智能车制作

标题: 开源分享之一：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 [打印本页]

作者: 天翊 时间: 2014-5-1 11:34
标题: 开源分享之一：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
本帖最后由天翊于 2014-5-1 11:34 编辑

   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。
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                           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。
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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。
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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。
[attach]59235[/attach]
                                                                                                      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，我们设计出如下电路：
   1.IR2104控制大功率的MOSFET管的通断，能满足上述的电机的大电流要求，1片IR2104控制2片大功率的MOSFET管，形成一个电流回路，即可实现直流电机的驱动，但是为了实现车模的加、减控制策略，需要给直流电机加上正向、反向电压，所以需要使用2片IR2104控制分别独立4片大功率的MOSFET管，搭建一个H桥电路，从而实现直流电机加上正向、反向电压。
   2.PCB（印刷电路板，先绘制电路原理图（元器件电气连接，方便后面的PCB物理层连线，我们使用的电路板都是元器件的物理连接），然后绘制元器件封装，最后连接各元器件的物理层关系）设计过程中，需要在MOSFET管和IR2104芯片下面放置散热孔。
   3. 电源和电机电源走线尽量宽。

                              [attach]59233[/attach]
                                                                                                         电机驱动
五、速度检测电路
   因为采用成品单相200线旋转编码器（转一圈输出200个矩形波，处理器根据这个原理可以实现一定时间内的脉冲计数，从而实现测速功能），测速电路相对简单。按照旋转编码器手册，对照接口定义设计电路就行。
   1.输出端需要上拉3.3V，不上拉时输出波形不是需要采集的矩形波。
   2.编码器采用5V电源供电时，输入波形叫稳定，适合微处理器进行捕捉计数。

六、设计按键和显示屏是为了方便调试和设置参数用，不做过多说明。
   1.按键一般需要上拉，但是考虑到K60处理器可以通过程序设置上拉，所以这里没有上拉。
   2. 显示屏一般采用Nokia5110液晶，小巧轻便。
[attach]59237[/attach]
                                                                                                               按键
[attach]59238[/attach]
                                                                                                            LCD显示屏
七、2路CCD传感器电路
   1.因为今年比赛规则增加了“强制掉头区”，车模要想顺利通过“ 强制掉头区”，有两种方案：1).减速，慢速大转向通过该区域；2).减速，并反向行驶出该区域，需要两个CCD，正向行驶一个CCD，反向行驶一个CCD。

   2.尽量采用FPC排线，减少信号干扰。
[attach]59234[/attach]
                                                                                                               CCD传感器

八、具体的PCB线路设计过程不做太多的说明，因为实在不能用几句简单的话来概括，需要学习的，可以去网上查阅相关资料。
制作的PCB效果

工厂生产出来的PCB效果

总结：
做电路硬件设计，先要查阅资料，设计出满足功能的电路原理图，其次需要亲自动手搭建电路，验证可行性，在绘制PCB板过程中，要细心，全身心投入，不然就会出现大的错误，要真是等到板子到手了，才发现问题，那就是几百元不翼而飞了！不可能没有错误，但是我们应该尽量避免犯错。多实践，多动手，多练习，多分享，多交流。这就是一个积累的过程，积累到一定程度，经验就是你的一大资源。

小弟也是菜鸟，大神们请勿喷！

补充内容 (2014-6-29 10:15):
32位ARM处理器

补充内容 (2014-7-27 08:20):
我已经将我的所有有价值的资料分享到了该贴：http://www.znczz.com/thread-224317-1-1.html，有需要请前往下载。

