基于图像处理的智能车辆设计

介绍了自行设计的视觉导航的智能车，它综合应用了图像处理、单片机控制、数据通信等相关理论。智能车的设计包括软件、硬件两部分内容。软件设计包括图像处理、电机控制、数据通信等内容。硬件设计包括控制系统硬件组成、电机驱动控制电路设计。在不同条件下试验证明，该智能车系统实时性好、工作稳定。

1 智能车简介

随着计算机技术、数字图像处理技术以及控制技术的发展，智能车辆将在未来的工业、运输以及日常生活起到至关重要的作用。本文所述智能车辆采用CCD传感器识别路径上的黑线，测出车辆与标识线的位置和角度的偏差。采用模糊控制方法，并通过电机的差速控制系统，是智能车沿路径快速行驶。

1.2 智能车系统简介

该系统以飞思卡尔公司的MC68S912DP256为核心，由电源模块、CCD传感器模块、直流电机驱动模块、转向电机控制模块、单片机模块等组成。智能车的工作模式是：CCD传感器探测道路信息，转速传感器检测当前车速，电池电压监测检测电池电压，由计算机-单片机组成的上-下位机控制系统调整小车运行。通过控制算法对模型车发出控制命令，再由转向舵机和驱动电机对模型车的运动轨迹和速度进行实时控制。

1.3 运动学模型（略）

智能车运动模型如图1所示，两个前轮由舵机控制，直流电机驱动两个后轮。以此确保车体两侧具有相同的角速度和运行速度。

图1 智能车运动学模型

2智能车控制系统

2.1 图像处理系统（略）

CCD摄像头拍摄路面标识线的图像，通过单片机的A/D转换模块把模拟图像实时地转换为数字图像信号传给计算机。

对采集到的数字图像，首先采用中值滤波器消除噪声。中值滤波器在消除噪声和保持图像细节之间可以得到较好的平衡，并且计算量不大，能够满足图像实时处理的要求。

因路面易受到光线、污染等外在因素的影响，所以采用自适应的阈值法，把图像转换为二值图像。根据识别出的标识线图像，提取导航参数角度偏差和位置偏差。

2.2电机控制系统

电机的驱动模块采用MC33886作为后轮驱动的动力来源。驱动电路图如图2所示。MCU通过IN1引脚输入PWM波，以调节33886的DNC口的输出电压,调节电机转速的快慢，并且在IN2口输入电压以调节电机的反转和制动性能。

图2 电机驱动电路

为了能够方便地对电机进行控制，在实验中使用了BDM的调试方式及装备CodeWarrior 3.1的仿真软件的PC机对所编写的控制程序进行调试。考虑到程序的可读性和维护性，在单片机程序中，采用了C语言进行编写。

2.3 数据通信系统

智能车系统采用了上-下位机的结构。下位机通过串口中断响应程序接受控制，并根据指令调整智能车的位置和航向，从而实现对路面黑线的跟踪。鉴于单片机与PC机串行接口的电气规范不一致，为实现数据通信，接口之间通过MAX232起电平转换的作用[3]。单片机串口原程序代码如下：

#include <hidef.h> #include <mc9s12dg128.h> #pragma LINK_INFO DERIVATIVE "mc9s12dg128b"

/*-------记录接受次数----------------------*/char m;void light(void) { PORTB=m; }/*-----------初始化------------------------*/void SciInit()

{ SCI0BDL = 52; SCI0CR1=0; /*normal,no parity*/ SCI0CR2=0X2C; /*RIE=1,TE=1,RE=1*/}

/*-----------发送部分----------------------*/void SciTx(unsigned char text)

{int i=0; unsigned char temp; temp=SCI0SR1; /*clear flag*/ for(i=0;i<10;i++) { while (!(SCI0SR1&0x80)); /* wait for output buffer empty */ SCI0DRL = text; }}

/*---------接受部分------------------------*/char SciRx(void)

{ char temp; char result; temp=SCI0SR1; /*clear flag*/ while(!(SCI0SR1&0x20)); result=SCI0DRL; return result;}

3智能车的程序流程

视觉导航智能车总程序流程见图3所示。其中，上位机进行图像处理和参数提取，按照模糊控制规则对小车进行控制，并将结果通过RS232传输给下位机；下位机通过电机控制程序调整车体位置，实现对路径跟踪控制。

图3 总程序流程图

4 实验分析

采用基于LabView虚拟一起技术的智能车仿真系统Plastid对智能车进行算法仿真及分析，其可以对路径和模型车的环境进行模拟，软件界面及模型车仿真的轨迹如图4所示。

进行实时控制，分别以不同的车速跟踪直线和弯道。当跟踪不同路径时，在低速情况下，智能车表现出良好的控制效果。在速度较高的时候，跟踪效果不太理想。这是因为速度较高时，系统反应有延迟性，导致跟踪误差变大，而跟踪弯道的误差较跟踪直线要大，这是因为路径的复杂使对电机控制量需要反复调整。从整体上分析，小车基本上能沿指定路径快速稳定地行驶。

