东北大学艾萨克技术报告(队员：王亮,陈烨锦,王泽坤)

图3-16 UART接收缓冲区

UART发送缓冲区(UTBn)

发送缓冲寄存器包含了发送存储寄存器和发送位移寄存器。当UART的状态寄存器（USRn）的TXRDY位置1时，发送存储器就从总线读取数据。当位移寄存器为空时，检查存储寄存器是否已将全部有效数据发送完毕。

图3-17 UART发送缓冲区

输入变化寄存器(UIPCRn)

可以检测总线上的变化，不是常用

图3-18 输入变化寄存器

辅助控制寄存器(UACRn)

图3-19辅助控制寄存器

只有一位，IEC位是输入使能控制。 中断寄存器/屏蔽寄存器(UISRn/UIMRn)

图3-20中断寄存器/屏蔽寄存器

UART最多允许产生4个中断请求，1个来自于发送部分，3个来自于接收部分。UART中断状态寄存器(UISR)提供这4个中断请求标志。下面是对每一个UART中断的解释。 TXRDY－发送就绪：当CPU写下一个字符，TB为空并且被清0时，UART发送器将该标志置1。当UART允许发送下一个字符就绪时，该标志也置1。

FFULL/RXRDY－FIFO满/接收就绪：当接收器的RB中有数据，并且通过CPU准备读时，

该标志置1。用户可以选择中断请求源RXRDY或者FIFO满，该选择是通过UART模式寄存器1(UMR1)中的接收中断选择(RxIRQ/FFULL)控制位。清除或设置RxIRQ/FFULL位将选择相应的RXRDY或FFULL中断源。当CPU读RB时，将自动清除RXRDY中断标志；当选择FFULL作为中断源时，读FIFO并且有一个或多个空槽时，该标志被清0。

DB－Delta Break：只要当接收器检测到一个Break字时，该标志被置1。接收器接收到的字符全是零、并且没有停止位时，检测到Break条件。破字用于向接收器指出：远程的发送器已经中断了报文发送。有时候，当发送器出现一些非正常情况时，报文中断需要重新同步；比如，发送器的欠载就是一种情况，这可能需要发送一个破字。通过发送RESET BREAK CHANGE INTERRUPT命令，DB标志清0；而该命令是通过写UART控制寄存器MISC位域的值为[101]来实现的。

COS－状态改变(Change-of-state)：当需要流控制时，接收器可被编程来自动取消和使请求发送(RTS)输出信号有效；在这种情况下，当检测到一个有效的起始位和三阶FIFO满时，接收器自动取消RTS。当FIFO位置变成有效时，接收器使RTS有效；所以通过连接RTS输出与发送设备的CTS输入，可以预防溢出错误。发送器CTS输入有效表明远程接收器的CPU准备接收下一个字符。在这种情况下，当CTS信号有效时，发送器只发送数据字符。任何时候，当CTS引脚上由高到低或由低到高的转变时，发送器将检测到这种变化。通过读取UART输入端口改变寄存器(UIPCR)，发送器可以核对CTS输入信号的准确状态改变。读UIPCR将自动取消COS中断标志位。

要使每一个UART中断源使能允许，在UART中断屏蔽寄存器(UMIR)中相应的中断屏蔽位必需被置1。当需要产生一个DMA请求来取代CPU的中断请求时，应用软件通过写它们在UIMR中相应的屏蔽位为0来屏蔽TXRDY和RXRDY。 比特率寄存器(UBG1n/UBG2n)

图3-21 比特率寄存器(高8位)

图3-22 比特率寄存器(低8位)

用于存放计算出的比特率，计算公式如下：

设置比特率存储器，要注意的是，16位寄存器分高8位(UBG1)和低8位(UBG2)，存储时要分别存储，C语言程序描述：

MCF_UART_UBG1(uartch) = (uint8)((ubgs & 0xFF00) >> 8);//设置比特率寄存器高8位 MCF_UART_UBG2(uartch) = (uint8)(ubgs & 0x00FF);//设置比特率寄存器低8位 d) 发送和接收的UART配置 (1) 初始化过程

为了允许UART发送和接收报文，执行下面的步骤：

(1.1)通过写UART时钟选择寄存器(UCSR)，来选择发送器和接收器的时钟源。 (1.2)使用下面的公式选择需要的波特率：

假设我们使用60MHz系统时钟频率，并且需要设置UART的波特率为9600Hz，对于分频因子：

(1.3)这个值取十进制的195，并且将0x00C3写入16位UART波特率寄存器UBG1和UBG2。 (1.4)将UART命令寄存器(UCR)中MISC值写为[001]，发送一个RESET命令，复位模式寄存器指针。该命令使模式寄存器指针指向UART模式寄存器1(UMR1)。 (1.5)将UMR1写入配置值，选择下面的选项：

如果需要，选用请求发送(RTS)功能，控制清除发送(CTS)。 选择接收器中断源：RXRDY或者FIFO满。 选择字符或者FIFO错误模式。 选择奇偶模式和类型。

选择每个字符的位数。

(1.6)写UART中UMR2，选择下面的选项：

选择UART模式，对于正常通道模式写CM = ?00?。

选择发送器的RTS和CTS操作；如果接收器RTS功能用于控制发送器的清除发送输入，TXCTS位置?1?。

选择停止位的位数，对于一个停止位SB域位写入[0000]。

(1.7)写UIMR2以允许中断请求，UART最多可以产生4个中断请求：TXRDY、RXRDY或FIFO满、Delta中断、状态改变。

(1.8)将UART控制寄存器TC和RC位域值分别写为[001]和[001]，发送器和接收器使能允许。 (1.9)初始化适当的PACR发送UART信号引脚上。注意，只要发送器允许，就产生一个中断请求；因为TXRDY和TXEMP标志被置1，表明发送器为空。 (2) 每个字节的发送顺序 字节的发送顺序如下：