补充内容 (2018-4-18 13:13):
更多资料见 https://github.com/fan-haobai/smart-car-freescale。

作者: 々炫天空/yiw 时间: 2014-5-1 11:42
顶！说的很不错！虽然我是调程序的····

作者: L无奈 时间: 2014-5-1 11:48
好贴

作者: heshanguo1 时间: 2014-5-1 11:56

作者: jack_channel 时间: 2014-5-1 11:58
这么好的东西竟然没多少人顶

作者: 恋May 时间: 2014-5-1 12:00

jack_channel 发表于 2014-5-1 11:58
这么好的东西竟然没多少人顶

我来晚了。

作者: 云端的雨 时间: 2014-5-1 12:15
好贴！顶起来！

作者: 天翊 时间: 2014-5-1 12:20
附上原理图

作者: 张永超 时间: 2014-5-1 12:32

作者: 云端的雨 时间: 2014-5-1 12:34

天翊发表于 2014-5-1 12:20
附上原理图

lz太好了！问一下你们把电机驱动和主控放在一起没出现过什么问题吗？我之前也是放在了一起，结果就不正常了。

作者: 头上两只角 时间: 2014-5-1 12:37
贴片的电容和电阻怎么焊上去的。

作者: warn00 时间: 2014-5-1 12:47
顶

作者: 深情忆飞 时间: 2014-5-1 13:22
必须顶个呀。。。

作者: 天翊 时间: 2014-5-1 13:22

云端的雨发表于 2014-5-1 12:34
lz太好了！问一下你们把电机驱动和主控放在一起没出现过什么问题吗？我之前也是放在了一起，结果就不正常 ...

