两轮自平衡小车毕业设计方案修改.doc

自平衡小车设计摘要这些年来，两轮自平衡车应用取得了十分快速应用和发展。本文提出了一个两轮自平衡小车设计，采取陀螺仪ENC-03和MEMS加速度传感器MMA7260组成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据和加速度计数据数据融合。系统选择飞思卡尔16位单片机MC9S12XS128为控制关键，完成了传感器信号处理，滤波算法实现及车身控制，人机交互等。整个系统在制作完成后，各个模块之间能够协调工作，小车也能够在无人干预条件下达成自主平衡。同时在引入适量干扰情况下小车也能够自主调整状态并快速恢复稳定状态。小车能够被控制实现前进、后退、左右转向等动作。关键词：自平衡 stm32 姿态 滤波 Design of Self-Balance VehicleAbstractIn recent years, the application of two wheeled self balancing vehicle has been very rapid application and development. In this paper, we propose a two rounds of self balance car design, car attitude detection device by gyroscope enc-03 and MEMS accelerometer MMA7260 and Kalman filtering is used to complete data of a gyroscope and accelerometer meter data fusion. The system selects the flying thought Carle 16 bit single chip microcomputer MC9S12XS128 as the control core, completed the sensor signal processing, the filter algorithm realization and the vehicle body control, human computer interaction and so on.After the completion of the entire system, the various modules can work in coordination, the car can also be under the conditions of unmanned intervention to achieve self balancing. At the same time in the introduction of the amount of interference in the case of the car can also adjust the state and quickly return to a stable state. The car can be controlled to achieve forward, backward, left and right steering and so on.Key Words: Two-Wheel Self-Balance; Gyroscope; Gesture detection; Kalman filter; Data fusion目 录1.绪论11.1研究背景和意义11.3本文关键研究目标和内容31.4论文章节安排32.系统原理分析52.1控制系统要求分析52.2平衡控制原理分析52.3自平衡小车数学模型62.3.1两轮自平衡小车受力分析62.3.2自平衡小车运动微分方程92.4 PID控制器设计102.4.1 PID控制器原理102.4.2 PID控制器设计112.5姿态检测系统122.5.1陀螺仪122.5.2加速度计132.5.3基于卡尔曼滤波数据融合142.6本章小结163.