智能電動(dòng)自行車(chē)恒速巡航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

扈先勤+李巍巍

摘要：文章介紹了一種基于三星公司ARM9內(nèi)核芯片S3C2440的電動(dòng)自行車(chē)恒速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Linux作為操作系統(tǒng)，搭配QT應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，構(gòu)造了良好的圖形交互界面。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在改善自行車(chē)使用者的騎行負(fù)擔(dān)和用戶體驗(yàn)，通過(guò)PID算法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒速行駛，還可以通過(guò)顯示裝置實(shí)時(shí)顯示騎行速度和距離，提高騎行的安全性和舒適性。

關(guān)鍵詞：ARM；智能電動(dòng)自行車(chē)；PID；恒速控制；恒速巡航設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文章編號(hào)：1009-2374（2016）33-0001-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.001

“我愿為中國(guó)自行車(chē)做廣告！”2016年6月26日，李克強(qiáng)總理在天津體驗(yàn)一輛超級(jí)智能自行車(chē)時(shí)如是說(shuō)。智能自行車(chē)緣何如此矚目？十八屆三中全會(huì)將生態(tài)文明納入了我國(guó)“五位一體”的建設(shè)范疇，在隨后的兩會(huì)上習(xí)近平總書(shū)記更是旗幟鮮明地指出“綠水青山就是金山銀山”的口號(hào)。雄關(guān)漫道真如鐵，如今兩會(huì)的春風(fēng)早已吹遍神州大地，我國(guó)也進(jìn)入了“綠色發(fā)展”的新時(shí)代，這就要求我們要更加注重綠色環(huán)保營(yíng)造良好宜居環(huán)境，而智能電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正好順應(yīng)了這種潮流。智能電動(dòng)車(chē)具有低能耗無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合綠色環(huán)保要求。

事實(shí)上電動(dòng)自行車(chē)的使用已經(jīng)相當(dāng)普遍，筆者曾在蘇州工業(yè)園區(qū)做過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)查，電動(dòng)車(chē)作為和地鐵無(wú)縫銜接的交通工具，是大多數(shù)人出行的首選方式，用于解決上下班的“最后一公里”路程。然而有過(guò)電動(dòng)車(chē)騎行經(jīng)歷的人一定清楚電動(dòng)車(chē)的平穩(wěn)性其實(shí)是有待改善的。同時(shí)我們注意到騎行作為一類(lèi)健身體育項(xiàng)目正在悄然回歸時(shí)尚新寵的地位。筆者與武漢藏龍島車(chē)友會(huì)會(huì)員有過(guò)交流，他們對(duì)于傳統(tǒng)自行車(chē)的騎行體驗(yàn)提出了新的要求，希望能擁有一輛具備定位防盜、語(yǔ)音播報(bào)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和通信等功能的智能自行車(chē)。本設(shè)計(jì)正是基于上述這些考慮而展開(kāi)的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，該系統(tǒng)以ARM9內(nèi)核S3C2440芯片作為恒速控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)由電源管理模塊、晶振復(fù)位電路、程序下載電路、電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電路、液晶顯示部分、速度設(shè)置單元和車(chē)速傳感器等部分組成。

其中主控芯片S3C2440負(fù)責(zé)算法實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理和電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生。同時(shí)配合Linux操作系統(tǒng)，在跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境QT上編程實(shí)現(xiàn)圖形界面用于與用戶交互。電源管理模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)各部分供電，其輸入電壓為車(chē)載鉛蓄電池輸出的12V電壓。晶振和復(fù)位電路為系統(tǒng)正常工作提供必要條件，下載電路用于下載程序。電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電路為推桿提供合適的驅(qū)動(dòng)電流電壓，進(jìn)而控制油門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)車(chē)速。速度設(shè)置旋鈕用于設(shè)置想要達(dá)到的車(chē)速，并且在液晶上顯示出來(lái)。車(chē)速傳感器用于檢測(cè)車(chē)輛在行駛時(shí)的實(shí)際速度，并傳送給主控芯片，本設(shè)計(jì)中的車(chē)速傳感器使用光電編碼器。主控芯片根據(jù)實(shí)際速度和設(shè)置速度的差值運(yùn)用PID算法來(lái)對(duì)車(chē)速進(jìn)行控制。液晶顯示模塊除了顯示設(shè)置速度和實(shí)際速度的數(shù)值外，還會(huì)顯示一個(gè)虛擬的車(chē)速儀表盤(pán)，使得交互界面更加友好形象。

除此之外，考慮拓展需要還預(yù)留了接口，以便后續(xù)開(kāi)發(fā)時(shí)增加其他相關(guān)傳感器用于實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速、溫度、濕度等信息；增加九軸陀螺儀用于顯示騎行者的姿態(tài)信息和加速度；增加WIFI和藍(lán)牙模塊用于與其他移動(dòng)終端進(jìn)行互聯(lián)，比如語(yǔ)音播報(bào)；增加4G模塊與云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這一點(diǎn)對(duì)于公共自行車(chē)的管理而言很有必要；增加GPS模塊實(shí)時(shí)顯示騎行者的地理坐標(biāo)以及導(dǎo)航信息，這一點(diǎn)對(duì)于長(zhǎng)途騎行也是很有必要的。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 核心板設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以S3C2440芯片為核心處理器再加入Flash、SDRAM、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、程序下載電路和啟動(dòng)方式選擇電路等組成。在這里我們采用飛凌公司的FL2440核心板的設(shè)計(jì)。供電部分通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3V、LM2596和MAX774將車(chē)載鉛蓄電池的12V輸出電壓分別降壓為3.3V、5V和-5V供系統(tǒng)其他部分使用。

