MicroAutoBox 使用困難與解決方法

在最初使用 MicroAutoBox 時，曾經遇到供電失敗的問題。在提供電源給任 何電子元件之前，我們先察看規格書上的直流特性(DC characteristics)，而 MicroAutoBox 的標準工作電壓為直流 12V，且標準工作電流為 700mA。在一般的 狀況下，若電子元件吸入的電流大於標準工作電流，暗示有短路發生，必須立刻 關掉電流，以免過大的電流所造成的熱度，使電子元件遭遇不可回覆的損壞。

因此，在以電源供應器提供電源之前，我們調整限流為 700 毫安培(mA)。但 是 ， 打 開 電 源 供 應 器 時 ， 卻 發 現 電 源 供 應 器 的 過 電 流 燈 號 亮 起 ， 因 此 ， MicroAutoBox 根 本 無 法 啟 動 ， 甚 至 ， 懷 疑 內 部 電 路 已 經 損 毀 。 在 不 了 解 MicroAutoBox 的情況下，我們不敢任意調高電源供應器的限流。

在寫信詢問 dSPACE 工程師之後，得知 MicroAutoBox 在開機時所需的開機電 流在 2-5 安培(A)。因此，我們調整電路結構如圖 3.9，即可讓 MicroAutoBox 順 利開機，並且達到保護的功能。圖中的電容，可提供 MicroAutoBox 在正常運作 時需要的瞬間電流。

第四章

感測器、致動器與整體電子系統設計

實驗車上需要各種元件，包含感測器與致動器，這些元件由各個子計畫研 發，在這一章中，將介紹每個元件的功能，而每個元件的電子訊號介面，不一定 與主控制器相容，因此，本章重點在於如何以介面電路銜接元件與控制器，並且 提供不同規格的電源，使每個元件都能正常工作。

4.1 感測器

4.1.1 督普勒雷達測速器之信號擷取設計

督普勒雷達測速器，由交通大學電信系鐘世忠教授帶領的研究團隊提供。

這個測速器固定在實驗車底部，如圖 4.1，以督普勒效應偵測實驗車與地面的相 對速度。這個雷達需要的電源供應為直流 12 伏特，工作電流為 70mA，可與 MicroAutoBox 使用同一組電源；在輸出信號方面，雷達會輸出一個類比信號，

而此信號的頻率與車速有線性關係，因此，我們還需要設計一個信號擷取電路，

將頻譜信號解碼為時域的車速信號。

圖 4.1：測速雷達裝置在車輛底盤

首先，我們先在實驗車測試雷達功能，發現雷達的輸出信號的直流部分 約在 40mV 附近，而交流部份的頻率在 0~10kHz 變動。而 MicroAutoBox 的類比到 數位轉換器（ADC） 取樣頻率為 150kHz，大於交流信號的頻率 15 倍，所以，足 以提供精確的取樣雷達的類比輸出。

但是，MicroAutoBox 的類比到數位轉換器的工作電壓為 0~5V、解析度為 12 位 元 ， 但 雷 達 的 輸 出 電 壓 頂 多 到 50mV ， 因 此 ， 若 直 接 連 接 雷 達 與 MicroAutoBox，將會浪費 12 位元的解析度，因為沒有雷達信號分布在 50mV~5V 這 個 範 圍 。 因 此 ， 我 們 將 雷 達 信 號 先 外 接 一 個 非 反 向 放 大 器 ， 再 送 到 MicroAutoBox 的類比到數位轉換器，如圖 4.2。

測速雷達

非反向

放大器 MicroAutoBox 0~50mV 0~5V

圖 4.2：測速雷達輸出信號放大後再送到 MicroAutoBox

將雷達輸出信號取樣後，還無法直接送入控制器作為運算用的速度值，控 制器需要的是信號大小(magnitude)與車速有線性關係，但雷達的輸出信號則是 的信號頻率(frequency)與車速有線性關係，因此，在 MicroAutoBox 內部，還必 須設計一段解碼器，算出控制器能用的車速信號。

圖 4.3 為車速解碼器的方塊圖，信號取樣之後，先進入緩衝器(Buffer)形 成一段序列樣本，接著，對這個序列樣本作快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)，我們會得到該序列的頻譜。由於車速信號最高為 10kHz，因 此，刪除大於 10kHz 的部份。最後，由頻譜中找出最大值發生處的頻率索引值，