5 结束语

本文介绍了自行设计的智能车，利用计算机作为图像处理和识别的控制单元，采用MC68S912DP256单片机作为执行控制单元，建立起一个闭环控制系统。仿真分析和实时跟踪控制实验证明智能小车具有实时性好、工作稳定等优点。

（本文选编自《电气技术》，原文标题为“基于图像处理的智能车辆设计”，作者为王洋。）

多回路无线照明控制器MCU脱机下载器的设计与实现

刘雪兰1, 田宏伟2

(1.江苏农牧科技职业学院 信息工程系,江苏 泰州 225300;2.苏州大学 应用技术学院,江苏 苏州 215325)

：目前MCU的下载器以在线下载器为主，在室外环境下携带不便，便携式的脱机下载器比较缺乏且价格昂贵，因此根据多回路无线照明控制器实际需求设计了针对AW系列MCU的便携式脱机下载器。通过对HCS08内核CPU及背景调试控制器的深入理解，设计了使用SD卡和EEPROM双重存储器的下载器硬件和软件，精心设计了能保证程序下载可靠性的软件。该下载器已在实际项目中应用，运行稳定，效果较好。

：TP393文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.028

引用格式 ：刘雪兰, 田宏伟. 多回路无线照明控制器MCU脱机下载器的设计与实现［J］.微型机与应用，2016,35（24）：98-100.

0引言

嵌入式产品中MCU的程序下载是指将固件程序下载到目标芯片中，同时提供对目标芯片Flash的擦除和校验等功能的过程。目前针对飞思卡尔MCU的程序下载器一般以在线编程为主，常用的有P&E公司、飞思卡尔公司等生产的调试器，这些调试器功能复杂、价格昂贵，就脱机下载器而言目前仅P&E公司提供一款Cyclone脱机下载器，价格更高。

AW系列MCU是飞思卡尔半导体公司推出的针对电机控制、自动化控制以及汽车应用等场合的工业级MCU，外围模块丰富，存储器容量大，且抗干扰能力强，因此选择其中的MC9S08AW60作为多回路无线照明控制器的核心MCU。实际运行中，由于用户功能需求的变化，需要到现场对MCU进行程序升级，但现场下载程序必须携带笔记本电脑和在线下载器才能进行，携带不便。

本文在分析了HCS08系列CPU内核基础上，设计了BDM调试器硬件电路，设计了多回路无线照明控制器MCU便携式脱机下载器，同时给出在下载器软件方面保证整个下载过程可靠性所采取的措施。

1设计思路

便携式下载器使用SD卡作为待烧写的十六进制目标文件的存储载体，带有液晶显示功能，通过按键选择MCU的型号及目标文件，选定后对目标MCU执行程序烧写操作，下载器使用9 V镍氢充电电池作为供电电源，外部的EEPROM用来存储配置参数，同时为了可靠起见，EEPROM还用来存储待烧写的目标文件，下载器的模块构成如图1所示。

便携式下载器的设计需要深入理解HCS08内核、背景调试控制器模块以及目标文件格式的解析等。

1.1S19记录文件

S19记录文件［1］是飞思卡尔HC08、HCS08、HCS12系列微控制器的机器码文件，是使用字符记录的具有固定格式的目标代码文件，S19文件中每条记录占用1行，每行由5部分数据段组成，其数据段定义如表1所示。

1.2背景调试模式BDM

背景调试模式［2］BDM（Background Debug Mode）是由飞思卡尔半导体公司推出的单线调试方式，是S08、S12及Coldfire系列MCU支持的调试方式。这些芯片内部都具有背景调试控制器（Background Debug Controller，BDC）［3］，负责接收和解析下载器发送的命令，通过操作该控制器，开发人员可以实现底层调试、Flash擦除和编程、加密处理等功能。

BDM接口为单线接口，使用的通信引脚为BKGD，其他的为2个供电引脚以及复位引脚RESET，下载器为双排6芯接口，占用空间小，方便制作。

2 载器硬件设计

便携式下载器以AW60为主控MCU，下载器硬件设计围绕功能需求进行，包括BDM接口模块、液晶显示模块、按键输入模块、使用SPI接口通信的SD卡模块和EEPROM模块等，此处主要介绍BDM接口电路，电路示意如图2所示。

主控芯片输出信号与目标MCU之间接入三态缓冲器74HC125，在保证信号的驱动能力的同时可以适应目标芯片3.3 V或者5 V的信号电压［4］。从图2中可以看出，需要向目标MCU发送BKGD数据时，下载器BKGD_DRV首先输出低电平信号，75HC125-3由高阻态转换为工作状态，此时即可通过BKGD_OUT引脚输出0或1的信号，目标MCU的BKGD引脚即接收该信号，其他引脚的工作方式类似。