(2.1).读UART状态寄存器，确定接收器或发送器是否有请求。

(2.2).如果TXRDY标志位置1，写下一个字符到发送缓冲区(TB)。写TB将自动清除发送标志。

(2.3).为后续的字符传输重复步骤(1)。

(2.4).当最后一个字符写入TB时，所有的数据位移出串行移位寄存器之后，设置TXEMP标志；发送DISABLE TRANSMITTER 命令，清除TXEMP和TXRDY标志。

(2.5).如果有多个报文需要发送，用TRANSMITTER ENABLE命令重新允许发送器。 (3) 每个字节的接收顺序 字节的接收顺序如下：

(3.1).读UART状态寄存器，确定接收器或发送器是否有请求。 (3.2).如果设置了RXRDY标志，检查与接收字符相关的错误标志。 (3.3).如果检测到错误，发送RESET RECIEVER命令，接收器复位。

(3.4).读UART接收器，读接收缓冲区(RB)将自动清除RXRDY和FIFO满标志位。 (3.5).将接收的字符存到存储器中。

(3.6).重复步骤(1)~(5)，直到接收完所有报文。

(3.7).发送DISABLE RECIEVER命令，使接收器变为禁止状态。 4 音频处理方案

ML2308是立体声录音／播放大规模集成电路(LSI)，在单个芯片中集成了

录音和播放音频数据所需的所有功能。话筒或线性输入的模拟信号被模．数转换器 转换成数字信号，经由缓冲存储器输出到外部设备。此外，从外部设备输入的数 字信号由1比特数一模转换器转换为PWM信号，然后由PWM驱动器输出。 ML2308的PWM驱动器可以直接驱动耳机。与混合模拟电路的LSI相比， ML2308中的绝大部分信号是数字化处理，相比起利用PWM外接模拟滤波放大电 路的音频电路，其信噪比更高。所以，虽然MCF52223控制芯片自带的PWM 模块也可以作为数模转换使用，但是，由于用ML2308能节省更多MCU处理负担、 提供更好的音质以及更丰富的控制能力。所以，在设计中采用了ML2308作为音 频输入和输出模块。

ML2308主要特性如下：

用户接口

1．支持串行外围设备接口(SPI)或8比特总线接口。

2．音频数据缓冲存储器128字节(左右通道各64字节)。 3．输出脚FUL，MID，EMP指示缓冲存储器状态。 4．编码解码器／音频信号输入输出。

音频合成模式：

p率G711适应性8比特PCM编码，8比特／16比特线性PCM编码，8比

特OKI非线性PCM编码，2比特／3比特／4比特／5比特／6比特／7比特／8 比特ADPCM2编码。

·取样频率：4．OkHz--48kHz(指令设置)。

·内置立体声△．Σ1比特A／D转换器S／(N．巾)：80 dB DR，S／N：85 dB。 ·内置立体声△．Σ1比特D／A转换器S／m)：75 dB DR，S／N：85 dB。 ·内置PWM驱动器驱动扬声器(最大150roW,RL=16 Q，BTL时)。 ·话筒放大器×2，线性输入放大器×2(立体声)。 ·动态范围控带IJ(DRC)自动录音电平调整功能。 ·录音输入电平检测功能。

控制指令

·音量控制：256阶，0 dB～--48．16 dB，OFF。 ·PAN控制：16 steps，0 dB一之4．08 dB，OFF。 工作环境

●电源电压：+2．7 V～+3．6 V。 ●工作温度：．20。C～+70。C。． ●源振荡器频率：24．576MI-Iz。

3.1.2 方案描述

1 车体方案：小车才有大赛提供的开发套件进行车模组装，采用四轮相对结构，因为车轮本身可以有两个自由度的运动，所以如此安装可以保证车体可以自由完成4个方向的位移动作和许多复杂运动。 2 车模控制方案：我们利用9S12DG128的8通道8位PWM组成4通道16位PWM通道分

别控制4个电机。

3 运动控制方案：

A：遥控模式：操作员用手柄通过无线数据传输模块向主控模块发送命令，经过主控模块的识别将命令转化为PWM信号输出，从而完成对小车运动的控制。

B：自动模式：灰度图像采集模块采集的数据，通过图像处理模块后将分析得到的路径信息发送给主控模块，再有其转化为PWM信号输出，完成对小车的控制 5 图像数据控制方案：

A 自动方案：首先定时采集灰度图像，经分析后若判断为可以图像，发送命令给彩色图像采集模块进行采集，并最后将彩色图像和灰度图像分析处理结果数据同过无线方式发送给上位机

B 手动方案：由操作员利用手柄发送命令经过无线模块进行被认为需要的采集和传输操作。 6 其它信息采集方案：

A 自动方案：由定时器管理，每隔固定时间进行数据采集并发送给上位机显示

B 手动方案：由操作员利用手柄发送命令经过无线模块进行被认为需要的采集和传输操作。

3.2 机械机构

3.2.1 底盘结构：

小车采用大赛指定的创意组车模搭建，四轮相对排布（如下图），借由车轮的特殊结构实现两个自由度的任意运动，达到最大限度的灵活性！

图3.23底盘结构

3.2.2 整体结构

东北大学“艾萨克”设计报告

(指导教师: 王爱侠 队员: 王亮 王泽坤 陈烨锦)

