飛思卡爾 智能車 教程PPT課件

2.1 2.1 傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)12.2 2.2 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)2 思考題思考題3第第2 2章章 智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)智能汽車設(shè)計(jì)基礎(chǔ)硬件硬件第1頁(yè)/共55頁(yè)2.1 2.1 傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng) 在工程上，系統(tǒng)中各種物理量都必須轉(zhuǎn)換成一定規(guī)格的信號(hào)（電信號(hào)或氣壓信號(hào)）才能被檢測(cè)、采集和顯示。所謂傳感器，即是將被測(cè)量按照一定的物理或化學(xué)原理轉(zhuǎn)換成某種規(guī)定的輸出信號(hào)的裝置或器件。 第2頁(yè)/共55頁(yè)2.1 2.1 傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件能夠隨著被測(cè)量的變化而引起某種易被測(cè)量的信號(hào)的變化，而轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分，具體的電量形式取決于敏感元件的原理。除此之外，由于轉(zhuǎn)換元件的輸出信號(hào)一般都很微弱，為方便傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示，通常有信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大或運(yùn)算調(diào)制。因此，傳感器的組成通常包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路和輔助電路，如圖2.1所示。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件、轉(zhuǎn)換元件等一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。第3頁(yè)/共55頁(yè)2.1 2.1 傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)圖2.1 傳感器組成方框圖圖2.1 傳感器組成方框圖第4頁(yè)/共55頁(yè)2.1 2.1 傳感器系統(tǒng)傳感器系統(tǒng) 智能汽車設(shè)計(jì)中涉及到的傳感器主要有三種：光電式傳感器、圖像傳感器和測(cè)速傳感器。1 2.1.1 2.1.1 光電式傳光電式傳 感器感器2 2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器3 2.1.3 2.1.3 測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器第5頁(yè)/共55頁(yè)光電式傳感器光電式傳感器 光電式傳感器是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。光電式傳感器工作時(shí)，先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量。光電式傳感器的核心（敏感元件）是光電器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。第6頁(yè)/共55頁(yè)光電式傳感器光電式傳感器光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非接觸測(cè)量，因此廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化儀表中。光電式傳感器可用來(lái)測(cè)量光學(xué)量或測(cè)量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其他被測(cè)量，然后輸出一定形式的電信號(hào)。在測(cè)量光學(xué)量時(shí)，光電器件是作為敏感元件使用；而測(cè)量其他物理量時(shí)，它是作為轉(zhuǎn)換元件使用。光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實(shí)現(xiàn)被測(cè)量信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。圖2.2(a)所示為測(cè)量光量時(shí)的組成框圖，圖2.2(b)所示為測(cè)量其他物理量時(shí)的組成框圖。第7頁(yè)/共55頁(yè)光電式傳感器光電式傳感器圖2.2 光電式傳感器的基本組成第8頁(yè)/共55頁(yè)光電式傳感器光電式傳感器 1光電管的結(jié)構(gòu)與工作原理 光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，兩者在結(jié)構(gòu)上比較相似，均由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當(dāng)光照在陰極上時(shí)，中央陽(yáng)極可收集從陰極上逸出的電子，在外電場(chǎng)作用下形成電流。充氣光電管的靈敏度好，但其穩(wěn)定性較差、惰性大，容易受溫度影響。在智能車的光電式傳感器模塊設(shè)計(jì)中，由于要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定，所以一般都采用真空式光電管。第9頁(yè)/共55頁(yè)光電式傳感器光電式傳感器 2主要性能 光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測(cè)率和溫度特性來(lái)描述。