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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

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发表于 2014-5-1 10:18:34 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式


  
        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。


                                                                                               H桥电路控制原理


                                                                                                            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。


                                                                                                                 速度检测

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。


                                                                                                                   按键

                                                                                                              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。
   

                                                                                                                 
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。     

      
      小弟自己的见解,大婶们勿喷!

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发表于 2014-5-1 10:22:40 | 只看该作者
楼主你的图都看不了
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 楼主| 发表于 2014-5-1 10:53:40 | 只看该作者
一亩田 发表于 2014-5-1 10:38
帖子不错,就是图片看不到

不是吧,我进去都能看见。
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不错,好贴!
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 楼主| 发表于 2014-5-1 11:16:40 | 只看该作者
图片后面给补上,可能是我从我空间里面复制的问题吧
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没有图片 让我们情何以堪。
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发表于 2014-5-1 13:20:27 | 只看该作者
楼主啊  你轮胎咋处理的啊 有妙招吗
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我认为最省轮子的跑法最快。曾经的西科4队

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好贴,顶~~~
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:L图片啊。。。
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