系统硬件电路设计173.1 MC9SXS128单片机介绍173.2单片机最小系统设计193.3 电源管理模块设计213.4倾角传感器信号调理电路223.4.1加速度计电路设计223.4.2陀螺仪放大电路设计223.5电机驱动电路设计233.5.1驱动芯片介绍243.5.2 驱动电路设计243.6速度检测模块设计253.6.1编码器介绍253.6.2 编码器电路设计263.7辅助调试电路273.8本章小结274.系统软件设计284.1软件系统总体结构284.2单片机初始化软件设计284.2.1锁相环初始化284.2.2模数转换模块（ATD）初始化294.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置304.2.4测速模块初始化314.2.5 PWM模块初始化324.3姿态检测系统软件设计324.3.1陀螺仪和加速度计输出值转换324.3.2卡尔曼滤波器软件实现344.4平衡PID控制软件实现354.5两轮自平衡车运动控制374.6本章小结395. 系统调试405.1系统调试工具405.2系统硬件电路调试405.3姿态检测系统调试415.4控制系统PID参数整定445.5两轮自平衡小车动态调试445.6本章小结456. 总结和展望466.1 总结466.2 展望46参考文件47附 录48附录一 系统电路原理图48附录二 系统关键源代码49致谢521.绪论1.1研究背景和意义近应用意义。自平衡车巧妙地利用地心引力使其本身保持平衡，并使得重力本身成为运动动能提供者，载重越大，行驶动能也就越大，含有环境保护特点(胡春亮等，)。驾驶者无须担心掌握平衡，车体本身平衡稳定性，使得原本因为平衡能力障碍而无法骑自行车人群也一样能够驾驭。车身小巧，转弯灵活，能够在狭窄、大转角工作场所作业。自平衡车种种优点使其能够作为一个快速、环境保护、安全、舒适、小巧灵活绿色交通工具，是未来汽车和自行车替换品，其市场宽广性和经济效益不言而喻。理论研究意义。自平衡车，在重力作用下车体姿态本征不稳定，需要电机控制来维持姿态平衡，经过电机驱动转动车轮，传感器、软件、微处理器及车体机械装置整体协调控制电动车平衡，是集环境感知、动态决议和计划、行为控制和实施等多个功效于一体综合复杂非线性系统，其控制难度大，控制算法复杂，给控制理论提出了很大挑战，含有较强理论研究价值。图1-1 Segway两轮自平衡车1.3本文关键研究目标和内容本课题设计了一款两轮自平衡小车，研究了车身姿态检测中陀螺仪和加速度传感器互补特征，并依据其特征比较并设计滤波算法，包含卡尔曼滤波，互补滤波等常见滤波算法。PID控制算法实现和直流电机调速研究。具体包含：(1) 机器人本体设计：包含机械，重心调整，电气系统设计等，为深入研究提供良好平台；(2) 信号调理及控制部分电路设计：陀螺仪输出信号需要经过深入滤波放大，所以需要设计信号调理电路，同时控制关键需要构建相关输入输出模块及人际交互设备，所以需要对主控单元电路进行设计。同时还需要设计直流电机驱动电路。(3) 基于卡尔曼滤波数据融合：因为陀螺仪测量角速度只在短时间内稳定而加速度传感器本身白噪声很严重，所以依据其互补特征设计卡尔曼滤波器以得到正确稳定角度和角速度。(4) PID控制算法：包含两路闭环控制。小车倾角闭环控制和直流电机闭环速度控制。1.4论文章节安排第一章：绪论，介绍两轮自平衡车发展历史、研究方向及应用前景，然后叙述课题研究目标及关键内容。第二章：系统原理叙述和分析，对小车运动进行建模，分析陀螺仪和加速度计特征并对滤波算法进行叙述，介绍PID控制器设计。第三章：系统硬件设计，介绍两轮子平衡车硬件系统组成和设计，关键介绍单片机最小系统、陀螺仪信号放大电路、电机驱动电路等。第四章：系统软件设计，介绍单片机初始化，滤波算法及控制算法，叙述各模块软件设计方法。