第九届全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛(光电组)电路板设计 电路方案

作为一名大三的学子,很有幸参加了第九届全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛。作为一个机械学子,在这个领域可谓是一张白纸,因为大二曾经自学过机电自动化方面的知识,这对整个制作起到了关键的作用。 全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛起源于韩国,是在飞思卡尔半导体公司资助下举办的大学生课外科技竞赛,按传感器类别分为摄像头组、光电组、电磁组、创意组。该竞赛是在规定的模型汽车平台上,使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块,通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应的控制软件,制作一个能够自主识别道路的模型汽车,按照规定路线行进,以完成时间最短者为优胜。该竞赛涵盖自动控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。 我们组所参加的光电组,主要是以光电传感器或者线性CCD(现已禁止使用激光传感器)作为主要路径传感器,我们组选用的是飞思卡尔半导体公司的16位微处理器——RAM内核的K60系列,基于组委会指定的B车模平台而去制作智能车,B车模相对来说,车模采用舵机控制前轮转向,后轮使用滚珠差速器从而实现转弯差速。车模相对比较笨重,驱动电机的功率较大,转向半径较小,车模轮胎摩擦系数较小,这都严重制约了车速的提高。 B车模 有了车模,只是第一步。硬件设计工作的重任落在我肩上,基于上面车模因素,对我们组的硬件设计工作带来严重的考验,经过前期资料和历届技术报告的查阅,我们组最终定下了电路硬件的设计图纸。整个电路硬件设计是使用的Altium Designer软件,工程的原理图如下:( 采用分层设计思路设计原理图。)一、采用分层结构设计,使设计思路清晰,各电路模块关系明确。 顶层连线关系 二、电源部分设计 电源是一个系统工作稳定的基本保障,所以电源的设计工作对整个系统至关重要的。 经过查阅电子电路设计手册以及相关网上资料后,最终采用如下设计方案: 1.电源7.2V动力电池供电,瞬时电流能达到5A,满足驱动电机的驱动要求,但是对稳压电路带来了严重的影响。因为当电机电流过大,会造成电源大的压降,以至于稳压芯片不能正常工作,得不到想要的稳压电压,会导致微处理器自动复位,带来不可预料的危险。 2.经过查阅大量资料,最终确定采用底线性压差稳压的TPS7350、TPS7333 芯片分别得到5V、3.3V电压。5V主用给5V供电要求的芯片供电和测速编码器供电。3.3V主要给K60微处理器供电,虽然K60超频到100M时,相对普通微处理器功率高,由于采用TPS7333芯片稳压,输出功率也较高,所以满足微处理器正常工作要求。数字舵机的电源要求也相对较高,我们选用LM2941可调稳压芯片来作为舵机的电源,通过合理选择LM2941稳压电阻的阻值,就能得到5.5V的电压,可调稳压输出也方便后期的调试,因为在竞速的模型上,转向的灵活和快速,决定了车模的车速和稳定。所以常常为了加快舵机的响应速度,缩小舵机的响应时间,适当的加大舵机的供电电压。 3.为了满足驱动电机的快速加减速,因而IR2104芯片驱动大功率的MOSFET管—(相当于一个开关,电机电源还是7.2V,它的作用只是负责通过控制信号控制电机电源的接通和断开,已方便PWM电机调速),而IR2104的工作电压范围为10-20V,所以需要设计升压电路。升压电路采用MC34063芯片升压,因为MC34063匹配电容的电容值不容易选择,经过几次调试,从7.2V升14V电路总是不太稳定,最终我们采用舵机电源5.5V升14V,经测试,该升压电路能稳定工作并且满足IR2104供电要求。 4.再加上开关和电源指示灯就完成了电源原理图部分的设计工作了。 电源 三、控制器电路设计,车模的大脑,稳定性异常重要。 1.注意K60特殊功能的输出引脚,FTM实现PWM调速,LPTMR0_ALT2(输入捕捉)实现编码器测速,ADC实现CCD模拟电压的采集。 2.预留SPI、串口通信接口,方便调试。 3.PCB设计过程中,注意信号线的线宽和相邻信号线的间距,采用数字地和模拟地分开的原则,PCB两面都需要覆铜以减少信号干扰。 控制器四、 电机驱动电路作为整个系统的心脏,是提升速度的关键模块,因为模型车在运行过程中,需要频繁的急加、减速。(对于直流电机,通过PWM调速大幅度增加电机电源的电压实现急加速,通过PWM调速在电机上加一个适当的反向电压,从而实现电机的制动,完成急减速过程,整个过程的PWM调速电压,都是通过软件算法——PID控制器来实现的,不能胡乱的加大电机电压,否则会出现电路板或者电机的损害,再进行减速制动的时候需要特别注意,减速制动产生大电流和大压降,对电路板和整个系统来说都是一个大的考验。)所以驱动电路的设计工作不能马虎,借鉴北京科技大学的驱动电路设计图纸,我们设