其中，伏安特性、光照特性和光譜特性是選擇光電器件的主要指標(biāo)。 （1）光電管的伏安特性 在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。它是應(yīng)用光電式傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。第10頁(yè)/共55頁(yè)光電式傳感器光電式傳感器 （2）光電管的光照特性 當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之比）稱為光電管的靈敏度。 （3）光電管的光譜特性 一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量也不會(huì)相同，即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。第11頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器圖像傳感器在智能車設(shè)計(jì)中非常常見。智能車路徑識(shí)別模塊中的攝像頭的重要組成部分就是圖像傳感器。圖像傳感器又稱為成像器件或攝像器件，可實(shí)現(xiàn)可見光、紫外線、X射線、近紅外光等的探測(cè)，是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件。因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展（光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大），能給出直觀、真實(shí)、多層次、多內(nèi)容的可視圖像信息，圖像傳感器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。第12頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器 1CCD圖像傳感器的分類 CCD圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類：一類是用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；另一類是用于獲取面圖像的，稱為面陣CCD。 （1）線陣CCD圖像傳感器 對(duì)于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，而不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號(hào)輸出，為了得到整個(gè)二維圖像的輸出，就必須用行掃描的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。第13頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器 （2）面陣CCD圖像傳感器 面陣CCD圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測(cè)二維平面圖像。由于傳輸與讀出方式不同，面陣圖像傳感器有許多類型，常見的傳輸方式有行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。 2CCD圖像傳感器的特性參數(shù) CCD圖像器件的性能參數(shù)包括靈敏度、分辨率、信噪比、光譜響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍和暗電流等，CCD器件性能的優(yōu)劣可由上述參數(shù)來(lái)衡量。第14頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器 （1）光電轉(zhuǎn)換特性 CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性如圖2.3所示。圖中x軸表示曝光量，y軸表示輸出信號(hào)幅值，QSAT表示飽和輸出電荷，QDARK表示暗電荷輸出，ES表示飽和曝光量。 圖2.3 CCD光電轉(zhuǎn)換特性第15頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器 由圖2.3可以看出，輸出電荷與曝光量之間有一個(gè)線性工作區(qū)域，在曝光量不飽和時(shí)，輸出電荷正比于曝光量，當(dāng)曝光量達(dá)到飽和曝光量后，輸出電荷達(dá)到飽和值，并不隨曝光量的增加而增加。曝光量等于光強(qiáng)乘以積分時(shí)間，即 (2.1) 式中，為光強(qiáng)；為積分時(shí)間，即起始脈沖的周期。暗電荷輸出為無(wú)光照射時(shí)CCD的輸出電荷。一只良好的CCD傳感器，應(yīng)具有低的暗電荷輸出。intEHT第16頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器 （2）靈敏度和靈敏度不均勻性 CCD圖像傳感器的靈敏度或稱為量子效率，標(biāo)志著器件光敏區(qū)的光電轉(zhuǎn)換效率，用在一定光譜范圍內(nèi)單位曝光量下器件輸出的電流或電壓表示。實(shí)際上，圖2.3中CCD光電轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率就是器件的靈敏度，即 (2.2) 理想情況下，CCD器件受均勻光照時(shí)，輸出信號(hào)幅度完全一樣。實(shí)際上，由于半導(dǎo)體材料不均勻和工藝條件因素影響，在均勻光照下，CCD器件的輸出幅度出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。SATs/SQE第17頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器 （3）分辨率 分辨率是用來(lái)表示分辨圖像中明細(xì)細(xì)節(jié)的能力的。它通常有兩種不同的表示方式： 極限分辨率。