第五章：系统调试，介绍滤波算法效果和参数调整方法，PID参数整定、电机、编码器等模块调试效果，对调试结果进行分析。第六章：总结和展望，总结本设计各模块，并对两轮自平衡小车优化方向进行了简明叙述。2. 系统原理分析2.1控制系统要求分析小车能够在没有环境干预下靠一对轮子保持站立，而且完成前进，后退和左右转向等动作。分析系统要 求可知，保 持小车直立和运动动力全部来自于小车两只车轮，车轮由两只直流电机驱动。所以，从控制角度来看，能够将小车作为一个控制对象，控制输入量是两个车轮转动速度。整个控制系统能够分为三个部分：(1)小车平衡控制：以小车倾角为输入量，经过控制两个电机正反转保持小车衡。(2)小车速度控制：在保持平衡基础上，经过调整小车倾角实现对速度控制，实际上还是演变为对电机控制实现小车速度控制。(3)小车方向控制：经过控制两个电机间转速不一样实现转向。小车直立和方向控制任务全部是直接经过控制车模两个后轮驱动电机完成，而速度控制则是经过调整小车倾角完成。小车不一样倾角会引发车模加减速，从而达成对小车速度控制。三个子系统各自独立进行控制。因为最终全部是对同一个控制对象（小车电机）进行控制，所以各个子系统之间存在着耦合。为了方便分析，在分析其中之一时，假设其它控制对象全部已经达成稳定。比如在速度控制时，需要小车已经能够保持直立控制；在方向控制时，需要小车能够保持平衡和速度恒定；一样，在小车平衡控制时，也需要速度和方向控制已经达成平稳。这三个任务中保持小车平衡是关键。因为小车同时受到三种控制影响，从小车平衡控制角度来看，其它两个控制就成为干扰。所以对小车速度、方向控制应该尽可能保持平滑，以降低对平衡控制干扰。以速度调整为例，需要经过改变车模平衡控制中小车倾角设定值，从而改变车模实际倾斜角度，达成速度控制要求。为了避免影响车模平衡控制，这个车模倾角改变需要很缓慢进行。其中平衡控制是系统最基础要求，也是整个控制系统难点。2.2平衡控制原理分析控制小车平衡直观经验来自人类日常生活经验。如人类身体拥有丰富感知器官，经过大脑调整便能够控制腰部及腿部肌肉保持人体直立。而通常人经过简单训练就能够让一根直木棍在手指尖保持直立不倒。这需要两个条件：一个是托着木棍手指能够自由移动；另一个是人眼睛能够观察木棍倾斜角度和倾斜趋势(角速度)。这两个条件缺一不可，实际上这就是控制系统中负反馈机制，图2-1所表示。图2-1 保持木棍直立反馈控制系统自平衡车控制也是经过负反馈来实现，和在指尖保持木棍直立比较则相对简单。因为小车只依靠两个车轮着地，车轮和地面会发生相对滚动使得小车倾斜。而小车上装载姿态检测系统能够对小车倾斜情况进行实时检测，经过控制器控制车轮转动，抵消在这个维度上倾斜力矩便能够保持小车平衡，图2-2所表示。图2-2 经过车轮转动保持小车平衡2.3自平衡小车数学模型2.3.1两轮自平衡小车受力分析为了正确控制车轮转动，保持小车一直稳定直立平衡，需要对自平衡车进行运动学分析并建立其数学模型，从而愈加好设计控制系统。为了愈加直观分析系统受力情况，下面将直立小车和单摆模型进行对比说明小车受力情况。重力场中使用细线悬挂重物经抽象化便形成理想化单摆模型，两轮自平衡车能够看作一级倒立摆模型进行分析，图2-3所表示。图2-3 小车抽象为一级倒立摆模型对一般单摆进行受力分析图2-4所表示。图2-4 单摆受力分析当物体离开平衡位置后便会受到重力和线合作用力，驱使物体回复至平衡位置。这个力称为回复力，其大小为： （式2-1）在偏移角很小情况下，回复力和偏移角之间大小成正比，方向相反。在此回复力作用下，单摆进行周期运动。因为空气阻力存在，单摆最终会停止在平衡位置。空气阻尼力和单摆速度成正比，方向相反。阻尼力越大，单摆会越快停止在平衡位置。可得出，单摆保持平衡条件有两点：(1) 受到和偏移相反回复力作用；(2) 受到和运动速度相反阻尼力作用。假如没有阻尼力，单摆会在平衡位置左右晃动而无法停止。假如阻尼力过小（欠阻尼），单摆会在平衡位置震荡。阻尼力过大（过阻尼）则造成单摆恢复平衡时间加长。所以存在一个临界阻尼系数，使单摆稳定在平衡位置所需时间最短。