基于KEA128芯片的無線節能智能車硬件設計

呂純池

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢430000）

隨著現代科學技術的發展與進步，智能化、信息化、自動化的程度越來越高。智能化作為當前研究的熱點，廣泛應用于汽車、醫療、航空航天等各領域。智能車作為一門以現代汽車電子技術為核心并且交叉融合多門學科的技術，有著廣闊的發展前景。

本文介紹的無線節能智能車基于“恩智浦智能車”競賽。采用恩智浦公司32位單芯片微型計算機S9KEAZ128AMLK作為唯一的核心控制單元。通過恒功率充電裝置對超級電容完成充電、電磁信號采集道路信息、陀螺儀測算方向、運用編碼器測速來對電機實行PID控制。在單片機的決策與規劃下，各個模塊之間相互協調配合，實現智能小車的穩定循跡行駛。

1 無線節能智能車系統的整體架構

本系統硬件架構主要由5大模塊組成。

1.1 無線充電模塊

無線充電模塊作為無線節能車的核心模塊，其恒功率充電方案效率決定了超級電容能否在短時間內獲得足夠多的電能。

1.2 電源模塊

電源模塊負責為其他模塊的正常工作提供穩定的電源，電源轉化效率以及工作范圍是最需要考慮的。

1.3 最小系統模塊

在競賽規定的所有單片機型號中，KEA128是在滿足基本功能的情況下，消耗電能最小的，可以達到節能的目的。

1.4 傳感器模塊

傳感器模塊作為整個系統的眼睛，保證它采集信號的準確，傳遞信息的穩定是首要考慮的。

1.5 電機驅動模塊

電機驅動模塊用來控制電機開關，在保證工作穩定性的前提下，要求盡可能結構簡單、體積小巧。

2 智能車主要模塊硬件的設計

2.1 無線充電模塊設計

無線充電技術源于無線電能傳輸技術。現如今在新能源電動汽車領域、移動設備領域等都有著非常廣泛的應用。本文設計的是小功率無線充電系統，它通常采用電磁互感現象，通過磁場耦合線圈完成電能的傳輸。電磁感應式無線充電系統的由高頻逆變電路（能量變換機構）、發射和接收端的耦合線圈（能量傳輸機構）、整流濾波（能量拾取機構）三部分組成。

2.1.1 接收線圈的設計

在發射端限定功率的情況下，接收段線圈通過串聯諧振高頻電容使其發生諧振。通過觀察無線發射端信號值可以測量線圈的接收功率，由多股紗包線繞制接收線圈安裝在盡量低的位置時，可以獲得最大的輸出功率。

2.1.2 恒功率電路設計

要使得接收端線圈獲得最大功率，還需要測量整流完的電路的電壓電流。AD8217作為一款高壓、高分辨率的分流放大器，可以用來檢測電路中的電流電壓，并且能夠直接連接轉換器。同時，它有著較大的工作范圍、較大的工作溫度范圍。在它的分流電阻上執行單向電流測量能夠實現電源管理的偏置控制。具體測量原理為：通過高頻電容整流后的直流電，首先通過兩個電阻分壓送入單片機的ADC讀取，獲得輸入端的電壓值，然后經過AD8217進行電流采集，也是通過ADC獲取，得到輸入端的電流值。由P=UI，計算出接受端的功率P。

2.1.3 恒功率電路的反饋控制

BQ24640RVA作為一種同步開關模式電池充電控制器，可以控制電路中的電流輸出的大小。它能夠高效地控制超級電容，通過將PWM轉化成電壓值送入到BQ24640RVA芯片的電流反饋端，這樣，該模塊的輸出電流就會受此PWM的控制，然后就可以進行PID運算控制，前端采集的電壓電流即為反饋信息，PWM輸出為控制，這樣就能控制輸出的電流大小。因為超級電容組的電壓是緩慢上升的，所以控制住電流也就相當于控制了功率，這樣就組成了所謂的恒功率電路。基于Altium Designer的恒功率充電仿真電路如圖1所示。

圖1基于Altium Designer的恒功率充電仿真電路

2.2 電源模塊設計

本文采用超級電容作為電源，通過對賽道長度和車模電能消耗的估算，采用2.7 V/3.3 F的6個超級電容串聯作為電源。超級電容有以下特征：①儲存電能過程中沒有發生化學反應；②充放電速度很快，同時有著很高的能量轉化效率；③儲存電能的過程是可逆的，使用壽命長，可以反復充電幾萬次。

