智能電動自行車恒速巡航系統設計

扈先勤+李巍巍

摘要：文章介紹了一種基于三星公司ARM9內核芯片S3C2440的電動自行車恒速控制系統，該系統以Linux作為操作系統，搭配QT應用開發平臺，構造了良好的圖形交互界面。該系統的設計旨在改善自行車使用者的騎行負擔和用戶體驗，通過PID算法自動實現恒速行駛，還可以通過顯示裝置實時顯示騎行速度和距離，提高騎行的安全性和舒適性。

關鍵詞：ARM；智能電動自行車；PID；恒速控制；恒速巡航設計 文獻標識碼：A

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

“我愿為中國自行車做廣告！”2016年6月26日，李克強總理在天津體驗一輛超級智能自行車時如是說。智能自行車緣何如此矚目？十八屆三中全會將生態文明納入了我國“五位一體”的建設范疇，在隨后的兩會上習近平總書記更是旗幟鮮明地指出“綠水青山就是金山銀山”的口號。雄關漫道真如鐵，如今兩會的春風早已吹遍神州大地，我國也進入了“綠色發展”的新時代，這就要求我們要更加注重綠色環保營造良好宜居環境，而智能電動車產業的發展正好順應了這種潮流。智能電動車具有低能耗無污染等諸多優點，符合綠色環保要求。

事實上電動自行車的使用已經相當普遍，筆者曾在蘇州工業園區做過簡單調查，電動車作為和地鐵無縫銜接的交通工具，是大多數人出行的首選方式，用于解決上下班的“最后一公里”路程。然而有過電動車騎行經歷的人一定清楚電動車的平穩性其實是有待改善的。同時我們注意到騎行作為一類健身體育項目正在悄然回歸時尚新寵的地位。筆者與武漢藏龍島車友會會員有過交流，他們對于傳統自行車的騎行體驗提出了新的要求，希望能擁有一輛具備定位防盜、語音播報、數據監測和通信等功能的智能自行車。本設計正是基于上述這些考慮而展開的。

1 系統總體設計方案

如圖1所示，該系統以ARM9內核S3C2440芯片作為恒速控制系統的核心，系統由電源管理模塊、晶振復位電路、程序下載電路、電動推桿驅動電路、液晶顯示部分、速度設置單元和車速傳感器等部分組成。

其中主控芯片S3C2440負責算法實現、數據處理和電動推桿驅動信號的產生。同時配合Linux操作系統，在跨平臺開發環境QT上編程實現圖形界面用于與用戶交互。電源管理模塊負責為系統各部分供電，其輸入電壓為車載鉛蓄電池輸出的12V電壓。晶振和復位電路為系統正常工作提供必要條件，下載電路用于下載程序。電動推桿驅動電路為推桿提供合適的驅動電流電壓，進而控制油門開度來調節車速。速度設置旋鈕用于設置想要達到的車速，并且在液晶上顯示出來。車速傳感器用于檢測車輛在行駛時的實際速度，并傳送給主控芯片，本設計中的車速傳感器使用光電編碼器。主控芯片根據實際速度和設置速度的差值運用PID算法來對車速進行控制。液晶顯示模塊除了顯示設置速度和實際速度的數值外，還會顯示一個虛擬的車速儀表盤，使得交互界面更加友好形象。

除此之外，考慮拓展需要還預留了接口，以便后續開發時增加其他相關傳感器用于實時顯示風速、溫度、濕度等信息；增加九軸陀螺儀用于顯示騎行者的姿態信息和加速度；增加WIFI和藍牙模塊用于與其他移動終端進行互聯，比如語音播報；增加4G模塊與云端服務器進行數據交互，這一點對于公共自行車的管理而言很有必要；增加GPS模塊實時顯示騎行者的地理坐標以及導航信息，這一點對于長途騎行也是很有必要的。

2 硬件電路設計

2.1 核心板設計

本設計以S3C2440芯片為核心處理器再加入Flash、SDRAM、時鐘電路、復位電路、程序下載電路和啟動方式選擇電路等組成。在這里我們采用飛凌公司的FL2440核心板的設計。供電部分通過電壓轉換芯片AMS1117-3.3V、LM2596和MAX774將車載鉛蓄電池的12V輸出電壓分別降壓為3.3V、5V和-5V供系統其他部分使用。