控制芯片跟驱动隔的比较远，板子一边强电，一边弱电，基本上没有干扰的问题，只是驱动走线太细了。

作者: 天翊 时间: 2014-5-1 13:26

头上两只角发表于 2014-5-1 12:37
贴片的电容和电阻怎么焊上去的。

直接用烙铁焊的呗。这些电阻、电容不是最小封装，所以相对来说焊起来不是很困难的。

作者: 碛北的孤狼 时间: 2014-5-1 13:42
顶起啊

作者: 2→4→6…… 时间: 2014-5-1 13:52
顶

作者: tangjin 时间: 2014-5-1 14:15
顶顶顶！

:lol

作者: 释是圣杰 时间: 2014-5-1 14:19

虽然都是基础，但是很有用

作者: xiaobai727 时间: 2014-5-1 14:28
顶，无私奉献。。。

作者: 轮舞~魂 时间: 2014-5-1 14:29
非常好！！

作者: liningbo888 时间: 2014-5-1 14:31
顶贴

作者: tangjin 时间: 2014-5-1 14:33
有程序吗？

作者: Loverui 时间: 2014-5-1 14:53
mark

作者: 杨先生 时间: 2014-5-1 15:09

作者: 直立摄像头 时间: 2014-5-1 15:17
厉害

作者: wajuka 时间: 2014-5-1 15:46
画的不错

作者: 飞瀚 时间: 2014-5-1 15:48
顶

作者: 1249844726 时间: 2014-5-1 16:22
楼主威武，开源精神值得发扬

作者: 天翊 时间: 2014-5-1 16:24
顶起来

作者: 葬在天边 时间: 2014-5-1 16:25
很不错啊，学习了呢

作者: lf1286 时间: 2014-5-1 16:46
好贴，支持一下。

作者: 暗剑 时间: 2014-5-1 18:36
就冲张车的外观都必须顶！

作者: 一只咸鱼 时间: 2014-5-1 18:50
这种认真的帖子一定要顶一个～～

作者: vip101vip 时间: 2014-5-1 18:54
顶起

作者: boking 时间: 2014-5-1 18:59
bucuo

作者: 狂野的庄稼汉 时间: 2014-5-1 19:02
赞一个，很喜欢开源，一直再学习linux

作者: 小橙子 时间: 2014-5-1 19:10
恩光电组受教~~ 我们也是把驱动画在了一个板子上板子还没到希望没什么大问题

作者: 锦州彪哥 时间: 2014-5-1 19:18

作者: tearedice 时间: 2014-5-1 19:23
不错不错

作者: 临江隽人 时间: 2014-5-1 19:25
说的好，做的更好！我是新手，多多指教哈

作者: 沧海月明free 时间: 2014-5-1 20:14
靠

作者: 讲不出再见 时间: 2014-5-1 20:46
艹！！！！简直。。。。。。。。。

作者: 望月逍遥 时间: 2014-5-1 21:12

顶

作者: GM1992 时间: 2014-5-1 22:01
顶一个。。。

作者: qual9109 时间: 2014-5-1 22:04
这个不错，追求简洁，电路分析也不错，大力支持

作者: qual9109 时间: 2014-5-1 22:07

头上两只角发表于 2014-5-1 12:37
贴片的电容和电阻怎么焊上去的。

先在一边焊盘上焊锡，然后焊接一边脚先，再焊接另外一个脚（千万不能同时两个脚都上焊锡再进行焊接）

作者: loveCSU 时间: 2014-5-1 22:54
楼主的车看起来挺酷的~~顶！！

作者: loveCSU 时间: 2014-5-1 22:58
楼主，用了几个CCD呀？

作者: xuanwozhe 时间: 2014-5-1 23:48
楼主，我的拨码开关也是这么接的，但为什么不管开关拨到哪个方向，测到的都是低电平呢？

作者: 云端的雨 时间: 2014-5-2 00:40
请问楼主，为什么把LCD和拨码开关离单片机那么远，这样不是使线走的很远吗?

作者: 瞬身止水 时间: 2014-5-2 01:14
顶，好贴

作者: 旋风麦林 时间: 2014-5-2 02:56
顶，果断顶，虽然我不做硬件

作者: zy199 时间: 2014-5-2 06:07
很不错!!

作者: 傲凌 时间: 2014-5-2 08:09

:):):)

作者: 天翊 时间: 2014-5-2 08:51

xuanwozhe 发表于 2014-5-1 23:48
楼主，我的拨码开关也是这么接的，但为什么不管开关拨到哪个方向，测到的都是低电平呢？

你要内部上拉

作者: 天翊 时间: 2014-5-2 08:56

loveCSU 发表于 2014-5-1 22:58
楼主，用了几个CCD呀？

现在还只用了一个，速度没到3米

作者: xuanwozhe 时间: 2014-5-2 12:32

天翊发表于 2014-5-2 08:51
你要内部上拉

ou 好的我马上试一试

作者: xuanwozhe 时间: 2014-5-2 12:49

天翊发表于 2014-5-2 08:51
你要内部上拉

搞定了谢谢楼主

作者: ＡＩ 时间: 2014-5-2 13:03

作者: 学而不倦 时间: 2014-5-2 13:24

作者: ＮＩＨＡ_哈 时间: 2014-5-2 16:27
NB

作者: 一想乘风 时间: 2014-5-2 18:51
画的比我好赞一个

作者: 一想乘风 时间: 2014-5-2 18:58
还有请教下模拟地和数字地怎么区分的比如舵机为什么要把它划到模拟地里面呢？

作者: 1020268548 时间: 2014-5-2 20:16
顶起！

作者: 纸船 时间: 2014-5-3 08:37
怒赞

作者: 198736465 时间: 2014-5-3 09:15

作者: 纸船 时间: 2014-5-3 09:23
楼主你的SD卡模块好使么？板上怎么没看到啊

作者: 天翊 时间: 2014-5-3 09:48

纸船发表于 2014-5-3 09:23
楼主你的SD卡模块好使么？板上怎么没看到啊

在板的背面，SD卡和K60的接线有问题，K60有专用的SD卡接口。

作者: 避风港1717 时间: 2014-5-3 10:22

作者: luyu 时间: 2014-5-3 12:18

作者: 林JJ 时间: 2014-5-3 12:28
挺漂亮的

作者: 我们一起走过 时间: 2014-5-3 12:45

作者: xshenpan 时间: 2014-5-3 12:46
mark!

