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摘要：文章介绍了一种基于三星公司ARM9内核芯片S3C2440的电动自行车恒速控制系统，该系统以Linux作为操作系统，搭配QT应用开发平台，构造了良好的图形交互界面。该系统的设计旨在改善自行车使用者的骑行负担和用户体验，通过PID算法自动实现恒速行驶，还可以通过显示装置实时显示骑行速度和距离，提高骑行的安全性和舒适性。
关键词：ARM；智能电动自行车；PID；恒速控制；恒速巡航设计 文献标识码：A
中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2016）33-0001-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.001
“我愿为中国自行车做广告！”2016年6月26日，李克强总理在天津体验一辆超级智能自行车时如是说。智能自行车缘何如此瞩目？十八届三中全会将生态文明纳入了我国“五位一体”的建设范畴，在随后的两会上习近平总书记更是旗帜鲜明地指出“绿水青山就是金山银山”的口号。雄关漫道真如铁，如今两会的春风早已吹遍神州大地，我国也进入了“绿色发展”的新时代，这就要求我们要更加注重绿色环保营造良好宜居环境，而智能电动车产业的发展正好顺应了这种潮流。智能电动车具有低能耗无污染等诸多优点，符合绿色环保要求。
事实上电动自行车的使用已经相当普遍，笔者曾在苏州工业园区做过简单调查，电动车作为和地铁无缝衔接的交通工具，是大多数人出行的首选方式，用于解决上下班的“最后一公里”路程。然而有过电动车骑行经历的人一定清楚电动车的平稳性其实是有待改善的。同时我们注意到骑行作为一类健身体育项目正在悄然回归时尚新宠的地位。笔者与武汉藏龙岛车友会会员有过交流，他们对于传统自行车的骑行体验提出了新的要求，希望能拥有一辆具备定位防盗、语音播报、数据监测和通信等功能的智能自行车。本设计正是基于上述这些考虑而展开的。
1 系统总体设计方案
如图1所示，该系统以ARM9内核S3C2440芯片作为恒速控制系统的核心，系统由电源管理模块、晶振复位电路、程序下载电路、电动推杆驱动电路、液晶显示部分、速度设置单元和车速传感器等部分组成。
其中主控芯片S3C2440负责算法实现、数据处理和电动推杆驱动信号的产生。同时配合Linux操作系统，在跨平台开发环境QT上编程实现图形界面用于与用户交互。电源管理模块负责为系统各部分供电，其输入电压为车载铅蓄电池输出的12V电压。晶振和复位电路为系统正常工作提供必要条件，下载电路用于下载程序。电动推杆驱动电路为推杆提供合适的驱动电流电压，进而控制油门开度来调节车速。速度设置旋钮用于设置想要达到的车速，并且在液晶上显示出来。车速传感器用于检测车辆在行驶时的实际速度，并传送给主控芯片，本设计中的车速传感器使用光电编码器。主控芯片根据实际速度和设置速度的差值运用PID算法来对车速进行控制。液晶显示模块除了显示设置速度和实际速度的数值外，还会显示一个虚拟的车速仪表盘，使得交互界面更加友好形象。
除此之外，考虑拓展需要还预留了接口，以便后续开发时增加其他相关传感器用于实时显示风速、温度、湿度等信息；增加九轴陀螺仪用于显示骑行者的姿态信息和加速度；增加WIFI和蓝牙模块用于与其他移动终端进行互联，比如语音播报；增加4G模块与云端服务器进行数据交互，这一点对于公共自行车的管理而言很有必要；增加GPS模块实时显示骑行者的地理坐标以及导航信息，这一点对于长途骑行也是很有必要的。
2 硬件电路设计
2.1 核心板设计
本设计以S3C2440芯片为核心处理器再加入Flash、SDRAM、时钟电路、复位电路、程序下载电路和启动方式选择电路等组成。在这里我们采用飞凌公司的FL2440核心板的设计。供电部分通过电压转换芯片AMS1117-3.3V、LM2596和MAX774将车载铅蓄电池的12V输出电压分别降压为3.3V、5V和-5V供系统其他部分使用。