概述

本文以第五届全国大学生智能车竞赛为背景，介绍了东北大学创意智能赛车控制系统的软硬件结构和开发流程。该比赛采用组委会规定的标准车模，以 Freescale 半导体公司生产的 32位MCF52233，MCF52234和16 位单片机MC9S12DG128 为核心控制器，在CodeWarrior IDE开发环境中进行下位机的软件开发，在VC++6.0上完成上位机的软件开发，实现了可以满足对灾难现场信息采集的要求的创意车。 关键字： 创意车 飞思卡尔 VC++6.0

abstract

Northeastern University, creative intelligent car control system configuration and the development process has been described in this paper, with the background of the fifth National University intelligent car contest. The competition provisions of the standard car models by the Organizing Committee with the chips(MCF52233，MCF52234, MC9S12DG128) which product by FREESCALE. With the CodeWarrior IDE to lower computer software development, VC + +6.0 for PC software development, to completed a creative vehicle.

第一章 绪论

现在半导体在汽车中的应用原来越普及，汽车的电子化已成为行业发展的必然趋势。它包括了汽车电子控制装置，即通过电子装置控制汽车发动机、底盘、车身、制动防抱死及动力转向系统等，到车载汽车电子装置，即汽车信息娱乐系统、导航系统、汽车音响及车载通信系统等等，几乎涵盖了汽车的所有系统。汽车电子的迅猛发展必将满足人们逐步增长的对于安全、节能、环保以及智能化和信息化的需求。

作为全球最大的汽车电子半导体供应商，飞思卡尔一直致力于为汽车电子系统提供全范围应用的单片机、模拟器件和传感器等器件产品和解决方案。飞思卡尔在汽车电子的半导体器件市场拥有领先的地位并不断赢得客户的认可和信任。其中在8 位、16 位及32 位汽车微控制器的市场占有率居于全球第一。飞思卡尔的S12 是一个非常成功的芯片系列，在全球以及中国范围内被广泛应用于各种汽车电子应用中。例如引擎管理、安全气囊、车身电子、汽车网络和资讯娱乐等。

1.1 背景介绍

受教育部高等教育司委托(教高司函[2005]201 号文)，高等学校自动化专业教学指导分委员会主办的“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛是在飞思卡尔公司资助下以HCS12单片机为主控微控制器芯片的模型车体的基础上进行设计，制作出具有自主道路识别能力的智能汽车，是教育部主办的全国大学生五大竞赛之一。

全国大学生智能汽车竞赛与己举办的全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计等。 4 大专业竞赛不同，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛于2006 年8 月在清华大学举行。来自全国共57 所大学的112 支参赛队的同学们在9 个月的时间里，历经报名、资格评审、赛车制作和调试，以及技术报告的评审等各个阶段的挑战，共有25 支参赛队参加了决赛，清华大学2 队、上海交大速度之星队及清华大学1 队分列成绩前三名。

今年已是第五届比赛，在本次比赛中，与以往不同加入了创意组的竞赛。全国大学生智能汽车竞赛创意组比赛是在继前三届智能汽车竞速比赛之后，为了能够进一步提高大学生创新能力、丰富竞赛内容、提高竞赛水平而提出的创意竞赛。第四届已经成功举办了一次创意比赛，从参赛的二十多项作品中评选出一、二等奖十名。本届智能汽车竞赛将继续举办创意组比赛，经过遴选后的参赛作品将与智能汽车竞速比赛全国总决赛一起举行。

为了能够更加规范创意比赛的竞赛和评选，本届创意比赛采用统一硬件框架平台、限定作品主题的方法。参赛队伍可以利用统一的硬件平台，在限定的主题范围内，制作参赛作品。 参赛队伍之名次以车现场成功演示观众与专家评分为主，本文所述的内容即是为本届比赛而准备的技术方案。

1.2设计思路

本智能车按照灾难现场信息采集的主题思路设计，具有图像信息采集处理，温湿度采集，声音采集处理，车身状况信息反馈，和无线数据传送，遥控与自主驾驶功能。灾难现场的信息采集，就是能帮助援助人员采集到现场需要的视觉，温度，声音等信息从而帮助救助人员更好的对现场进行判断，例如它可以自主对于现场特定的图形，特定频率的声音进行抽取，避免人工的疏漏，当然也可以由人工控制以应对特殊情况。例如：人的头颅是近似圆形，那么小车的摄像头可以对它所探测到的区域的圆形图案进行提取，如果现场有人员求救，它也可以对较微弱的声音进行提取与放大，传回上位机，最后对救助人员的行动提供良好的信息支持。

1.3 创新理念

1 无线方式的控制命令发送于数据传输，有别于以往的有线线控模式

2 一定的数字图像处理功能，可识别特定的简单图像不同于以往单独依靠的人为识别 3 4 5 6

具有彩色与灰度两种图像采集功能

配有三轴加速度和温湿度传感器，可以较全面的采集现场特征于反馈车体自身状态 可以采集特定频率范围的声音信号

自主开发的具有多功能显示的上位机软件，可以全方位的显示用户感兴趣的信息

7 使用飞思卡尔32位MPU和16位MCU等多处理器协同工作，依靠处理器本省强大的功能，可以很好的进行任务划分，使系统具有更高的效率。

1.4 比赛规则

1参赛作品的主体需要选用www.smartcar.au.tsinghua.edu.cn网站上公布的《全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛创新大赛套装》进行搭建。