对静止一级倒立摆模型进行受力分析（不考虑车轮和地面滚动摩擦力），图2-5所表示。图2-5一级倒立摆模型受力分析图由一级倒立摆模型静止时受力分析可知，其回复力大小为： （式2-2）静止倒立摆之所以不能像单摆一样能够稳定在平衡位置，是因为在偏离平衡位置时所受回复力和其偏移方向相同，而不是相反，所以不能回复至平衡位置，而是加速偏离垂直位置直至倾倒。经分析可知，要控制倒立摆使其能够和单摆一样能够回复至平衡位置并保持稳定有两种方案。一个是改变重力方向；另一个是在系统中增加另外一个力使合回复力和偏移方向相反。显然，只能经过第二种方法实现倒立摆平衡，即在系统中额外增加一个力使合回复力和偏移方向相反。依据牛顿第一运动定律（即惯性定律），任何一个物体在不受外力或受平衡力作用时，总是保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有作用在其上面外力迫使其改变这种状态为止。牛顿运动定律只在惯性参考系中成立。在非惯性参考系中，因为惯性存在，物体会受惯性力。经过控制倒立摆底部车轮，使其做加速运动。在此条件下再次分析倒立摆受力情况，图2-6所表示。图2-6 非惯性系中倒立摆受力分析因为车轮做加速运动，倒立摆会受额外惯性力作用。假设车轮运动使倒立摆含有加速度为。选择地面为参考惯性系，依据牛顿第二定律可知倒立摆受到惯性力为： （式2-3）这么，倒立摆所受到合回复力为： （式2-4）在平衡控制系统中，可控偏移角较小，对其进行线性化。假设控制系统中车轮加速度和偏移角成正比关系，百分比系数为，则式2-4可变换为： （式2-5）若百分比系数g（重力加速度），则倒立摆所受合回复力方向即和偏移方向相反。这么，倒立摆便能够回复平衡位置，不过其调整时间过长。为提升倒立摆调整时间，需要加入阻尼力。增加阻尼力和偏移角速度成正比，方向相反，所以式（2-5）可变为： （式2-6）这么车轮需要提供加速度即为： （式2-7）式中为倾角，为倾角速度，、为百分比系数。由式2-7可知，只有当g时，倒立摆才能稳定到垂直位置。为阻尼系数，适宜阻尼系数能够使倒立摆立即回复至稳定位置。2.3.2自平衡小车运动微分方程已知自平衡车高度为，质量为，将其抽象为一级倒立摆，并将倒立摆至于可水平移动小车上。假设其受外力干扰引发车体角加速度为，沿垂直于车体方向进行受力分析图2-7，能够得到自平衡车倾角和车轮移动加速度为和外力干扰带来加速度之间运动方程。图2-7 外力干扰条件下小车受力分析小车运动微分方程表示式如式2-8： （式2-8）当倾角很小时候，能够进行线性化处理： ，运动微分方程可简化为： （式2-9）自平衡车静止时,其运动微分方程为： （式2-10）2.4 PID控制器设计2.4.1 PID控制器原理当今自动控制技术全部是基于反馈概念。反馈理论要素包含三个部分：测量、比较和实施。测量系统需要控制变量，和期望值相比较，用这个误差纠正调整控制系统响应。在工程实际中，应用最为广泛调整器控制规律为百分比、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调整。PID控制器问世至今已经有近70年历史，以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制关键技术之一。PID控制器由百分比单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）和输出u (t）关系为： (式2-11)其中为百分比系数；为积分时间常数；为微分时间常数。PID控制器含有原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强、对模型依靠少等特点，所以使用PID控制器实现两轮自平衡车控制是完全可行。2.4.2 PID控制器设计 由小车静止时其运动方程可得到系统输入输出传输函数： (式2-12) 此时系统含有两个极点：。其中一个极点在s平面右半平面。