2.2 电动推杆驱动电路
由于ARM芯片输出的PWM信号的电流很小，不足以驱动电动推杆正常工作，所以在输出端口和电动推杆之间还需要加入驱动电路。我们考虑用H桥式驱动电路来驱动电动推杆，此处选用L298N芯片构成驱动电路，其输出电流大、功率强，最高工作电压为50V，电流最大达4A，输入端可以和ARM处理器直接相连。电路图如图2所示：
2.3 车速传感器电路
车速传感器电路用于采集电动自行车在行驶过程中的速度。选用的集成车速传感器是三线式的，两根电源线，一根信号输出线。信号线输出的信号电压是0～10V模拟电压，对应车速为0～180km/h，而S3C2440的端口电压为3.3V，故需要对该车速信号进行分压处理，以与芯片相匹配。同时由于传感器输出的车速信号电流很微弱，所以还需要把该信号通过运算放大器进行信号电流的放大，选用OPA657集成运放芯片构成射级跟随器来进行电流放大。然后通过S3C2440内部的A/D转换器来接收车速信号进行模数转换并存储，以便进一步进行其他运算和操作。该部分电路图如图3所示：
2.4 车速设置模块
该部分通过一个机械旋钮与一个电位器相连，并固定在电动自行车的把手上，通过分压的方式输出一定范围的电压信号，电压范围为0～5V，对应的速度为0～100km/h。骑车人通过扭动旋钮带动电位器移动，进而输出不同的电压来对应不同的设置速度，该设置速度会在液晶屏上显示出来，并与反馈的实际车速进行比较来控制电动车的油门开度。
2.5 液晶显示部分
该部分用于显示驾驶员设置的速度和车辆实际行驶速度，并且显示虚拟车速仪表盘。考虑到产品后续开发时可能要显示骑车人的姿态信息、车子行驶的加速度、骑行过程中的阻力和风速、外界环境的温湿度、远程交互和定位导航等附加信息，本设计中我们选用液晶屏作为显示装置，该显示屏还同时带有电阻触摸功能，方便后续的触控操作等拓展需要。 3 软件设计
3.1 linux平台搭建
根据不同的硬件U-Boot需要进行不同的配置。我们的U-Boot也是根据所用的ARM核心板进行定制的。选用的Linux内核版本是2.6，相比Linux内核2.4，2.6内核支持更多的平台，使用了新的调度器，进程切换更高效，内核可被抢占，用户的操作可以得到更快的响应速度。根文件系统有很多类型，选用是yaffs文件系统，这是一个专门为NAND Flash存储器设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备。它还为大容量的Flash芯片做了很好的调整，针对启动时间和RAM的使用做了优化。
3.2 速度控制算法
在这里选用PID算法对电动推杆进行控制，它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点。PID控制器的差分方程如下：
在本设计中是预设速度和实际采样速度的差值。
4 结语
本文设计的智能电动自行车恒速控制系统经过测试能满足恒速巡航的基本要求。当自行车处于人力骑行时液晶显示屏可以实时显示骑行的速度和已经行驶的距离，并能通过虚拟仪表盘的指针增强显示效果。当自行车处于电动行驶时，骑车人还可以通过固定在自行车把手上的调速旋钮设置恒速巡航的速度，以满足较远距离行驶的要求。同时考虑拓展功能的需要还预留了其他接口，以便后续开发。该恒速巡航系统的引入使得电动自行车更加智能，同时可以提高骑行的安全性和舒适性。
参考文献
[1] 张颖.基于DSP的汽车定速巡航系统研究[D].哈尔滨 理工大学，2008.
[2] 包凡彪.汽车定速巡航控制系统总体结构设计[J].机 电元件，2014，34（6）.
[3] 郭琳.基于DSP的电动汽车智能驱动控制系统的研究 [D].辽宁工程技术大学，2012.
[4] 王君荣，陈名松.数字PID控制算法的研究和仿真 [J].大众科技，2008，104（4）.
[5] 徐锋，张嫣华.数字控制系统的PID算法研究[J].机 床电器，2008，8（6）.
[6] 靳江伟.基于ARM的智能家居综合控制系统设计与实 现[D].沈阳理工大学，2011.