需要注意的是，图2中BKGD_IN引脚对应的是MCU的两个引脚PTC6和PTF0，而且在软件中将PTF0配置为定时器1通道2的输入捕捉引脚，这么做并不是为了增加驱动能力，而是为了配合BDM指令集提供的一条用于解决下载器与目标MCU速率不匹配的指令——SYNC指令。在实现SYNC指令功能时，PTF0处于输入捕捉的工作模式，用于捕捉目标MCU发送的电平跳变信号，通过测量目标MCU发送的128个低电平周期从而计算出该芯片BDM控制器的运行频率，实现自适应的通信。

3下载器软件设计要点

BDM通信是单线通信，其最基本的底层操作是读/写一个数据位的操作，而对应的指令集的基本单位为1 B，因此软件设计的要点就是深入了解BDM指令以及编写稳定可靠的读/写字节数据函数，同时为提高下载器下载的可靠性给出了三种措施。

3.1BDM指令介绍

HCS08内核的BDM指令分为两类［5］：一类是在任何运行模式下都可以执行的指令，用于对存储器的读写访问及设置断点等功能，称为硬指令，硬指令不影响CPU运行。另一类指令称为软指令，需要在BDM模式下由CPU执行（用户程序无法运行），固件指令主要提供对CPU内部寄存器的读取和修改操作。

3.2读写汇编子程序

下载器主控芯片第一步操作是测量目标MCU的频率，该操作是通过发送长度足够的低电平来同步请求SYNC指令，主控芯片通过测量目标MCU发送的128个低电平周期所使用的时间，从而换算出目标MCU的BDM控制器的工作频率，此处用到的便是PTF0作为输入捕捉用来计算两次跳变间用时的功能［6］。

在此基础上，接下来就是比较关键的读/写字节子程序的实现，为了保证通信的时序完全按照BDM的要求，该子程序必须使用汇编语言编写，限于篇幅不再列出具体汇编程序，程序设计时需要仔细计算出每个语句及循环操作所占用的周期，发送数据的过程及占用周期如下：

（1）主控芯片写位0到目标芯片BKGD引脚的操作：拉低目标芯片的BKGD引脚不少于12个时钟周期，目标芯片在检测到低电平后的第10个周期对BKGD进行采样，读入该位。

（2）主控芯片写位1的操作：拉低目标芯片BKGD引脚2～４个时钟周期后释放BKGD端，使之为高电平，目标MCU在探测到低电平以后的第10个周期对BKGD进行采样，读入该位。

3.3程序下载的可靠性

对于下载器而言，下载的完整性和可靠性是第一位的，脱机下载器在软件方面做了以下几个方面的工作：

（1）程序下载回滚功能：为防止用户下载程序后发现下载的代码文件有误，但目标MCU已被擦除无法恢复原有程序，在下载器的软件中加入了一个操作，即在烧写目标芯片前首先将目标MCU中的程序读出，程序读出后，存储在下载器外置的EEPROM中，若用户选择程序回滚，则下载器软件重新读入之前读出的目标文件，并进行回滚编程。

EEPROM选用容量为128 KB的25LC1024，内部划分为三个区域，分别用来存储配置参数、目标MCU内部原有固件程序以及待烧写的目标文件。

（2）防SD卡故障功能：为防止在下载过程中出现SD卡被拔出等误操作引起的无法读取目标文件下载的错误，下载器软件首先把待烧写的目标文件S19存入EEPROM中，在对拷贝到EEPROM的目标文件进行重新校验后才对目标MCU进行擦除和编程操作。

（3）程序下载校验功能：目标芯片烧写成功后，偶尔也会遇到运行不正常的情况，而且可能很难被发现，因此程序下载完毕后必须进行程序校验操作。具体过程是读出下载后芯片的程序，并按字节与存储在EEPROM中的S19文件进行对比，若出现不一致则提示用户校验错误，需要重新下载。

4结论

本文针对飞思卡尔下载器以在线编程为主，市场中缺乏MCU脱机下载器的问题，在深入理解HCS08型CPU内核中BDC模块的功能、指令的基础上，设计了针对多回路无线照明控制器MCU的脱机下载器，并成功用于实际产品的程序下载中。通过进一步的改进，可以适应更多型号的HCS08系列MCU的芯片编程。

参考文献

［1］ 王超艺,王宜怀.飞思卡尔S08系列机器码文件下载软件的开发［J］.计算机应用与软件,2011，28(12):256258.

［2］ Freescale. HCS08 Family Reference Manual Rev.2［Z］.2007.

［3］ Freescale. Introduction to HCS08 Background Debug Mode［Z］. 2006.

［4］ 徐清,王宜怀.嵌入式微控制器MC68HC912B32背景调试模式设计与实现［J］.电子技术应用,2006，32(6):6164.

［5］ 王宜怀,张书奎,王林.嵌入式技术基础与实践(第2版)［M］.北京:清华大学出版社，2011.

［6］ 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法［M］.北京:清华大学出版社，2004.

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