一黑一白兩個(gè)線條稱為一個(gè)“線對(duì)”，透過對(duì)應(yīng)光的亮度為一明一暗。而極限分辨率是指人眼能夠分辨的最細(xì)線條數(shù)，通常用每毫米線對(duì)數(shù)（1 P/mm）來(lái)表示。 調(diào)制傳遞函數(shù)。每毫米長(zhǎng)度上所包含的線對(duì)數(shù)稱為空間頻率，其單位是1 P/mm。設(shè)調(diào)幅波信號(hào)的最大值為 最小值為 ，平均值為 ，振幅為 ，如圖2.4所示，定義調(diào)制度 M 為 maxAminA0AmA第18頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器maxminmaxminAAMAA(2.4)圖2.4 調(diào)制度的定義第19頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器 調(diào)幅波信號(hào)通過器件傳遞輸出后，通常調(diào)制度受到的損失減小。一般來(lái)說，調(diào)制度隨空間頻率增加而減小。為了客觀地表示CCD傳感器的分辨率，一般采用調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function, MTF）來(lái)表示。MTF的定義為：在各個(gè)空間頻率下，CCD器件的輸出信號(hào)的調(diào)制度與輸入信號(hào)的調(diào)制度的比值，即 (2.5) 式中， 為空間頻率。outin( )MTF( )( )MvvMvv第20頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器 MTF能夠客觀地反映CCD器件對(duì)于不同頻率的目標(biāo)成像的清晰程度。隨著空間頻率的增加，MTF值減小。當(dāng)MTF減小到某一值時(shí)，圖像就不能夠清晰分辨，該值對(duì)應(yīng)的空間頻率為圖像傳感器能分辨的最高空間頻率。 （4）CCD的噪聲 CCD的噪聲源可歸納為三類：散粒噪聲、暗電流噪聲和轉(zhuǎn)移噪聲。 散粒噪聲 光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號(hào)電荷的過程可以看成是獨(dú)立、均勻連續(xù)發(fā)生的隨機(jī)過程。單位時(shí)間內(nèi)光產(chǎn)生的信號(hào)電荷數(shù)并非絕對(duì)不變，而是在一個(gè)平均值上作微小波動(dòng)，這一微小波動(dòng)的起伏便形成散粒噪聲，又稱為白噪聲。第21頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器 暗電流噪聲 暗電流噪聲可以分為兩部分：其一是耗盡層熱激發(fā)產(chǎn)生的，可用泊松分布描述；其二是復(fù)合產(chǎn)生中心非均勻分布，特別是在某些單元位置上形成暗電流尖峰。由于器件工作時(shí)各個(gè)信號(hào)電荷包的積分地點(diǎn)不同，讀出路徑也不同，這些尖峰對(duì)各個(gè)電荷包貢獻(xiàn)的電荷量不等，于是形成很大的背景起伏，這就是常稱的固定圖像噪聲的起因。 轉(zhuǎn)移噪聲 轉(zhuǎn)移噪聲產(chǎn)生的主要原因有：轉(zhuǎn)移損失引起的噪聲、界面態(tài)俘獲引起的噪聲和體態(tài)俘獲引起的噪聲。輸出結(jié)構(gòu)采用浮置柵放大器，噪聲最小。第22頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器 3攝像頭的工作原理 攝像頭以隔行掃描的方式采樣圖像，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號(hào)端輸出。具體而言（參見圖2.5），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的視頻信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號(hào)電壓的電平（如0.3 V），并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于緊接著每行圖像對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。 第23頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器 然后掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場(chǎng)的信號(hào)，接著會(huì)出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱信號(hào)。其中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖（簡(jiǎn)稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有一個(gè)消隱脈沖遠(yuǎn)寬于其他的消隱脈沖（即該消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于其他的消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間），該消隱脈沖又稱為場(chǎng)同步脈沖，標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來(lái)。攝像頭每秒掃描25幀圖像，每幀又分奇、偶兩場(chǎng)，故每秒掃描50場(chǎng)圖像。第24頁(yè)/共55頁(yè)圖像傳感器圖像傳感器圖2.5 攝像頭視頻信號(hào)第25頁(yè)/共55頁(yè) 圖像傳感器圖像傳感器通常，攝像頭產(chǎn)品說明上會(huì)給出有效像素和分辨率，但通常不會(huì)具體介紹視頻信號(hào)行的持續(xù)時(shí)間、行消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，而這些參數(shù)又關(guān)系到圖像采樣的時(shí)序控制。