2.2 電動推桿驅動電路

由于ARM芯片輸出的PWM信號的電流很小，不足以驅動電動推桿正常工作，所以在輸出端口和電動推桿之間還需要加入驅動電路。我們考慮用H橋式驅動電路來驅動電動推桿，此處選用L298N芯片構成驅動電路，其輸出電流大、功率強，最高工作電壓為50V，電流最大達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 車速傳感器電路

車速傳感器電路用于采集電動自行車在行駛過程中的速度。選用的集成車速傳感器是三線式的，兩根電源線，一根信號輸出線。信號線輸出的信號電壓是0～10V模擬電壓，對應車速為0～180km/h，而S3C2440的端口電壓為3.3V，故需要對該車速信號進行分壓處理，以與芯片相匹配。同時由于傳感器輸出的車速信號電流很微弱，所以還需要把該信號通過運算放大器進行信號電流的放大，選用OPA657集成運放芯片構成射級跟隨器來進行電流放大。然后通過S3C2440內部的A/D轉換器來接收車速信號進行模數轉換并存儲，以便進一步進行其他運算和操作。該部分電路圖如圖3所示：

2.4 車速設置模塊

該部分通過一個機械旋鈕與一個電位器相連，并固定在電動自行車的把手上，通過分壓的方式輸出一定范圍的電壓信號，電壓范圍為0～5V，對應的速度為0～100km/h。騎車人通過扭動旋鈕帶動電位器移動，進而輸出不同的電壓來對應不同的設置速度，該設置速度會在液晶屏上顯示出來，并與反饋的實際車速進行比較來控制電動車的油門開度。

2.5 液晶顯示部分

該部分用于顯示駕駛員設置的速度和車輛實際行駛速度，并且顯示虛擬車速儀表盤。考慮到產品后續開發時可能要顯示騎車人的姿態信息、車子行駛的加速度、騎行過程中的阻力和風速、外界環境的溫濕度、遠程交互和定位導航等附加信息，本設計中我們選用液晶屏作為顯示裝置，該顯示屏還同時帶有電阻觸摸功能，方便后續的觸控操作等拓展需要。

3 軟件設計

3.1 linux平臺搭建

根據不同的硬件U-Boot需要進行不同的配置。我們的U-Boot也是根據所用的ARM核心板進行定制的。選用的Linux內核版本是2.6，相比Linux內核2.4，2.6內核支持更多的平臺，使用了新的調度器，進程切換更高效，內核可被搶占，用戶的操作可以得到更快的響應速度。根文件系統有很多類型，選用是yaffs文件系統，這是一個專門為NAND Flash存儲器設計的嵌入式文件系統，適用于大容量的存儲設備。它還為大容量的Flash芯片做了很好的調整，針對啟動時間和RAM的使用做了優化。

3.2 速度控制算法

在這里選用PID算法對電動推桿進行控制，它具有原理簡單、易于實現、適用面廣、控制參數相互獨立、參數的選定比較簡單等優點。PID控制器的差分方程如下：

在本設計中是預設速度和實際采樣速度的差值。

4 結語

本文設計的智能電動自行車恒速控制系統經過測試能滿足恒速巡航的基本要求。當自行車處于人力騎行時液晶顯示屏可以實時顯示騎行的速度和已經行駛的距離，并能通過虛擬儀表盤的指針增強顯示效果。當自行車處于電動行駛時，騎車人還可以通過固定在自行車把手上的調速旋鈕設置恒速巡航的速度，以滿足較遠距離行駛的要求。同時考慮拓展功能的需要還預留了其他接口，以便后續開發。該恒速巡航系統的引入使得電動自行車更加智能，同時可以提高騎行的安全性和舒適性。

參考文獻

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作者簡介：扈先勤（1957-），男，河南安陽人，吉林省科技館正高級工程師，研究方向：科技館管理及信息化建設；李巍巍（1970-），女，遼寧沈陽人，吉林省科技館高級工程師，研究方向：科技館展品設計及信息化建設。

（責任編輯：黃銀芳）