平台示意图

2作品的主题为“抗震救灾、绿色家园”。

3作品内容需要包括的基本的模块：

外部环境检测传感器与相应的信息处理模块；

运动机械装置与驱动控制模块，建议以各类模型车为基础； 嵌入式计算机信息处理模块； 电池与电源管理模块；

核心计算机处理模块必须使用飞思卡尔公司的处理器芯片系列。

竞赛评比将由竞赛现场专家组通过现场观摩作品展示、参赛队员提问、现场观众投票等环节对于参赛作品评分并最终确定比赛名次。 4 现场比赛规则

参赛队伍在竞赛前一周的时间，向比赛组委会提交作品的技术报告。竞赛组委会将聘请专家给出技术报告分数。

参赛队员按照智能汽车全国总决赛组委会统一安排。在现场依次进行参赛作品的展示。 参赛队伍可以利用竞速比赛现场场地和设置。如果现场竞速比赛的场地不满足要求，也可以自行准备展示辅助装置。

在规定的时间内，对自己的作品进行讲解和展示。同时回答现场专家组和观众的提问。 由专家组统一进行评议给出每个作品的技术分数，由现场组委会组织观众投票给出作品的展示效果分数。

参赛作品的比赛成绩将由技术报告分、技术分数和展示效果分数三部分组成。具体评价比例将在比赛开始之前公布

第二章 整体设计

2.1系统结构

小车的整体采用模块化设计，各模块之间关系由下图所示

灰度图像采集模块图像处理模块彩色图像采集模块小车控制模块主控模块无线数据传输模块车体状态采集模块综合信息处理模块温湿度采集模块

图2.1 系统框图

2.1.1 灰度图像采集模块：

该模块采用HQ7620数字摄像头模块完成采集任务。如图2.2所示。

图2.2 HQ7620数字摄像头

HQ7620摄像头模块是基于Omnivision公司的CMOS图像传感器--- OV7620的方案设计；OV7620是OmniVision 公司开发的1/ 3英寸,30 万像素CMOS 彩色图像传感器,该芯片将CMOS 光感应核与外围辅助电路集成在一起,具有可编程控制与视频模/ 数混合输出等功能。该芯片的主要特性有：最大分辨率为 664 ×492 ，同时支持VGA (640 ×480 分辨率) 和 QVGA(320 ×240 分辨率) 两种模式。输出帧频在0.5fps~30fps 之间可调。输出窗口尺寸在 4 ×2~ 664 ×492 之间可调。图像数据输出格式可以为8 位/ 16 位的 YCrCb 4 : 2 :2 ITU2656 、IR2601GRB 4 :2 :2 或RGB Raw Data。能工作在逐行/隔行扫描方式下,也能工作在彩色/ 黑白模式下。上述的所有性能,用户可以根据自己的需要,通过 SC2CB 接口设置芯片内相应的寄存器进行选择。5V电源供电,工作时功耗<120mW,待机时功耗<10μW。可应用于数码相机、电脑摄像头、可视电话、第三代网络摄像机、手机、智能型安全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等多种用途。

基本参数：

大 小：33x27x24(mm) 电 源：DC+5V ±5% 扫描方式：逐行/隔行扫描

最低照度：2.5 lux at f1.4 (3000k)

信 噪 比：> 48 dB

最大像素：(H)664 x (V)492； 缺省有效像素：(H)640 x (V)480 数据输出格式：

YCrCb 16bit/8bit selectable 60Hz 16 Bit YCrCb 4:2:2 - 640x480 60Hz 8 Bit YCrCb 4:2:2 - 640x480

RGB Raw Data Digital Output 16Bit/8Bit selectable

CCIR601, CCIR656, ZV 端口：支持8/16 位视频数据 SCCB接口：最大速率支持400 kBit/s

YCrCB或YUV输出格式：支持TV或监视器显示

在上图显示的各个模块中，灰度图像采集模块是为后续的数字图像处理做准备，先是对图像进行灰度值合并，然后用梯度算子找到边缘，然后除噪声，最后描绘图中主要元素的边缘，对图形进行判断。车模采用的是大赛组委会提供的开发套件，采用4路PWM信号控制四个

伺服电机。采用三轴加速度传感器，对车辆状态进行信息采集。

2.1.2 彩色图像采集模块：

彩色图像采集模块采用PCT01串口摄像头如图2.3，它传输的是JPEG的图像格式，最大分辨率640*480；

2.1.3 无线数据传输模块 蓝牙内嵌模块如图2.4

图2.4 蓝牙内嵌模块

a) 简介：

蓝牙内嵌模块可以应用于各种家电、仪器（如医疗设备）等电子信息产品。作为一种线 缆取代方案，它可以直接与单片机或处理器相连，采用即插即用的方式透明的实现设备间的 无线数据传输。蓝牙内嵌模块有主从之分，一个主设备与一个从设备配套使用。当蓝牙内嵌 模块硬件电路连接正确，并且加电启动之后，主从设备会自动建立连接，并且识别与记忆对 方设备，之后，用户的设备就可以像使用一条串口线一样的使用蓝牙内嵌模块。 蓝牙内嵌模块除了一对配套使用之外，也可以独立使用。如用户的设备连接一个从设备 的蓝牙内嵌模块，这样，其它的蓝牙设备如蓝牙PDA 可以搜索到此内嵌模块，并且发现其 提供的服务，通过此服务可以与其建立连接并进行通讯。对于用户设备的通讯，仍然像使用 串口线一样的使用此模块。

蓝牙内嵌模块提供了安全认证功能，当用户设置使用安全认证时，连接的设备必须要进 行鉴权，只有通过鉴权的用户才能与其进行通讯，如果是一对蓝牙内嵌模块，这些过程都将 自动完成（默认密码：1234）。

接一个蓝牙内嵌模块，功能等同于一条串口线。 b) 引脚说明 :