因此需要設(shè)計(jì)軟、硬件方法對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。表2.1給出了常見的1/3 OmniVision CMOS攝像頭的時(shí)序參數(shù)，以供參考。第26頁(yè)/共55頁(yè) 圖像傳感器圖像傳感器 表2.1 常見的1/3 OmniVision CMOS攝像頭的時(shí)序參數(shù)第27頁(yè)/共55頁(yè) 測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器 在智能汽車設(shè)計(jì)中，測(cè)速傳感器的設(shè)計(jì)主要有兩種方案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。 1霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，將電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、壓差轉(zhuǎn)速等被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。雖然轉(zhuǎn)換率低、溫度影響大、要求轉(zhuǎn)換精度較高時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但霍爾傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動(dòng)態(tài)范圍（輸出電動(dòng)勢(shì)的變化）大、無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、可靠性高，以及易于微型化和集成電路化等優(yōu)點(diǎn)。 第28頁(yè)/共55頁(yè) 測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器 （1）霍爾效應(yīng)原理 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。如圖2.6所示，假設(shè)薄片為型半導(dǎo)體，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，磁感應(yīng)強(qiáng)度為。在薄片左右兩端通以電流（稱為控制電流），那么半導(dǎo)體中的截流子（電子）將沿著與電流的相反方向運(yùn)動(dòng)。由于外磁場(chǎng)的作用，使電子受到磁場(chǎng)力（洛侖茲力）作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累而帶負(fù)電，前端面則因缺少電子而帶正電，在前后兩個(gè)端面之間形成電場(chǎng)。 第29頁(yè)/共55頁(yè) 測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器圖2.6 霍爾效應(yīng)原理圖第30頁(yè)/共55頁(yè) 測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器 這時(shí)，在半導(dǎo)體前后兩個(gè)端面之間（即垂直于電流和磁場(chǎng)的方向）建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電勢(shì)就稱為霍爾電勢(shì) 。利用霍爾效應(yīng)制成的傳感元件稱為霍爾傳感器， 的大小正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度，即 (2.6) 式中， 為霍爾系數(shù)， ，其中 為載流體的電阻率； 為載流子的遷移率； 為靈敏度， 。 若磁場(chǎng)方向與元件平面成角度 時(shí)，則作用在元件上的有效磁場(chǎng)是其法線方向的分量，即 ，則有 (2.7)HUHHHR IBUK IBdHUHRHRHKHH/KRdcosBHHcosUK lB第31頁(yè)/共55頁(yè) 測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器 由式(2.6)和式(2.7)可以看出，霍爾電勢(shì) 的大小正比于控制電流 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 ，靈敏度 表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸出霍爾電勢(shì)的大小，一般要求越大越好，元件的厚度d越薄， 就越大，所以霍爾元件的厚度都很薄。當(dāng)載流電流材料和幾何尺寸確定后，霍爾電勢(shì)的大小只和控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，因此霍爾式傳感器可用來(lái)探測(cè)磁場(chǎng)和電流，由此可測(cè)量壓力、振動(dòng)等。HUIBHKHK第32頁(yè)/共55頁(yè)測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器 （2）霍爾元件的基本結(jié)構(gòu) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由霍爾片、四根引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，從中引出四根引線，其中兩根引線上施加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極（控制電極），另外兩根引線稱為霍爾輸出引線，又稱為霍爾電極。霍爾元件的殼體是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。 （3）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu) 圖2.7是三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少，就可以確定傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。第33頁(yè)/共55頁(yè)測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器圖2.7 三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 圖2.7 三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器第34頁(yè)/共55頁(yè)測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器 2光電式脈沖編碼器 光電式脈沖編碼器可將機(jī)械位移、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出，是精密數(shù)控采用的檢測(cè)傳感器。光電編碼器的最大特點(diǎn)是非接觸式，此外還具有精度高、響應(yīng)快、可靠性高等特點(diǎn)。 光電編碼器采用光電方法，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為各種代碼形式的數(shù)字脈沖，如圖2.8所示光電式脈沖編碼器，在發(fā)光元件和光電接收元件中間，有一個(gè)直接裝在旋轉(zhuǎn)軸上的具有相當(dāng)數(shù)量的透光扇形區(qū)的編碼盤，在光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投在透光和不透光區(qū)的碼盤上時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤，在碼盤的另一側(cè)就形成光脈沖，脈沖光照射在光電元件上就產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)。第35頁(yè)/共55頁(yè)測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器 圖2.8 光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)第36頁(yè)/共55頁(yè)測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器光電編碼器的精度和分辨率取決于光電碼盤的精度和分辨率，取決于刻線數(shù)。目前，已能生產(chǎn)徑向線寬為6.710-8 rad的碼盤，其精度達(dá)110-8，比接觸式的碼盤編碼器的精度要高很多個(gè)數(shù)量級(jí)。如進(jìn)一步采用光學(xué)分解技術(shù)，可獲得更多位的光電編碼器。光電編碼器按其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式可分為直線型的線性編碼器和轉(zhuǎn)角型的軸角編碼器兩種類型，按脈沖信號(hào)的性質(zhì)可分為有增量式和絕對(duì)式兩種類型。第37頁(yè)/共55頁(yè)測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器增量式編碼器碼盤圖案和光脈沖信號(hào)均勻，可將任意位置為基準(zhǔn)點(diǎn)，從該點(diǎn)開始按一定量化單位檢測(cè)。該方案無(wú)確定的對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)，一旦停電則失掉當(dāng)前位置，且速度不可超越計(jì)數(shù)器極限相應(yīng)速度，此外由于噪聲影響可能造成計(jì)數(shù)積累誤差。該方案的優(yōu)點(diǎn)是其零點(diǎn)可任意預(yù)置，且測(cè)量速度僅受計(jì)數(shù)器容量限制。第38頁(yè)/共55頁(yè)測(cè)速傳感器測(cè)速傳感器絕對(duì)式編碼器的碼盤圖案不均勻，編碼器的碼盤與碼道位數(shù)相等，在相應(yīng)位置可輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。其優(yōu)點(diǎn)是坐標(biāo)固定，與測(cè)量以前狀態(tài)無(wú)關(guān)，抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)累積誤差，具有斷電位置保持，不讀數(shù)時(shí)移動(dòng)速度可超越極限相應(yīng)速度，不需方向判別和可逆計(jì)數(shù)，信號(hào)并行傳送等；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高。要想提高光電編碼器的分辨率，需要提高碼道數(shù)目或者使用減速齒輪機(jī)構(gòu)組成雙碼盤機(jī)構(gòu)，將任意位置取作零位時(shí)需進(jìn)行一定的運(yùn)算。第39頁(yè)/共55頁(yè) 2.2 2.2 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì) 1 2.2.1 2.2.1 電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)2 2.2.2 2.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路電路3 2.2.3 2.2.3 傳感器接口傳感器接口 電路電路 第40頁(yè)/共55頁(yè)電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) 在智能車設(shè)計(jì)中，電源關(guān)系到整個(gè)電路設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。