依据奈奎斯特稳定判据可知系统不稳定，所以小车在静止状态不能保持平衡56。由小车受力分析可知小车平衡条件是提供额外回复力及阻尼，其起源为车轮和地面摩擦力。由式2-7可知，车轮提供加速度大小是依据角度及角速度反馈得出，所以需要在控制系统中引入角度及角速度组成百分比(P)微分(D)反馈步骤，图2-8所表示。图2-8 加入百分比微分步骤后控制系统结构图加入百分比微分反馈后系统传输函数为： (式2-13)此时，系统两个极点为。依据奈奎斯特稳定判据可知，系统稳定需要两个极点全部在s平面左半平面。要满足这一点，需要g, 0。由此可得出结论，但g, 0时，小车能够保持平衡，这也和上文中小车受力分析结果相符。在反馈步骤中，和角度成百分比控制量称为百分比控制；和角速度成百分比控制量称为微分控制（角速度是角度微分）。所以上面系数，分别称为百分比和微分控制参数。其中微分参数相当于阻尼力，能够有效抑制自平衡车振荡。控制系统输出量为电机控制量，所以小车平衡控制PID控制器输出方程可写为：OUT_Motor=Kp*Angle+Kd*Angle_dot (式2-14)式2-14中，OUT_Motor为PID控制输出量，Angle为反馈倾角值，Angle_dot为反馈角速度值，Kp和Kd分别为百分比系数及微分系数。2.5姿态检测系统两轮自平衡车不一样于一般传统结构小车，是一个本质不稳定非线性系统。需要不停调整本身角度，以实现动态平衡。所以需要实时检测本身倾角，再进行合理调整，就能够实现动态平衡，所以姿态检测成为控制小车直立平衡关键。惯性导航是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件来测量运载体本身加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达成角度、角速度、位置等姿态检测目标。其工作时不依靠外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一个自主式导航系统78。MEMS惯性器件含有体积小，耐冲击，寿命长，可靠性高，成本低等特点，很适于构建微型捷联惯性导航系统。本系统采取MEMS加速度计和陀螺仪组成自平衡车姿态检测系统。2.5.1陀螺仪陀螺仪是一个用高速回转体动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴一个或二个轴角运动检测装置，能够用于检测角速度。本系统使用陀螺仪是日本村田企业基于压电陶瓷技术单轴陀螺仪ENC-03，其实物图2-9所表示。其利用了旋转坐标系中物体会受到科里奥利力原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率，从而反应出物体旋转角速度。ENC-03体积小，响应快，功耗低，成本低。采取模拟量输出，检测范围可达300deg/sec(度每秒)，灵敏度为0.67mv/deg/sec。图2-9 陀螺仪ENC-03陀螺仪直接输出角速度，将角速度进行积分便能够得到角度。陀螺仪输出数据噪声较少，短时误差较小。因为陀螺仪及其放大电路存在温漂，且需要经过积分运算，最终会造成误差累积，致使检测结果犯错。所以不能直接利用陀螺仪积分结果作为能够直接使用角度78。2.5.2加速度计加速度计是一个利用检测质量块惯性力来测量载体加速度敏感装置，分为线加速度计和角加速度计。本系统采取飞思卡尔企业利用MEMS微电子技术开发生产三轴加速度计MMA7260。MMA7260是一个低g值、小量程线性加速度传感器，在不运动或不受重力作用（0g）条件下输出为1.65V，最大测量范围0-6g，灵敏度最高可到800mV/g，MMA7260实物图2-10所表示。图2-10 加速度计MMA7260加速度计能够直接经过反三角函数计算出小车倾斜角度，不过其对震动很敏感，输出值中含有大量噪声，而且其输出值是小车运动加速度和重力加速度混合数据。所以不能直接使用。经过示波器连接陀螺仪和加速度计能够观察其输出波形，图2-11。