作者简介：扈先勤（1957-），男，河南安阳人，吉林省科技馆正高级工程师，研究方向：科技馆管理及信息化建设；李巍巍（1970-），女，辽宁沈阳人，吉林省科技馆高级工程师，研究方向：科技馆展品设计及信息化建设。
（责任编辑：黄银芳）
关键词：ARM；智能电动自行车；PID；恒速控制；恒速巡航设计 文献标识码：A
中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2016）33-0001-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.001
“我愿为中国自行车做广告！”2016年6月26日，李克强总理在天津体验一辆超级智能自行车时如是说。智能自行车缘何如此瞩目？十八届三中全会将生态文明纳入了我国“五位一体”的建设范畴，在随后的两会上习近平总书记更是旗帜鲜明地指出“绿水青山就是金山银山”的口号。雄关漫道真如铁，如今两会的春风早已吹遍神州大地，我国也进入了“绿色发展”的新时代，这就要求我们要更加注重绿色环保营造良好宜居环境，而智能电动车产业的发展正好顺应了这种潮流。智能电动车具有低能耗无污染等诸多优点，符合绿色环保要求。
事实上电动自行车的使用已经相当普遍，笔者曾在苏州工业园区做过简单调查，电动车作为和地铁无缝衔接的交通工具，是大多数人出行的首选方式，用于解决上下班的“最后一公里”路程。然而有过电动车骑行经历的人一定清楚电动车的平稳性其实是有待改善的。同时我们注意到骑行作为一类健身体育项目正在悄然回归时尚新宠的地位。笔者与武汉藏龙岛车友会会员有过交流，他们对于传统自行车的骑行体验提出了新的要求，希望能拥有一辆具备定位防盗、语音播报、数据监测和通信等功能的智能自行车。本设计正是基于上述这些考虑而展开的。
1 系统总体设计方案
如图1所示，该系统以ARM9内核S3C2440芯片作为恒速控制系统的核心，系统由电源管理模块、晶振复位电路、程序下载电路、电动推杆驱动电路、液晶显示部分、速度设置单元和车速传感器等部分组成。
其中主控芯片S3C2440负责算法实现、数据处理和电动推杆驱动信号的产生。同时配合Linux操作系统，在跨平台开发环境QT上编程实现图形界面用于与用户交互。电源管理模块负责为系统各部分供电，其输入电压为车载铅蓄电池输出的12V电压。晶振和复位电路为系统正常工作提供必要条件，下载电路用于下载程序。电动推杆驱动电路为推杆提供合适的驱动电流电压，进而控制油门开度来调节车速。速度设置旋钮用于设置想要达到的车速，并且在液晶上显示出来。车速传感器用于检测车辆在行驶时的实际速度，并传送给主控芯片，本设计中的车速传感器使用光电编码器。主控芯片根据实际速度和设置速度的差值运用PID算法来对车速进行控制。液晶显示模块除了显示设置速度和实际速度的数值外，还会显示一个虚拟的车速仪表盘，使得交互界面更加友好形象。
除此之外，考虑拓展需要还预留了接口，以便后续开发时增加其他相关传感器用于实时显示风速、温度、湿度等信息；增加九轴陀螺仪用于显示骑行者的姿态信息和加速度；增加WIFI和蓝牙模块用于与其他移动终端进行互联，比如语音播报；增加4G模块与云端服务器进行数据交互，这一点对于公共自行车的管理而言很有必要；增加GPS模块实时显示骑行者的地理坐标以及导航信息，这一点对于长途骑行也是很有必要的。
2 硬件电路设计
2.1 核心板设计
本设计以S3C2440芯片为核心处理器再加入Flash、SDRAM、时钟电路、复位电路、程序下载电路和启动方式选择电路等组成。在这里我们采用飞凌公司的FL2440核心板的设计。供电部分通过电压转换芯片AMS1117-3.3V、LM2596和MAX774将车载铅蓄电池的12V输出电压分别降压为3.3V、5V和-5V供系统其他部分使用。
2.2 电动推杆驱动电路
由于ARM芯片输出的PWM信号的电流很小，不足以驱动电动推杆正常工作，所以在输出端口和电动推杆之间还需要加入驱动电路。我们考虑用H桥式驱动电路来驱动电动推杆，此处选用L298N芯片构成驱动电路，其输出电流大、功率强，最高工作电压为50V，电流最大达4A，输入端可以和ARM处理器直接相连。电路图如图2所示：