本節(jié)將介紹直流穩(wěn)壓電源的基本原理和三端固定式正壓集成穩(wěn)壓器的典型電路設(shè)計(jì)。 1直流穩(wěn)壓電源的基本原理 直流穩(wěn)壓電源電路一般由電源變壓器、整流濾波器電路及穩(wěn)壓電路組成，如圖2.9所示。 圖2.9 直流穩(wěn)壓電源電路第41頁(yè)/共55頁(yè)電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) 電源變壓器的作用是將220 V的交流電壓變成整流電路所需要低壓的交流電壓。整流電路的作用是將交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓，它主要有半波整流和全波整流等方式，通常由整流二極管構(gòu)成的整流橋堆來(lái)執(zhí)行。常見的整流二極管有1N4007和1N5148等，橋堆有RS210等。濾波電路的作用是將脈動(dòng)直流中的紋波濾除獲得紋波小的直流，常見的有濾波、濾波、型濾波等電路，常選用的是濾波電路。其中各參量的關(guān)系為 (2.8) 式中，為變壓器的變比。 i1UnU2(1.1U 11.2)U第42頁(yè)/共55頁(yè)電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) 每只二極管或橋堆所承受的最大反向電壓為 (2.9) 對(duì)于橋式整流電路，每只二極管的平均電流為 (2.10) 濾波電路中，的選擇應(yīng)適應(yīng)下式，即放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足 (2.11) 式中，為輸入交流信號(hào)的周期；為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。 穩(wěn)壓電路的作用是將濾波電路輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出較穩(wěn)定的電壓。常見的穩(wěn)壓電路有三端穩(wěn)壓器、串聯(lián)式穩(wěn)壓電路等。RM12UU1D (A V )R0 .4 512UIIR(35)/ 2RCT第43頁(yè)/共55頁(yè)電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)2三端固定式正壓穩(wěn)壓器國(guó)內(nèi)外各廠家生產(chǎn)的三端（電壓輸入端、電壓輸出端和公共接地端）固定式正壓穩(wěn)壓器均命名為78系列，該系列穩(wěn)壓器有過流、過熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，以防過載而損壞。其中78后面的數(shù)字代表穩(wěn)壓器輸出的正電壓數(shù)值（一般有5 V, 6 V, 8 V, 9 V, 10 V, 12 V, 15 V, 18 V和24 V共9種輸出電壓），各廠家用78和電壓數(shù)字之間的字母來(lái)表示。插入L表示100 mA，M表示500 mA，如不插入字母則表示1.5 A。此外，78(L, M)XX的后面往往還附有表示輸出電壓容差和封裝外殼類型的字母。常見的封裝形式有TO-3金屬和TO-220的塑料封裝，金屬封裝形式的穩(wěn)壓器的輸出電流可以達(dá)到5 A。第44頁(yè)/共55頁(yè)電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)78系列三端固定式穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖2.10所示，只要把正輸入電壓加到MC7805的輸入端，MC7805的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓。在實(shí)際應(yīng)用電路中，芯片輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量濾波電容外，通常還需在芯片引出根部接小容量（0.110 F）電容, 到地。用于抑制芯片自激振蕩，用于壓窄芯片的高頻帶寬，減小高頻噪聲。和的具體取值應(yīng)隨芯片輸出電壓的高低及應(yīng)用電路的方式不同而異。 第45頁(yè)/共55頁(yè)電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) 圖2.10 78系列三端穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路第46頁(yè)/共55頁(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 在智能車競(jìng)賽中，智能車的速度較快，通常達(dá)到2 m/s以上，因此對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的要求較高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路必不可少。圖2.11是一個(gè)典型實(shí)用的簡(jiǎn)單直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路，功率管的選擇由電機(jī)的功率決定，其標(biāo)稱電流是電機(jī)正常工作時(shí)電流的35倍（電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候存在較大的浪涌電流）。PWM信號(hào)的占空比決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故電機(jī)的調(diào)速可通過改變PWM信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)。 直流電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制在很多場(chǎng)合會(huì)碰到。