2.2.1 升壓轉換電路設計

本文采用TPS61088芯片作為電源模塊的升壓轉換器。由于超級電容在放電過程中電壓會逐漸下降，為了使電路中的電壓維持穩定，避免因為電壓變化導致信號的波動，所以需要使用DC-DC模塊將超級電容輸入的變化電壓轉變為一個固定的電壓值。TPS61088有著2.7～12 V的寬范圍輸入，能夠很好地將超級電容（0～10 V）的電壓轉換，可以使得超級電容盡可能被使用完，以此來達到節能的目的。同時，該器件具備10 A開關電流能力，能夠為主板和電機提供足夠大的電流。其高達12 V的輸出電壓，能夠為電機提供足夠大的驅動電壓，以此提高電機的轉速，同時避免因為電壓過低，導致電機過熱，損壞電機。

2.2.2 開關電源電路設計

電源分為開關電源和線性電源，其特點為線性電源成本低、技術成熟，對電路干擾和噪聲小，但體積大，效率偏低。開關電源雖然交流紋波稍大，但是其低耗散、廢熱少、效率高（效率可達90%以上）。

電源模塊對于整個控制系統至關重要，穩定、高效率的電源模塊不僅僅可以使系統工作穩定，信號傳輸準確，也能夠降低電能的損耗。因此，在設計電源模塊的時候選用開關電源，根據各個模塊的電源需求，主要由3.3 V和5 V兩種電源。同時，還要考慮超級電容放電經過升壓后高達12 V，需要選擇輸入范圍合適的開關電源模塊。

本文采用了Texas Instruments公司的LMR14010ADDCR（5 V輸出）和LMR23610（3.3 V輸出）兩款降壓芯片。兩款芯片都具有寬范圍輸入，工作溫度范圍大的特點，能有效地保證電源值的穩定，同時有著很高的電壓轉化效率。LMR23610供電模塊原理如圖2所示。LMR14010ADDCR供電模塊原理如圖3所示。

圖2 LMR23610供電模塊原理圖

圖3 LMR14010ADDCR供電模塊原理圖

2.3 最小系統模塊

本文選用S9KEAZ128AMLK微控制器，其為恩智浦公司KEA（Kinetis EA）系列之一。其內核基于32位ARMCortex-M0+，具可擴展性高、功耗低的特點。KEA系列MCU支持很多第三方開發工具，比如Keil、IAR以及MQX等。開發者可在上述的開發環境中，快速、方便地進行設計。常用模塊功能的基本功能與外接器件如下。

FTM模塊：正交解碼、PWM，應用于電機驅動、脈沖計數。

ICC、SPI模塊：通信協議，應用于MPU6050。

UART模塊：數據傳輸，應用于上位機、串口、藍牙。

ADC：數模轉換，應用于陀螺儀、傳感器。

2.4 傳感器模塊設計

傳感器模塊主要包括陀螺儀和電磁傳感器模塊兩部分。陀螺儀作為一種角運動檢測裝置，可以判別物體的運動狀態。本文選用的MPU6050為整合性6軸運動處理組件。陀螺儀需要固定在小車的正中間，保證采集信號的準確性。

電磁傳感器模塊可以檢測賽道中變化的磁場信號。主要應用LC諧振的原理，產生感應電流，再通過集成運算放大器處理后，將信號傳遞給KEA128的AD進行決策規劃，判斷當前道路信息。在采集道路信息的過程中，需要保證電磁傳感器的固定穩定，避免因為振動導致信號的波動，影響數據的準確采集。

2.5 驅動電機模塊

驅動電機模的功能是將KEA128單片機傳來的信號按照設定的控制要求，轉換為加在單片機控制端和電機之間，用來控制電機開通或關斷的信號。

本文設計選用的是A4950電機驅動模塊，它相對于競賽中常用的全橋驅動電路，結構更加簡單、體積小，能夠有效減小實際PCB板的面積，使得車模體積更小，以此減小整車質量，達到減少電能消耗、節能的目的。

3 結束語

通過仿真電路設計后的硬件系統，經過制板后可以成功地運用在無線節能小車上，恒功率無線充電模塊的設計可以讓超級電容在短時間內獲得足夠的電能，加上開關電源模塊的高效率轉化與電機驅動的小巧可以有效減輕整車的質量，在到達節能目的同時，讓小車穩定循跡運行。