2.3 车速传感器电路
车速传感器电路用于采集电动自行车在行驶过程中的速度。选用的集成车速传感器是三线式的，两根电源线，一根信号输出线。信号线输出的信号电压是0～10V模拟电压，对应车速为0～180km/h，而S3C2440的端口电压为3.3V，故需要对该车速信号进行分压处理，以与芯片相匹配。同时由于传感器输出的车速信号电流很微弱，所以还需要把该信号通过运算放大器进行信号电流的放大，选用OPA657集成运放芯片构成射级跟随器来进行电流放大。然后通过S3C2440内部的A/D转换器来接收车速信号进行模数转换并存储，以便进一步进行其他运算和操作。该部分电路图如图3所示：
2.4 车速设置模块
该部分通过一个机械旋钮与一个电位器相连，并固定在电动自行车的把手上，通过分压的方式输出一定范围的电压信号，电压范围为0～5V，对应的速度为0～100km/h。骑车人通过扭动旋钮带动电位器移动，进而输出不同的电压来对应不同的设置速度，该设置速度会在液晶屏上显示出来，并与反馈的实际车速进行比较来控制电动车的油门开度。
2.5 液晶显示部分
该部分用于显示驾驶员设置的速度和车辆实际行驶速度，并且显示虚拟车速仪表盘。考虑到产品后续开发时可能要显示骑车人的姿态信息、车子行驶的加速度、骑行过程中的阻力和风速、外界环境的温湿度、远程交互和定位导航等附加信息，本设计中我们选用液晶屏作为显示装置，该显示屏还同时带有电阻触摸功能，方便后续的触控操作等拓展需要。 3 软件设计
3.1 linux平台搭建
根据不同的硬件U-Boot需要进行不同的配置。我们的U-Boot也是根据所用的ARM核心板进行定制的。选用的Linux内核版本是2.6，相比Linux内核2.4，2.6内核支持更多的平台，使用了新的调度器，进程切换更高效，内核可被抢占，用户的操作可以得到更快的响应速度。根文件系统有很多类型，选用是yaffs文件系统，这是一个专门为NAND Flash存储器设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备。它还为大容量的Flash芯片做了很好的调整，针对启动时间和RAM的使用做了优化。
3.2 速度控制算法
在这里选用PID算法对电动推杆进行控制，它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点。PID控制器的差分方程如下：
在本设计中是预设速度和实际采样速度的差值。
4 结语
本文设计的智能电动自行车恒速控制系统经过测试能满足恒速巡航的基本要求。当自行车处于人力骑行时液晶显示屏可以实时显示骑行的速度和已经行驶的距离，并能通过虚拟仪表盘的指针增强显示效果。当自行车处于电动行驶时，骑车人还可以通过固定在自行车把手上的调速旋钮设置恒速巡航的速度，以满足较远距离行驶的要求。同时考虑拓展功能的需要还预留了其他接口，以便后续开发。该恒速巡航系统的引入使得电动自行车更加智能，同时可以提高骑行的安全性和舒适性。
参考文献
[1] 张颖.基于DSP的汽车定速巡航系统研究[D].哈尔滨 理工大学，2008.
[2] 包凡彪.汽车定速巡航控制系统总体结构设计[J].机 电元件，2014，34（6）.
[3] 郭琳.基于DSP的电动汽车智能驱动控制系统的研究 [D].辽宁工程技术大学，2012.
[4] 王君荣，陈名松.数字PID控制算法的研究和仿真 [J].大众科技，2008，104（4）.
[5] 徐锋，张嫣华.数字控制系统的PID算法研究[J].机 床电器，2008，8（6）.
[6] 靳江伟.基于ARM的智能家居综合控制系统设计与实 现[D].沈阳理工大学，2011.
作者简介：扈先勤（1957-），男，河南安阳人，吉林省科技馆正高级工程师，研究方向：科技馆管理及信息化建设；李巍巍（1970-），女，辽宁沈阳人，吉林省科技馆高级工程师，研究方向：科技馆展品设计及信息化建设。
（责任编辑：黄银芳）