图2-11 陀螺仪和加速度计输出波形（1为陀螺仪输出，2为加速度计输出）2.5.3基于卡尔曼滤波数据融合即使单一惯性传感器就能够单独进行姿态角度检测，不过其正确性关键取决于惯性器件精度，单从改善硬件结构和生产工艺方面难以有很大幅度提升，而且系统误差会随时间累积，不适适用于长时间姿态检测。因为利用单一传感器（陀螺仪或加速度计）难以取得相对真实小车姿态角度，出于对系统测量姿态角度正确性考虑，本系统采取多传感器信号进行数据融合，以取得最好姿态角度910。多传感器数据融合是一个很关键研究内容，只有采取最适合融合方法才能取得最好效果。常见数据融合方法有加权平均法，神经网络法等。加权平均法是一个简单融合方法，故其运算精度很差；神经网络法含有很好非线性和有效自学能力，不过其包含模型构建，参数优化很复杂，不适适用于本系统。国外有研究者依据加速度计和陀螺仪互补特点研究出互补滤波算法，其简单明了而且含有很好实时性和稳定性，能够很好融合出姿态角度。考虑到本系统使用惯性器件特征较差，互补滤波在本质原理上不能填补器件特征缺点，故本系统采取卡尔曼滤波算法作为数据融合方法。1960年卡尔曼发表了著名用递归方法处理离散数据线性滤波问题论文。伴随数字计算技术进步，卡尔曼滤波器得到了越来越广泛应用和推广，尤其是在自主或帮助导航领域。卡尔曼滤波器和大多数滤波器不一样之处，在于其是一个纯粹时域滤波器，不需要像低通滤波器等频域滤波器那样，需要在频域设计再转换到时域实现。对于处理大部分问题，是最优，效率最高甚至是最有用。卡尔曼滤波器广泛应用已经超出30年，包含机器人导航，控制，传感器数据融合甚至在军事方面雷达系统和导弹追踪等等。多年来更被应用于计算机图像处理，比如头脸识别，图像分割，图像边缘检测等等1112。 卡尔曼滤波器是一个高效率递归滤波器(自回归滤波器)，能够从一系列不完全及包含噪声测量中，估量动态系统状态。卡尔曼滤波器不仅能估量信号过去和目前状态，甚至能估量未来状态。卡尔曼滤波器处理离散时间控制过程通常方法，首先定义模型线性随机微分方程。假设卡尔曼滤波模型k时刻真实状态是从（k-1）时刻推算出来，以下式 (式2-15)式2-15中，是k时刻状态；A是k-1时刻状态变换模型；B是作用在控制器向量上输入控制模型；是过程噪声，假设其均值为零，协方差矩阵符合多元正态分布： (式2-16)k时刻对应真实状态测量满足下式： (式2-17)式2-17中是观察模型，将真实控制映射为观察空间；为观察噪声，其均值为零，协方差矩阵符合正态分布： (式2-18)初始状态和每一时刻噪声全部认为是相互独立。卡尔曼滤波器操作关键包含两个阶段：预估和更新。在预估阶段，滤波器依据上一时刻状态，估算出目前时刻状态；在更新阶段，滤波器利用目前时刻观察值优化在预估阶段取得测量值，以取得一个更正确新估量值111213。卡尔曼滤波器迭代过程以下：1. 先验状态估量： (式2-19)2. 先验估量误差协方差 (式2-20) 3. 卡尔曼增益 (式2-21)4. 后验状态估量 (式2-22)5. 后验误差协方差 (式2-23)在上面各式中：A：作用在上n阶矩阵；B：作用在控制向量上n1输入控制矩阵；H：mn观察模型矩阵，将真实状态空间映射为观察空间；：nn先验估量误差协方差矩阵；：nn后验估量误差协方差矩阵；Q：nn过程噪声协方差矩阵；R：mm过程噪声协方差矩阵；I：n阶单位矩阵；：nm矩阵，称之为卡尔曼增益。2.6本章小结 本章叙述了小车平衡控制原理和所需条件。对小车进行受力分析，构建了小车运动模型并提出了小车运动微分方程。解算出小车运动控制传输函数并利用自动控制理论进行了分析，设计了两轮自平衡车PID控制器。介绍了本系统使用姿态检测传感器，分析了其性能特点。简述了卡尔曼滤波器原理及其设计步骤。3.系统硬件电路设计本系统硬件电路设计目标为：可靠、高效、简练。可靠性是系统设计第一要求，所以对电路设计全部步骤全部进行了电磁兼容性设计，做好各部分接地、屏蔽、滤波等工作，将高速数字电路和模拟电路分开，从而大大提升本系统工作可靠性。