 無刷直流電機 471
7.4 節能控制策略 472
7.4.1 取電裝置 472
7.4.2 超級電容 473
7.5 軟件系統設計 475
7.5.1 開發工具 475
7.5.2 PID控制算法 476
第8章 攝像頭車實例 477
8.1 攝像頭傳感器簡述 477
8.1.1 攝像頭的選型 477
8.1.2 CCD攝像頭的優勢與缺陷 479
8.1.3 OV5116動態集成攝像頭 480
8.2 整體方案設計 481
8.3 機械結構與調整 482
8.4 系統架構與硬件設計 482
8.4.1 模塊劃分及母板電路 482
8.4.2 CCD攝像頭模塊電路 483
8.4.3 硬件二值化電路 485
8.5 圖像採集處理 486
8.5.1 圖像採集 486
8.5.2 圖像處理 489
8.6 控制策略 490
8.6.1 控制方案 490
8.6.2 驅動電動機PID控制 492
8.6.3 轉向舵機控制 493
8.7 難點突破與系統改進 493
8.7.1 機械改進 493
8.7.2 轉向控制的優化 493
8.7.3 車體的防護 494
8.8 攝像頭單車參考代碼 494
第9章 攝像頭雙車實例 498
9.1 攝像頭雙車設計思路 498
9.2 攝像頭雙車硬件設計 499
9.3 攝像頭雙車組的賽道識別 500
9.4 控制策略 503
9.4.1 超車策略 503
9.4.2 沖點處理 505
9.5 難點突破與系統改進 506
9.5.1 單車性能提升 506
9.5.2 超車過程優化 506
9.6 攝像頭雙車組參考代碼 507
第10章 自平衡車實例（光電組） 510
10.1 自平衡組簡介 510
10.2 直立行走控制原理 510
10.2.1 直立行走任務分解 510
10.2.2 車模直立控制 512
10.2.3 車模速度控制 515
10.2.4 車模方向控制 516
10.2.5 車模傾角測量 517
10.2.6 車模直立行走控制算法總框架