作者: 一亩田 时间: 2014-5-3 13:16
2104的sd端口接一个限流电阻吧

作者: 天翊 时间: 2014-5-3 13:32

一亩田发表于 2014-5-3 13:16
2104的sd端口接一个限流电阻吧

我接隔离芯片了

作者: zfenggo 时间: 2014-5-3 14:28
不错！

作者: zfenggo 时间: 2014-5-3 14:30
不错！

作者: 冰峰花少 时间: 2014-5-3 14:41

吊

作者: 是爱是暖是希望 时间: 2014-5-3 15:19
好帖子。

作者: 纸船 时间: 2014-5-3 16:38

天翊发表于 2014-5-3 09:48
在板的背面，SD卡和K60的接线有问题，K60有专用的SD卡接口。

好吧，我们用的128，那四根线不用外接电阻什么的吗？还有，楼主你们的2104HO输出电压幅值多大？我们的竟高达20V,也不知道是什么原因，很愁呢

作者: 天翊 时间: 2014-5-3 17:23

纸船发表于 2014-5-3 16:38
好吧，我们用的128，那四根线不用外接电阻什么的吗？还有，楼主你们的2104HO输出电压幅值多大？我们的竟高 ...

差不多，滤波要是没弄好，电压波动大。

作者: 刘旺小盆友 时间: 2014-5-3 18:42

:hug::hug:

作者: CRFX 时间: 2014-5-3 19:18
好贴赞一个又长知识了

作者: 呵呵呵看看哎 时间: 2014-5-3 22:39
顶可我是电磁的

作者: 纸船 时间: 2014-5-3 23:55

天翊发表于 2014-5-3 17:23
差不多，滤波要是没弄好，电压波动大。

能说说怎么具体虑不啊？我们2104上接的也是100u电容，不过自举电容是10uF的

作者: qq363546178 时间: 2014-5-4 15:14

赞一个

作者: 天翊 时间: 2014-5-4 22:58
这是第一期的板子，二期的板子正在设计中，当然贴出的原理图也是存在问题的，希望大家仅作参考用。另外我觉得大家不应该把大部分时间花在PCB设计上了，应该主攻程序设计部分！

作者: 天翊 时间: 2014-5-4 23:03

纸船发表于 2014-5-3 23:55
能说说怎么具体虑不啊？我们2104上接的也是100u电容，不过自举电容是10uF的

自举电容太大了。

作者: 天翊 时间: 2014-5-4 23:04

纸船发表于 2014-5-3 23:55
能说说怎么具体虑不啊？我们2104上接的也是100u电容，不过自举电容是10uF的

自举电容太大了。

作者: 天翊 时间: 2014-5-4 23:04

纸船发表于 2014-5-3 23:55
能说说怎么具体虑不啊？我们2104上接的也是100u电容，不过自举电容是10uF的

自举电容太大了。

作者: 天翊 时间: 2014-5-4 23:49
本帖最后由天翊于 2014-5-4 23:52 编辑

天翊发表于 2014-5-4 23:04
自举电容太大了。

作者: 天翊 时间: 2014-5-4 23:51
修改后的原理图：[attach]59440[/attach]

作者: 天翊 时间: 2014-5-4 23:51
修改后的原理图：[attach]59441[/attach]

作者: 葱葱哥 时间: 2014-5-5 00:00

好贴

作者: horizon_z40 时间: 2014-5-5 13:35
不错，学习了

作者: 纸船 时间: 2014-5-5 14:27

天翊发表于 2014-5-4 23:51
修改后的原理图：

舵机6.5V不怕烧？

作者: 纸船 时间: 2014-5-5 14:32

天翊发表于 2014-5-4 23:49

还有3.3V由5V转，电流够用吗？

作者: wraith 时间: 2014-5-5 15:04
开源好啊，让更多人学习

作者: 天翊 时间: 2014-5-5 21:09

纸船发表于 2014-5-5 14:27
舵机6.5V不怕烧？

不会的。今年的TRS-D05直接接电源都没事，6.5V正常工作电压。

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