1 CLR 状态切换开关（输入），低电平为参数设置状态，高电平 0-VCC 为正常工作状态。 2 LNK 连接指示（输出），处于连接状态时输出高电平，没有连 0-VCC 接输出低电平。

3 CTS 清除发送（输入） 0-VCC 4 RTS 请求发送（输出） 0-VCC 5 TXD 串行数据输出 0-VCC 6 RXD 串行数据输入 0-VCC

7,8,9,10 NC 不接

11,12,13,14 不存在的引脚②

15 Sleep 睡眠/唤醒/清地址（输入），不用时接高电平 0-VCC 16 Out0 输出备用端0 17 Out1 输出备用端1

18 BTC 可以用于电池电压监控，当电池最大电压高于VCC 时， 0-VCC 需要分压（如下图说明）。不用时可以悬空。 19,20,21,22 GND 电源地

23,24 VCC 电源电压（输入）③ 2.7-3.3V 典型为3V 说明：

① CTS 和RTS 脚对于无需流量控制的用户可以用1k的电阻连接起来形成自握手 ②11,12,13,14 是DIP24 （双排直插）删去的引脚，此产品外型兼容DIP24；

③上电前请确保电源电压和极性正确无误，蓝牙模块严禁使用负压。（请严格恪守COMS 电路操作准则;

2.1.4 车辆状态采集模块

该模块采用飞思卡尔的MMA7260三轴加速度传感器完成；如图2.5； MMA7260Q及其特性：

新型MMA7260Q是XYZ低g加速传感器，其特性包括： 单封装3轴感应 低压操作：2.2~3.6V

电流消耗低（典型值：500μ A ） 休眠模式下电流消耗低(3 μA) 模拟输出

350Hz 带宽

g选择：1.5g, 2g, 4g, 和 6g 快速的上电响应时间（1ms） QFN-16 封装(6mm x 6 mmx 1.45mm) 无铅材料和绿色材料 20~+85℃的工作温度

MMA7260Q具有低功耗特

性，它包含一个休眠模式管脚。在休眠模式下， MMA7260Q的最大电流仅为3μ A；在普通模式下， MMA7260Q的最大电流为500 μA 。由于电池消耗低，寿命延长，故而使其成为小型电池供电便携式设备的理想之选。

此外，MMA7260Q 具有快速启动性能。它的休眠模式的唤醒时间很快，仅为0.5ms。通过将有源低电平休眠模式管脚设为高电平(Vdd) ，即可实现触发，将X，Y，和Z的输出从Vss状态下恢复过来。其常规加电时间也很快，仅为1ms。

第三章 控制系统

3.1 控制方案

3.1.1 多MPU/MCU控制，整体架构如下图：

主控模块彩色图像处理模块无线数据传输模块彩色图像采集摄像头MCF52234板间通信模块电源模块板间通信模块灰度图像采集摄像头灰度图像处理模块综合处理模块MCF52233温湿度传感器板间通信模块三轴加速度传感器板间通信模块灰度图像处理模块MC9S12DG128车模小车控制模块模拟摄像头

图3.1 整体架构图

3.1.2 方案细节

1 电源方案如图3.2

12V电源模拟摄像头MAX734模块电池（6-8.4V）7805模块

图3.2 电源方案

电机5V电源开发板整个系统需要的电源分为5v和12V两种，分别由不同的电路提供 a) 12V电源采用MAX734芯片和外围电路提供如图3.3

图3.3 MAX734

MAX734一款12V输出的DC-DC转换芯片，在可以输入只有4.75V的情况下输出12V电压，和120mA的电流。是理想的FLASH供电方案。它的外部器件只需用33微法的电容，二极管和18微亨的电感而已，非常简单易用。 特点：

1 稳定的+12V（误差5%）输出 2 稳定的120mA的电流输出 3 只需连接简单的外部电路

特别：

在这里我们用此芯片承担模拟摄像头的供电任务

图3.4 MAX734应用电路

MAX734的外围电路如上图所示。其引脚分别介绍如下。

1 脚为开关引脚（shutdown）,低有效，如果接地芯片不工作，使用时接VCC； 3 脚软启动（soft-start）,不接；

4 脚补偿电容输入端（compensation capacitor input）,接0.001μF电容； 5 6 7 8

脚为地（GND）；

脚为泄掉内部N沟道场效应管能量的接口； 脚电源输出； 脚电源输入；

b) 5V的电源方案采用X7805及外围电路

X7805是三端正电源稳压芯片，采用top220封装，应用非常广泛，由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏，如果能提供足够的散热片，它能提供大于1.5A的输出电流，虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当外部器件后，能够获得各种不同的电压和电流。 特点：

最大输出电流1.5A 输出电压5V 热过载保护

短路保护

输出晶体管安全工作区保护

图3.5 7805应用电路

2 模拟摄像头数据处理方案

该系统采用LM1881视频分离芯片实现对场行中断的提取如图3.6

LM1881是针对电视信号的视频同步分离芯片，可以直接对电视信号进行同步分离，准确地获得所需的视频图像信号。LM1881可以从0.5-2V的标准负极性NTSC制、PAL制、SECAM制视频信号中提取复合同步、场同步、奇偶场识别等信号，这些信号都是图像数字采集需要用到的同步信号，有了它们便可以确定采集点所处的场和行。

视频同步分离芯片LM1881外围电路如图2.1所示。其引脚分别介绍如下。

1脚为复合同步输出（COMPOSITE SYNC OUTPUT），从该端口输出行同步信号，表示采集到一行数据[3]，将其连接到MC9S12XDT512的端口P，在P口的中断中对采集到的视频信号进行处理。