系统关键由以下多个模块组成：MC9S12XS128单片机最小系统硬件设计、电源模块硬件设计、倾角传感器信号调理电路设计、电机驱动电路设计、速度检测电路。系统硬件设计图以下：图3-1 硬件设计总体框图3.1 MC9SXS128单片机介绍本系统采取飞思卡尔企业（原摩托罗拉企业半导体事业部）MC9S12XS128单片机为控制关键。该单片机是飞思卡尔企业16位HCS12系列单片机，简称S12系列。MC9S12XS128是HCS12系列增强型产品。基于S12CPU内核，可达成25MHzHCS1225倍性能。S12X系列增加了172条额外指令，能够实施32位计算（共280条指令），总线频率最高能够达成40MHz，改善了中止处理能力。S12X系列CPU采取复杂指令集CISC架构，集成了中止控制器，有丰富寻址方法。中止有7个优先级而且内核支持优先级调度，最多可有117个中止源，S12X可访问最多8M全部存放空间(包含片内和片外资源)1415。MC9S12XS128采取是5V供电，芯片内部含有128KFlash存放器，8KRAM，8KEEPROM，两路串行通信接口（SCI），一路串行外围接口（SPI），八路定时器通道，两个（80引脚为一个）八路可调转换精度A/D口，八路PWM输出，91（80引脚为59）个离散数字I/O口1516，一个MSCAN模块.其功效模块图3-2所表示。图3-2 MC9S12XS128单片机功效模块示意图一、MC9S12XS128关键特征1）最高总线速度从25MHz提升到40MHz；2）增加GPage、RPage、EPage页面寄存器，能够实现8MB存放空间连续寻址；3）以内存替换EEPROM,编程简化；4）电源供电简化，不在需要外部PLL滤波电路器件；5）A/D从10位精度升为12位精度；6）内部有容错、纠错功效ECC；7）CCR由8位改为16位，增加3个优先级位，将中止源细分为7级；8）SPI支持16位操作；9）有存放保护设置、定时器功效增强，有四通道24位周期中止定时器；10）不再支持模糊逻辑指令。二、通用寄存器S12X系列单片机中央处理器CPU12X由以下三部分组成：算术逻辑单元ALU、控制单元和寄存器组。通常外部采取8MHz或16MHz石英晶体振荡器，可经过内部锁相环使片内总线速度提升到最高120MHz，寻址方法有16种。内部寄存器组中寄存器、堆栈指针和变址寄存器均为16位。CPU12X累加器D是16位，不过可分别看成两个8位累加器A和B。CPU12X寄存器组包含以下5个部分。（1）16为累加器D或8位累加器A和B；（2）16位变址寄存器X和Y，用来处理地址，可分别用于源地址和目标地址指针型变量运算；（3）16位堆栈指针寄存器SP；（4）16位程序计数器PC，运行时指向下一条指令地址；（5）16位条件码寄存器CCR，在这一点上和CPU12不一样，要尤其注意。三、功效模块MC9S12XS128所拥有增强型输入捕捉定时器特征以下：（1）16位自由运行时钟，8位预分频因子；（2）8个16位输入捕捉或输出比较；（3）1个16位脉冲累加器。MC9S12XS128脉宽调制模块（PWM）可设置成8通道8位或4通道16位，占空比可编程，脉冲波形可中心对齐或边缘对齐。MC9S12XS128异步串行接口SCI有两个，可选择一般非归零码或IrDA1.4归零码；支持LIN总线协议；有一个同时串行外设接口SPI。MC9S12XS128J、H和P口有位输入信号跳变沿产生中止、唤醒CPU功效，依据封装，最多可有20个带位中止引脚。MC9S12XS128时钟发生器可使用范围216MHz外部晶振频率，经过锁相环频率合成器产生更高单片机内部总线周期。当外部时钟缺失时，内部提供自时钟方法，直到外部时钟恢复为止。3.2单片机最小系统设计本设计采取Freescale企业16位单片机MC9S12XS128为控制器，最小系统原理图图3-3所表示，关键包含单片机供电、复位电路、时钟电路和BDM接口电路。