線拉出，共有兩條信號線，一條是車速線，另外一條是地線，經過測量之後，信

由於這個車速信號的最高震幅高達 12V，而 MicroAutoBox 的數位輸入接口 的最高操作電壓為 5V，因此，車速信號必須透過 74LS244(Octal buffer/line driver)轉換規格，避免損壞 MicroAutoBox 接頭。

4.1.3 影像測距之信號整合

影像測距系統，來自交通大學電控系吳炳飛教授帶領的影像研究團隊，提供 了完整的道路資訊。在研究執行的第一年，影像研究團隊可精準提供實驗車與前 方障礙物的距離，而在影像理論發展階段，演算法是在個人電腦中完成的，因此，

我們必須由個人電腦取出運算結果。在此，我們連接個人電腦都會配備的 9-pin

Com Port 傳送運算結果，使用 RS-232 協定傳送資料，此介面又稱為序列埠 (serial port)，是許多個人電腦上的通訊介面之一。表 4.2 為 Com Port 的腳位 說明，但是我們只需要使用其中三隻腳位，傳送資料 (RX)、接收資料 (TX)與接 地 (GND)，就可以與 MicroAutoBox 收送資料。

表 4.2：Com Port 的腳位說明

但是，個人電腦的 RS-232 電氣標準，與 MicroAutoBox 的格式位準不同、

而且反向，因此，RX 與 TX 信號需經過 74LS04 反向器(Inverter)，才能正確的 接收資料，圖 4.4 是與 Com Port 連接的電路圖，圖中 P1 為連接到 Com Port 的 連接頭，我們使用 74LS04 中的兩個反向器來做信號轉換。

圖 4.4：連接 Com Port 的電路圖

4.2 致動器

致動器將電子訊號轉換為機械動力，用來控制實驗車的方向盤與煞車。這 些致動器，由交通大學電控系廖德誠教授帶領的研究團隊研發。

4.2.1 煞車致動器

圖 4.5 即為煞車用的致動器，這個致動器被固定在駕駛座的靠右側地上，

而圖上方的楔形裝置，會往箭頭方向移動，完成採煞車踏板的動作。

圖 4.5：煞車用的致動器

煞車驅動系統的信號介面為兩條訊號線，而這兩條訊號線的差動電壓與輸 出力成正比，可提供 0~700 牛頓的輸出力，對應到的差動信號為 0~5V。針對煞 車趨動系統，MicroAutoBox 可由兩個類比輸出產生差動信號，此外，我們也設 計了可切換到手動控制模式的機制。

圖 4.6 表示與煞車致動器的正端信號連接電路，透過圖中 JP3，可選擇控 制信號的來源是 MicroAutoBox 的類比輸出，或是電路板上的分壓電路產生的信 號，而圖中的 R2 為可變電阻，使用者可以轉動可變電阻產生不同的輸入電壓，

連接到煞車致動器的正端輸入。圖 4.7 則是與煞車致動器的負端信號連接電路，

透過圖中的 JP2 則可以切換為手動輸入。

圖 4.6：連接煞車致動器的正端信號

圖 4.7：連接煞車致動器的負端信號

4.2.2 方向盤致動器

而廖德誠教授的研究團隊，也完成了方向盤致動器的改裝的工作，亦即將 轉向機構安裝於車體之上，採取皮帶傳動的模式，利用兩個齒數不同的齒輪，分 別安裝於方向盤後方以及馬達端，利用馬達的轉動，帶動皮帶，進而轉動方向盤，

達到轉向的目的。

在信號介面方面，方向盤致動器有三條信號線，其中兩條代表相位，用來 控制方向盤往右轉或者往左轉，而第三條則需要脈波輸入，一個脈波代表方向盤 往指定方向轉 0.0072 度。圖 4.8 是在實驗室以 MicroAutoBox 製造脈波信號，如 圖中示波器所示，圖中左方是用來進行 MicroAutoBox 程式設計的筆記型電腦，