2脚为视频信号的输入端，从该端口输入CMOS视频传感器采集到的模拟视频信号。 3脚为垂直同步输出(VERTICAL SYNC OUTPUT)，从该端口输出场同步信号表示采集到新的一场数据，将它连接到MC9S12XDT512的端口J，在J口的中断服务函数中将对图像数据的每一场做出一定的处理。

图3.6 LM1881的外围电路图

3 板间通信模块

板间通信采用UART模块

在长距离的数字数据传输中，串行通信是一种最通用、最有效的方式。通用异步收发器(Universal Asynchronous Transmitter Receiver, UART)是工业标准的串行通信协议，从1980以来，被广泛地用于微控制器中。该协议与RS232接口兼容，RS323标准是美国电子工业协会 (Electronic Industry Association，EIA)与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。RS232用于台式计算机、工业、汽车电子和商业应用，例如POS(point-of-sale)设备。UART是异步通信，支持半双工和全双工的数据传输，其标准和非标准的波特率是可编程的。典型地，UART帧是7位或8位，并且带有1位或2

位的停止位；它也支持5位或6位的帧。UART发送器硬件可随机地产生并发送奇偶位，而接收器的奇偶校验硬件能确保接收数据的完整性。UART能随机向CPU或DMA的DMA控制器发出中断请求。利用DMA控制器，允许应用程序代码在很少或根本没有软件干预情况下，设置发送和接收数据队列。 a) RS-232接口标准

RS-232的接口标准如表1-1所示。

表1RS-232的机械特征

DB-9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 信号名 DCD RXD TXD DTR SGND DSR RTS CTS RI 功能说明 接收线路信号检测 接收数据线 发送数据线 数据终端准备就绪 信号地 数据设备就绪线 请求发送线 允许发送线 振铃指示线 联络控制信号线 数据装置准备好（DSR）：有效时状态，表明Modem处于可以使用的状态。

数据终端准备好（DTR）：有效时状态，表明数据终端可以使用。 这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。 请求发送（RTS）：用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效。

允许发送（CTS）：用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。

数据载波检出（DCD）：用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。 振铃指示（RI）：当Modem收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效，通知终端，已被呼叫。

数据发送与数据接收线 发送数据（TXD）：通过TXD终端将串行数据发送到Modem。 接收数据（RXD）：通过RXD终端接收从Modem发来的串行数据。 地线

SGND：信号地线，无方向。

b）UART工作模式

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)协议作为一种低速通信协议，广泛应用于通信领域等各种场合。其工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输，图3-7给出了其工作模式：.

图3-7 UART工作模式

其中各位的意义如下：

起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。

资料位：紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

奇偶校验位：资料位加上这一位后，使得”1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验资料传送的正确性。

停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。

空闲位：处于逻辑”1”状态，表示当前线路上没有资料传送。

波特率：是衡量资料传送速率的指针。表示每秒钟传送的二进制位数。例如资料传送速率为120字符/秒，而每一个字符为10位，则其传送的波特率为10×120＝1200字符/秒＝1200波特。

c) 基于mcf52233/mcf52234的uart设计

(1) MCF5223x ColdFire UART结构

大部分的MCF5223xColdFire设备包含2个或3个相同的UART模块，每一个都由发送器和收发器组成，而且它们是独立的。UART支持半双工和双工的操作，发送器与串行总线的发送数据(TXD)输出引脚相连，而接收器与接收数据(RXD)输入引脚相连。请求发送(RTS)和清除发送(CTS)引脚用于发送-接收流控制使能允许，避免接收器溢出情况。图3-8给出了UART模块的基本框图。

图3-8 UART功能框图

ColdFire微控制器集成了一个增强型直接存储器存取(enhanced Direct Memory Access, eDMA)控制器，其中2个eDMA通道分配给UART模块，一个给发送器，一个给接收器。其他的ColdFire集成了一个4通道的DMA控制器，可以根据需要分配给发送器和接收器。 1.3.2 MCF5223x ColdFire寄存器定义 UART模式寄存器1(UMR1n)

图3-9 UART模式寄存器1

在初始化模式寄存器1时必须使用命令寄存器把模式寄存器指针清零才可以开始，而且模式寄存器1和模式寄存器2必须顺序初始化。 比较重要的位如下：

RXIRQ/FFULL：选择中断源是接收就绪还是缓冲满。 PM：校验选择。 B/C：数据位宽度。

UART模式寄存器2(UMR2n)

图3-10 UART模式寄存器2

初始化时同样注意先使用命令寄存器把模式寄存器指针清零，初始化完模式寄存器1后，才可以初始化模式寄存器2。 比较重要的位如下： CM：四种模式选择。

正常模式：在正常全双工操作中，UART使用2个引脚，TXD用于发送、RXD用于接收。清除发送(CTS)和请求发送(RTS)信号可以用来同步发送-接收流控制。CTS信号是给发送器的输入，RTS信号是来自于接收器的输出。 自动回送模式：自动回送模式(Automatic Echo Mode)通过回送发送报文来校验发送和接收报文的完整性。远程发送器校验报文是通过对比接收到被发送回来的报文。在这种模式下，本地CPU与接收器正常操作，所有的接收器标志将被更新，可以随机地产生一个CPU中断或者一个DMA发送请求。工作原理如图3-11所示。

图3-11 自动回送模式原理

本地环路模式：本地环路(Local Loop-back)用于测试UART操作，它通过本地发送和接收报文，而没有接TXD和RXD数据线。比较接收与发送的数据可以检验UART发送-接收部分的操作。