2.2 電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電路

由于ARM芯片輸出的PWM信號(hào)的電流很小，不足以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿正常工作，所以在輸出端口和電動(dòng)推桿之間還需要加入驅(qū)動(dòng)電路。我們考慮用H橋式驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿，此處選用L298N芯片構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，其輸出電流大、功率強(qiáng)，最高工作電壓為50V，電流最大達(dá)4A，輸入端可以和ARM處理器直接相連。電路圖如圖2所示：

2.3 車(chē)速傳感器電路

車(chē)速傳感器電路用于采集電動(dòng)自行車(chē)在行駛過(guò)程中的速度。選用的集成車(chē)速傳感器是三線式的，兩根電源線，一根信號(hào)輸出線。信號(hào)線輸出的信號(hào)電壓是0～10V模擬電壓，對(duì)應(yīng)車(chē)速為0～180km/h，而S3C2440的端口電壓為3.3V，故需要對(duì)該車(chē)速信號(hào)進(jìn)行分壓處理，以與芯片相匹配。同時(shí)由于傳感器輸出的車(chē)速信號(hào)電流很微弱，所以還需要把該信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)電流的放大，選用OPA657集成運(yùn)放芯片構(gòu)成射級(jí)跟隨器來(lái)進(jìn)行電流放大。然后通過(guò)S3C2440內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)接收車(chē)速信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)，以便進(jìn)一步進(jìn)行其他運(yùn)算和操作。該部分電路圖如圖3所示：

2.4 車(chē)速設(shè)置模塊

該部分通過(guò)一個(gè)機(jī)械旋鈕與一個(gè)電位器相連，并固定在電動(dòng)自行車(chē)的把手上，通過(guò)分壓的方式輸出一定范圍的電壓信號(hào)，電壓范圍為0～5V，對(duì)應(yīng)的速度為0～100km/h。騎車(chē)人通過(guò)扭動(dòng)旋鈕帶動(dòng)電位器移動(dòng)，進(jìn)而輸出不同的電壓來(lái)對(duì)應(yīng)不同的設(shè)置速度，該設(shè)置速度會(huì)在液晶屏上顯示出來(lái)，并與反饋的實(shí)際車(chē)速進(jìn)行比較來(lái)控制電動(dòng)車(chē)的油門(mén)開(kāi)度。

2.5 液晶顯示部分

該部分用于顯示駕駛員設(shè)置的速度和車(chē)輛實(shí)際行駛速度，并且顯示虛擬車(chē)速儀表盤(pán)?？紤]到產(chǎn)品后續(xù)開(kāi)發(fā)時(shí)可能要顯示騎車(chē)人的姿態(tài)信息、車(chē)子行駛的加速度、騎行過(guò)程中的阻力和風(fēng)速、外界環(huán)境的溫濕度、遠(yuǎn)程交互和定位導(dǎo)航等附加信息，本設(shè)計(jì)中我們選用液晶屏作為顯示裝置，該顯示屏還同時(shí)帶有電阻觸摸功能，方便后續(xù)的觸控操作等拓展需要。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 linux平臺(tái)搭建

根據(jù)不同的硬件U-Boot需要進(jìn)行不同的配置。我們的U-Boot也是根據(jù)所用的ARM核心板進(jìn)行定制的。選用的Linux內(nèi)核版本是2.6，相比Linux內(nèi)核2.4，2.6內(nèi)核支持更多的平臺(tái)，使用了新的調(diào)度器，進(jìn)程切換更高效，內(nèi)核可被搶占，用戶的操作可以得到更快的響應(yīng)速度。根文件系統(tǒng)有很多類(lèi)型，選用是yaffs文件系統(tǒng)，這是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為NAND Flash存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲(chǔ)設(shè)備。它還為大容量的Flash芯片做了很好的調(diào)整，針對(duì)啟動(dòng)時(shí)間和RAM的使用做了優(yōu)化。

3.2 速度控制算法

在這里選用PID算法對(duì)電動(dòng)推桿進(jìn)行控制，它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。PID控制器的差分方程如下：

在本設(shè)計(jì)中是預(yù)設(shè)速度和實(shí)際采樣速度的差值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)自行車(chē)恒速控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試能滿足恒速巡航的基本要求。當(dāng)自行車(chē)處于人力騎行時(shí)液晶顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示騎行的速度和已經(jīng)行駛的距離，并能通過(guò)虛擬儀表盤(pán)的指針增強(qiáng)顯示效果。當(dāng)自行車(chē)處于電動(dòng)行駛時(shí)，騎車(chē)人還可以通過(guò)固定在自行車(chē)把手上的調(diào)速旋鈕設(shè)置恒速巡航的速度，以滿足較遠(yuǎn)距離行駛的要求。同時(shí)考慮拓展功能的需要還預(yù)留了其他接口，以便后續(xù)開(kāi)發(fā)。該恒速巡航系統(tǒng)的引入使得電動(dòng)自行車(chē)更加智能，同時(shí)可以提高騎行的安全性和舒適性。

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作者簡(jiǎn)介：扈先勤（1957-），男，河南安陽(yáng)人，吉林省科技館正高級(jí)工程師，研究方向：科技館管理及信息化建設(shè)；李巍?。?970-），女，遼寧沈陽(yáng)人，吉林省科技館高級(jí)工程師，研究方向：科技館展品設(shè)計(jì)及信息化建設(shè)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）