而中間電源供應器上方則是 MicroAutoBox 與介面電路板。

圖 4.8：在實驗室中以 MicroAutoBox 製造脈波信號

4.3 電力供應與介面電路設計 MicroAutoBox 擴充一組 RS-232 的介面。

4.3.1 產生 110 伏特交流電與 12 伏特直流電

12 伏特電池 直流轉交流 電源轉換器 12V 直流電

交流轉直流 電源轉換器 直流轉換電路

3.3V 直流電 5V 直流電

12V 直流電

110V 交流電

圖 4.9：電力系統的示意圖

圖 4.9，為實驗車上電力系統的示意圖，圖 4.10 為介面電路板中的 12 伏特 直流電部分的電路圖，D1、D2 為電源指示燈，J4 是供應到 MicroAutoBox 的 12 伏特電源，C4 是 1000uF 的大電容，功能是供應 MicroAutoBox 可能突然增加的 電流需求量。

圖 4.10：12 伏特直流電部分的電路圖

4.3.2 產生 5 伏特與 3.3 伏特直流電

圖 4.11 為產生 5 伏特與 3.3 伏特直流電的電路，其中，我們使用 LM7805 將 12 伏特的直流電，轉為 5 伏特的直流電，圖面上的 VCC 即為 5 伏特的直流電。

將 5 伏特的直流電，透過 D5、D6 這兩個二極體，每個二極體壓降約 0.7 伏 特，可將 5 伏特轉為約 3.6 伏特，而一般工作在 3.3 伏特的電子元件，也可以在 3.6 伏特正常工作，因此，這個電源可以提供 FPGA 開發版所需要的電源。

圖 4.11：產生 5 伏特與 3.3 伏特直流電的電路圖

4.3.3 介面電路設計

由於實驗車上方的電子元件很多，而這些電子元件，都透過介面電路與 MicroAutoBox 相連，因此，在介面電路的連接器上，針對不同的元件，我們特 別選用不同的連接頭，避免在連接時失誤，造成元件或控制器的損壞。

最後，由於 MicroAutoBox 只配備一組 RS-232 介面，為了幫 MicroAutoBox 多擴充一組 RS-232 介面，我們使用 8051 微處理器，接收 RS-232 並轉為並列輸 入輸出到 MicroAutoBox，如圖 4.12，圖中右下方的 Com Port 接頭可連到感測器 的 RS-232 信號，由 8051 微處理器轉換為並列信號到 8051 的埠 0 與埠 2，再經 由圖中右方的 JP8 與 JP7 連到 MicroAutoBox。

圖 4.12：擴充 MicroAutoBox 的 RS-232 的介面

第五章

實車驗證

前幾章介紹了實驗車相關的配備，包含感測器、致動器與控制器，在本章中，

我們將這些配備整合起來，作為 ITS 卓越計畫的第一年實車成果展示，藉此驗證 實驗車平台中的各種配備可以成功的整合與溝通。

5.1 系統整合與任務規劃

本研究的實驗車名為 Taiwan iTS-1，Taiwan iTS-1 在實車演練中，整合了 各個研究團隊所研發的成果，實現一個以影像回授為基礎的自動安全防撞系統。

在這個演練中所使用的主要配備包含：取得前方障礙物資訊的影像測距系 統、負責偵測對地速度的雷達測速系統、將控制器輸出轉為煞車力的煞車致動 器、MicroAutoBox 扮演的主控制器、負責信號轉換與連接的介面電路、與供電 系統。

除了在前幾章已經介紹過的配備之外，值得一提的是吳炳飛老師帶領的研究 團隊，提供了一台平版式電腦，結合了語音辨識系統，以無線傳輸的方式，可在 車內任何位置顯示車前狀況與控制車速。結合了以上的配備，Taiwan iTS-1 成 功的達成了在緊急狀況下的防撞功能。

圖 5.1 表示在這次演練中的實驗車系統架構，我們以中華汽車提供的 SAVRIN 為 實 驗 車 ， 主 控 制 器 (on-vehicle controller) 以 差 動 信 號 透 過 介 面 電 路

圖 5.1 表示在這次演練中的實驗車系統架構，我們以中華汽車提供的 SAVRIN 為 實 驗 車 ， 主 控 制 器 (on-vehicle controller) 以 差 動 信 號 透 過 介 面 電 路