远程环路模式：远程环路模式(Remote Loop-back Mode)提供了另外一种远程UART接收和发送操作的测试序列。UART自动地将接收到的字符发送到TXD输出引脚上，但是本地的CPU与发送器的连接是禁止的。在这种模式下，接收器是禁止的，接收到的没有任何错误校验的字符被接收方发送出去。

SB：停止位个数：控制停止位长度。 其设置如下图3-12：

图3-12 停止位设置

UART状态寄存器(USRn)

图3-13UART状态寄存器

显示发送、接收、FIFO的状态，为只读寄存器。 UART时钟选择寄存器(UCSRn)

图3-14 UART时钟选择寄存器

RCS:接收时钟选择，可以选择内部时钟Fsys，或者用外部输入。 TCS:发送时钟选择，可以选择内部时钟Fsys，或者用外部输入。 UART命令寄存器(UCRn)

图3-15 UART命令寄存器

在初始化UART模式寄存器前首先要禁用收和发，初始化完允许收和发，其中禁用和允许都需要配置这个寄存器来完成，其命令繁多，详细配置可参看数据手册。

UART接收缓冲区(URBn)

接收缓冲器包含一个串行移位寄存器和3个FIFO接收存储寄存器。 URXDn连接到串行移位寄存器。在CPU从FIFO的顶部读取数据的同时接收器在更新FIFO底部的数据。

图3.24 整体结构

车模搭建后整体如图2.2所示，但此车模并不是最终完成版，大体机构不会发生变化，分上下两层，上层为主控模块（MCF52234），下层为电源与车体控制模块。车模前方的两个摄像头分别负责彩色图像与灰度值图像的采集。

3.2.3 整车参数 参数类别 尺寸(长*宽*高) 处理器个数 平均功耗 传感器个数

参数值 20cm*19.5cm*20cm 3(MCF52233,MCF52234,9Sdg128) 6W 5 3.3 硬件构成

3.3.1 HC52234,如图3-25.

图3-25 华恒52234开发板

硬件配置：

1) 2) 3) 4)

MCF52234 Coldfire V2core MCU OKI ML2308 立体声录放芯片

Ringing SLIC Silver AG1171 模块接口 (模块可选) 点阵LCD 132x65 像点, TM13265ECIWUG

5) MICPHONE 6) SPEAKER 7) HEADSET

8) HANDSET

9) 10M/100M 以太网 10) CAN 总线接口 11) 模拟电话接口 12) RS232 串口x 3 13) 5x5 键盘

14) 电位器,模拟ADC 输入

15) BDM 接口

16) ZigBee 模块接口,兼容Freescale 的Zigbee 模块 1320xRFC 或 13192RFC

3.3.2 52233DEMO，如图3-26

图3-26 52233DEMO板

硬件配置：

1) MCF52233 Coldfire V2core MCU 2) MMA7260 三轴加速度传感器芯片 3) 10M/100M 以太网 4) CAN 总线接口 5) RS232 串口x 2 6) 40引脚IO

7) 电位器,模拟ADC 输入 8) USB-BDM 接口

3.3.3 MC9S12DG128，如图3-27

图3-27 DG128开发板

硬件配置：

1) MC9S12DG128 MCU 2) 16MHz晶振 3) 112 pin ports 4) BDM 接口

5) RS232 串口x 2

第四章 软件设计

4.1 开发平台简介

4.1.1 下位机开发平台

下位机的开发采用Codewarrior IDE。其中4.6版本针对飞思卡尔的16位MCU；6.4版本针对飞思卡尔的32位MPU。如图4.1和图4.2。

图4.1 codewarrior 4.6 集成开发环境

图4.2 codewarrior 6.4 集成开发环境

a) Codewarrior简介：

CodeWarrior Development Studio（开发工作室）是完整的用于编程应用中硬件bring-up的集成开发环境。 采用CodeWarrior IDE，开发人员可以得益于采用各种处理器和平台（从Motorola到TI到Intel）间的通用功能性。根据Gartner Dataquest的报告，CodeWarrior编译器和调试器在商用嵌入式软件开发工具的使用率方面排名第一。而这只是流行的CodeWarrior软件开发工具中的两个。

CodeWarrior包括构建平台和应用所必需的所有主要工具 - IDE、编译器、调试器、编辑器、链接器、汇编程序等。另外，CodeWarrior IDE支持开发人员插入他们所喜爱的工具，使他们可以自由地以希望的方式工作。

CodeWarrior开发工作室将尖端的调试技术与健全开发环境的简易性结合在一起，将C/C++源级别调试和嵌入式应用开发带入新的水平。开发工作室提供高度可视且自动化的框架，可以加速甚至是最复杂应用的开发，因此对于各种水平的开发人员来说，创建应用都是简单而便捷的。

它是一个单一的开发环境，在所有所支持的工作站和个人电脑之间保持一致。在每个所支持的平台上，性能及使用均是相同的。无需担心主机至主机的不兼容。

CodeWarrior开发工作室包括完成大多数嵌入式开发项目所需的所有工具：

(1) 项目管理器：为软件开发人员处理最高级别的文件管理；按照主要组别组织项目条目；追踪状态信息（例如文件修改日期）；确定每个构建中特定文件的构建顺序及内容；协调插件程序以提供箱版本控制和RTOS支持这样的业务。

(2) 文本编辑器：支持源代码和其他文本文件的创建和处理。与其他的IDE功能完全集成。 搜索引擎：查找特定的文字串；以替代文字替换找到的文字；支持常规表达的使用；提供文件比较及差别功能。

(3) 源浏览器：保存用于程序的符号数据库；包括变量及功能的名称和值的符号的举例；使用符号数据库协助代码浏览；将每个符号与此符号相关代码的其他位置链接；处理目标导向和程序语言。

