第二章 車輛運動特性與自動駕駛系統架構
2.2 自動駕駛系統軟硬體架構
車做為致動器，透過CAN (controller area network)網路整合，讓實驗車能夠藉此自動駕 駛。
Steering Wheel Laser Measurement System
Accelerator Motor Control Circuit
Golf Car
Brake USB CAN
圖2-2 實驗車實體圖
本論文提出之自動駕駛控制系統的流程如下，首先將加速度計與電子羅盤得到的數 據利用DSP (digital signal processor)擷取，透過 CAN 傳輸到一電腦，另外此電腦由 RS232 傳輸介面取得雷射掃瞄器的資訊，利用這三個感測器得到的資訊作為控制器的輸入，然 後將其輸出透過CAN 傳輸至 DSP，用 DSP 控制方向盤、油門馬達與煞車，達到車輛自 動駕駛，系統整體架構圖如圖2-3 所示，詳細軟硬體內容於後面章節介紹。
圖2-3 系統架構圖
2.2.1 eZdspTM F2812 DSK
近年來由於超大型積體電路(VLSI)的技術迅速發展，使得 DSP 數位訊號微控器的運 算速度及周邊處理功能有大幅的提升，取代了傳統的微處理器(microprocessor)，在許多 應用領域如行動通訊、資訊家電與馬達驅動等都被廣泛的使用。因此本研究採用由德州 儀器(Texas Instrument，TI)公司研發的 TMS320F2812 這顆 DSP 作為控制核心。
利用 DSP 強大的數學運算能力，可以最少的硬體周邊電路實現馬達控制所需要的 功能。而在德州儀器公司所生產的DSP 中，’C2000 系列的硬體發展卡是專為馬達控制 而設計的，其中本論文所使用的是此系列中目前最高等級的F2812 晶片控制器，其擁有 150 MHz (6.67 ns cycle time)的高速運算處理能力，比 TI 早期出產的 DSP ‘C240 快 7 倍，
比傳統8051 單晶片快約 150 倍。為了提升運算效能，核心部份的算數邏輯單元(ALU)、
累積器(ACC)均採用 32 位元定點運算，並以硬體方式實現乘法器、位移器等，如此僅需 一個指令週期(instruction cycle)即可完成乘加運算。在整數計算方面，為減少數值計算 所衍生的問題如溢位(overflow)等，採用硬體式的位移器來提高軟體執行的精確度。
F2812 主要擁有的記憶體有 28K × 16 Flash EEPROM、兩組 4K × 16 Single-Access RAM (SARAM)與一組 8K × 16 SARAM，並採用哈佛匯流排(Harvard bus)架構。舊型的 DSP 大部分是採用分離式的程式記憶體、資料記憶體與 I/O 記憶體，而新型的 DSP 如 F2812 則是使用包含上述三種記憶體的單獨記憶體空間，使用起來更為有彈性，也可以 減少不同記憶體之間搬動資料的指令集。
Spectrum Digital 公司利用 F2812 晶片結合自行開發的周邊模組，發展出 eZdspTM F2812 初學板(DSP Started Kit，DSK)，其週邊包含 16 個通道的 12 位元類比數位轉換器 (ADC)，串列傳輸支援四種常用的型式：SPI (serial peripheral interface)、SCI (serial communications interface) 、 eCAN (enhanced controller area network) 與 McBSP (multi-channel buffered serial port)，另外最高可支援 56 個 GPIO (general-purpose I/O)。圖 2-4 為 TMS320F2812 功能方塊圖。
圖2-4 TMS320F2812 功能方塊圖
2.2.2 CAN Bus
CAN 是在 1990 年由德國 Robert Bosch 公司所制定的一種具有高度安全性且支援即 時分散式控制的通訊協定，其傳輸速度最高可達1 M bit per second (bps)。CAN 起初是 應用在汽車上，用來連接防鎖死煞車系統(ABS)或是引擎控制單元等各個電子裝置，取 代傳統複雜的硬體接線，CAN 優點在於，可以自由地新增或移除網路上的各個電子裝
置，而不需要改變舊有的接線。由於 CAN 提供可靠快速的連線，可用於即時系統
(real-time system)，且價格低廉，所以也可應用於各種控制系統。目前 CAN 已成為國際 標準規格(ISO11898)。
CAN 的接線方式是用 CANH、CANL 兩條訊號線佈線，每一個節點都可以
透過此兩條接線來存取CAN 上的資訊，在此兩條接線的兩端必須以 120 Ω的終
端電阻做連結，如圖2-5 所示。
圖2-5 典型的CAN Bus 架構
本研究使用的 eZdspTM F2812 DSK 週邊設計中包含 CAN bus，作為傳輸資訊的網路 接線，因eZdspTM F2812 DSK 已將 CAN 的控制器都嵌入在晶片中，只需要接上 CAN 的 收 發 機 即 可 ， 本 論 文 使 用 的 收 發 機 為 TI 公 司 出 產 的 3.3V CAN transceiver SN65HVD230。圖 2-6 為 eZdspTM F2812 DSK 的 eCAN 方塊圖與收發機介面電路。
圖2-6 eZdspTM F2812 DSK 的 eCAN 方塊圖與介面電路
USB CAN [17]可以讓電腦透過 USB 介面連接到 CAN 上，使電腦成為 CAN 上面的 一個節點，讓電腦能夠擷取CAN 上的訊息，或是傳輸訊息到 CAN 上各節點。本論文採 用的 USB CAN 為周立功單片機發展有限公司開發出來的 USBCANII 智能 CAN 接口 卡，USBCANII 有兩個 CAN 通道，可以同時連到兩個不同的 CAN，並且附有 ZLGVCI 接口函式庫，方便使用者搭配不同的開發程式進行開發。圖2-7 為 USBCANII 外觀。
(a) (b) 圖2-7 USBCANII 外觀 (a) 正面 (b) 背面
USBCANII 智能 CAN 接口卡的硬體規格：
z PC 接口：USB1.1。
z CAN 控制器：PHILIPS SJA1000。
z CAN 收發器：PHILIPS PCA82C250。
z CAN 網路傳輸速率：5 Kbps ~ 1 Mbps。
z CAN 通訊接口：DB9，符合 DeviceNET 和 CANOpen 標準。
z 支援 CAN 網路協定：CAN 2.0B 兼容 CAN 2.0A，符合 ISO/IS 11898。
z 最高 Frame 流量：每個通道 5000 Frame/sec。
z 供電方式：USB 供電或外接+9 V ~ +25 V、400 mA 的電源。