因为单片机内部集成了PIM、TIM、PWM、SPI、SCI、ECT、CAN、AD、PIT等模块，所以使用方便。图3-3 单片机最小系统原理图 时钟电路可使用外部晶振频率范围是216MHz，还可利用MCU内部5位可编程分频因子，做264分频，使之产生频率很稳定时钟信号。经过控制器内锁相环电路（PLL）进行倍频，其压控振荡器（VCO）频率最高可达80MHz。对于S12XS芯片，许可使用最高总线频率为40MHz。本设计中采取外部晶振为16MHz，电容C11和C12为外部时钟起振电容。在单片机进入睡眠模式时，时钟振荡电路输入端被内部200欧姆下拉电阻拉低，振荡电路停振，从而达成省电目标。图3-4为单片机最小系统时钟电路原理图。图3-4 时钟电路原理图单片机外部复位电路能够使用按钮和电容组成，也能够使用专门复位芯片。考虑到产品经济型，本设计中采取了由电阻电容组成简易复位电路，图3-5所表示。加电后，因为电容充电时间，RESET保持低电平，单片机复位；一段时间后，电容电量充满，RESET端输出高电平，此时单片机运行。手动复位时，按下手动复位按钮，RESET端保持低电平，单片机复位；释放手动复位按钮后，RESET端输出高电平，单片机工作。图3-5 复位及BD M接口电路BDM接口是S12单片机用来连接BDM调试器，BDM接头通常设计为6针双排插头，其中4个引脚分别为VDD,RESET,GND和BKGD(BACKGROUND)，另外2个针脚为空（图3-5）。3.3 电源管理模块设计可靠电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行基础。电源模块由若干相互独立稳压电路模块组成。这么做能够降低各模块之间相互干扰，另外为了深入减小单片机5V电源噪声，能够单独使用一个5V稳压芯片，和其它接口电路分开。整个系统需要3种电源：(1) 7.2V电源，为驱动电机供电。(2) 5V电源，为单片机及相关外设供电。(3) 3.3V电源，为陀螺仪及加速度计供电。整个系统电源起源为7.2V镍氢电池，5V电源由LM2940提供。LM2940是一个线性低压差三端稳压器件，其输出纹波较小，适合单片机供电。3.3V电源采取AMS1117。电机供电直接采取电池供电图3-6所表示。图3-6 电源模块电路图3.4倾角传感器信号调理电路3.4.1加速度计电路设计本系统采取加速度计是飞思卡尔企业三轴加速度计MMA7260。该加速度传感器是一个低g值传感器，输出信号很大，不需要再进行放大。经过GSEL1和GSEL2脚选择灵敏度，本系统设置其灵敏度为800mv/g。电路图3-7所表示。图3-7 加速度计MMA260接口电路图3.4.2陀螺仪放大电路设计本系统采取陀螺仪为村田企业ENC-03，是一个低成本压电式陀螺仪，其输出为0.67mv/deg/sec。主控单片机MC9S12XS128ATD模块最高采集精度为12bit，AD基准电压为3.3V，计算得出最小分辨电压为0.8mv，所以不能直接对陀螺仪输出信号进行采集，需要设计放大电路。系统采取LM358（图3-8 U1B）设计负反馈放大电路，放大倍数为，即放大10倍。同时，因为陀螺仪输出会随温度而改变，影响系统倾角检测精度，为抑制陀螺仪温漂，需要在放大电路中设计零点偏置电压调整电路。本系统中利用LM358(图3-8 U1A)组成电压跟随器，输出电压经过电位器调整，使零点偏置电压保持在陀螺仪工作电压二分之一（1.65V），这么能够有效抑制陀螺仪温漂，放大电路图3-8。图3-8 ENC-03放大电路姿态检测模块实物图图3-9所表示。图3-9 姿态检测模块实物图3.5电机驱动电路设计为降低机械结构对系统设计带来难度，本系统采取传统四驱车模加以改装作为本设计硬件平台。车模动力来自后轮两个直流电机。因为两轮自平衡车在平衡过程中需要不停前后运动调整车身姿态，所以需要电机能够实现双向转动。为此，系统采取两片专用半桥驱动芯片BTS7960组成全桥式驱动电路。由单片机PWM模块产生驱动波形，经过改变PWM占空比实现直流电机调速功效。3.5.1驱动芯片介绍