(4) 构建系统：使用编译器从源代码生成可重新定位的目标代码，并使用链接器从目标码生成最后的可执行图像。CodeWarrior C/C++*编译器工具包括业内领先的C/C++*语言CodeWarrior编译器，包括标准模板库（STL）及各种其他工具。

(5) 源级别调试器：提供高性能窗口的源级别调试器，配备最新的高效率增强型图形性能，缩短板的bring-up和应用开发时间；使用符号数据库，提供源级别调试；支持符号格式，例如CodeView、Debug With Arbitrary Records Format（DWARF）和STABS。 (6) 指令组模拟器：用于jump-starting应用开发的集成指令组模拟器（仅适用于特定的结构）。 (7) 版本控制工具：市场中众多的版本控制工具与CodeWarrior产品兼容。

4.1.2 上位机开发平台

上位机软件采用 Visual C++ 6.0版本开发，如图4.3.

图4.3 Visual C++ 6.0 界面

a) Visual C++ 简介

Visual C++是一个功能强大的可视化软件开发工具。自1993年Microsoft公司推出Visual C++1.0后，随着其新版本的不断问世，Visual C++已成为专业程序员进行软件开发的首选工具。

4.2 MCF52234软件设计

MCF52234的软件开发平台为CODEWARRIOR6.4；软件流程图如图4.4所示：

开始MCF52234初始化采集一段WAVE音频分析音频信息是否是自动模式？YN发送音频分析结果向52233发送上位机的控制命令向上位机发送接收到的三轴传感器与温湿度传感器数据Y是否改为自动模式？N接收52233图像分析结果N是否是特定图像？Y采集彩色图像向上位机发送边缘检测结果和彩色图像

图4.4 MCF52234软件流程图

MCF52234主要负责与上位机和控制模块的通信，包括命令和数据的传输，除此之外还有对彩色图像的采集，音频的处理等诸多功能。

4.3 MCF52233/9S12DG128软件设计

MCF52233的软件开发平台同为CODEWARRIOR6.4；软件流程图如图4.5所示：

开始MCF52233初始化采集灰度值图像分析路径图像信息是否是自动模式？Y进行边缘检测发送PWM控制信号N接收52234的控制命令向52234发送三轴传感器与温湿度传感器数据Y是否被改为自动模式？NN是否是特定图像？Y向52234发送边缘检测结果

图4.5 MCF52233软件流程图

4.4 上位机软件设计

4.3.1 软件设计

上位机担负显示界面，用户命令发送的任务；上位机软件的开发平台为VC++6.0；其软件流程图如图4.6所示：

开始界面初始化Y是否复位？N初始化数据缓存是否是手动模式？N打开串口等待数据Y打开串口等待命令N计时时间内有数据反馈？NY有命令？数据类型classY判断需要的接受数据的缓存区并发送命令给52234彩色图像灰度图像温湿度三轴加速度声音等待数据反馈N数据接收完全？YY显示并存储数据关闭？结束N 图 4.6 上位机软件流程图

4.3.2 设计结果

上位机的软件效果如图4.7和图4.8所示，最终还会添加车体状态和温湿度与声音显示窗口

图4.7 上位机软件应用空闲状态截图

图4.8采集彩色图像后的上位机软件截图

第五章 演示方案

5.1 自动模式演示

1 小车沿赛道巡线行进。

2 对赛道上放置的图形进行识别，并将边缘检测结果和彩色图像传回上位机。

3 同时在行进过程中，车体状态数据与温湿度会不停更新，显示在上位机界面中。

4 远处站一名队员不停的发声(例如SOS的莫尔斯电码)，小车将声音录音传回上位机播放。

5.2 手动模式演示

1 操作员用游戏手柄对小车行进进行遥控 2 操作员接到小车的提示对可疑图像进行采集

3 小车会将边缘化图像和彩色图像上传回上位机

4 同时在行进过程中，车体状态数据与温湿度会不停更新，显示在上位机界面中。 5 小车会对可疑声音发送提示，同时操作员通过手柄将声音传回上位机 6 可现场随机选择一名观众进行操作，提供亲身操作感受。

第六章 主要技术参数

彩色图像分辨率 灰度图像分辨率 音频格式 无线串口波特率 三轴加速度数据

320*240（min）——640*480(max) 140*240 Wave格式 8K采样 8位量化 115200bps 采用形象化显示方式，刷新间隔<1S

第五章 演示方案

5.1 自动模式演示

1 小车沿赛道巡线行进。

2 对赛道上放置的图形进行识别，并将边缘检测结果和彩色图像传回上位机。

3 同时在行进过程中，车体状态数据与温湿度会不停更新，显示在上位机界面中。

4 远处站一名队员不停的发声(例如SOS的莫尔斯电码)，小车将声音录音传回上位机播放。

5.2 手动模式演示

1 操作员用游戏手柄对小车行进进行遥控 2 操作员接到小车的提示对可疑图像进行采集

3 小车会将边缘化图像和彩色图像上传回上位机

4 同时在行进过程中，车体状态数据与温湿度会不停更新，显示在上位机界面中。 5 小车会对可疑声音发送提示，同时操作员通过手柄将声音传回上位机 6 可现场随机选择一名观众进行操作，提供亲身操作感受。

第六章 主要技术参数

彩色图像分辨率 灰度图像分辨率 音频格式 无线串口波特率 三轴加速度数据

320*240（min）——640*480(max) 140*240 Wave格式 8K采样 8位量化 115200bps 采用形象化显示方式，刷新间隔<1S

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