下面將介紹用功率管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的常用兩種方法。第47頁(yè)/共55頁(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖2.11 直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路第48頁(yè)/共55頁(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖2.12 功率管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)第49頁(yè)/共55頁(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2.12所示電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由I/O1和I/O2的電平來(lái)決定。當(dāng)I/O1和I/O2為00時(shí)，VT1，VT2導(dǎo)通，VT3, VT4截止，加在電機(jī)兩端上的電壓差為0 V，電機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)I/O1和I/O2為01時(shí)，VT1, VT4導(dǎo)通，VT2, VT3截止；當(dāng)I/O1和I/O2為10時(shí)，VT1, VT4截止，VT2, VT3導(dǎo)通。這兩種情況流經(jīng)電機(jī)上的電流方向互為相反，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向也相反。當(dāng)I/O1和I/O2為11時(shí)，VT1, VT2截止，VT3, VT4導(dǎo)通，加在電機(jī)兩端上的電壓差為0 V，電機(jī)不轉(zhuǎn)。第50頁(yè)/共55頁(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)I/O1和I/O2懸空時(shí)，+5 V經(jīng)R1, TLP521的內(nèi)部發(fā)光二極管、LED1, R4, VT3形成零點(diǎn)幾毫安的電流，使VT3一定程度地導(dǎo)通，該電流使光耦TLP521輸出端微弱導(dǎo)通，從而拉低VT1基極點(diǎn)的電位，使VT1一定程度地導(dǎo)通；同理，VT2和VT4也一定程度地導(dǎo)通，從而+V電源經(jīng)過VT1, VT3和VT2, VT4短路到地，會(huì)損壞功率管，故I/O1和I/O2不允許懸空。R1和R8阻值的選擇原則是，使流經(jīng)發(fā)光二極管的電流為1015 mA；R3, R4, R5, R6的選擇原則是，能夠?yàn)楣β使芴峁┳銐虻尿?qū)動(dòng)電流；功率管的選擇由電機(jī)的工作電壓和工作電流決定，因電機(jī)啟動(dòng)瞬間存在浪涌電流，故功率管的電流限額應(yīng)是電機(jī)正常工作電流的45倍。第51頁(yè)/共55頁(yè)傳感器接口電路傳感器接口電路除了要正確選擇傳感器的類型外，還要設(shè)計(jì)最佳的接口電路。所謂接口電路，就是要把傳感器與后續(xù)的有關(guān)電路聯(lián)系起來(lái)的電路。接口電路的設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)問題：一個(gè)是傳感器的輸出與計(jì)算機(jī)的輸入匹配問題；另一個(gè)是選擇器件的問題。一般傳感器的輸出信號(hào)有三種形式：數(shù)字開關(guān)量、數(shù)字脈沖和模擬信號(hào)。（1）數(shù)字開關(guān)量信號(hào)分為電壓輸出型和觸點(diǎn)型。如果傳感器的輸出電壓信號(hào)為0 V或2 V，可以直接和控制裝置相連接，但是由于這種信號(hào)有抖動(dòng)，所以在與計(jì)算機(jī)連接時(shí)要采用消除抖動(dòng)電路。（2）數(shù)字脈沖電路用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后送入計(jì)算機(jī)，通過對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)來(lái)達(dá)到對(duì)信息的采集。一般計(jì)算機(jī)要對(duì)計(jì)數(shù)器擁有清零的功能，以便計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)。第52頁(yè)/共55頁(yè)傳感器接口電路傳感器接口電路（3）模擬信號(hào)比較復(fù)雜，由于模擬信號(hào)不能直接與控制器相連接，所以首先要通過適當(dāng)?shù)腁/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)楹线m的輸入電壓，必要時(shí)還要在A/D前面對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、分壓等，一般稱為信號(hào)的預(yù)處理。預(yù)處理后的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后和控制器直接連接，完成接口電路的設(shè)計(jì)。器件的選擇，要兼顧成本和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。傳感器信號(hào)要有比較好的降噪電路，一般減少噪聲的方法是：傳感器與預(yù)處理放大電路的接線要盡量短；傳感器信號(hào)接線要采用屏蔽線，外皮接地；放大電路的輸入和輸出之間盡量遠(yuǎn)；放大電路的增益不要太大，以免產(chǎn)生振蕩；放大電路要遠(yuǎn)離傳感器，以免產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)的干擾等。第53頁(yè)/共55頁(yè)思考題思考題 1請(qǐng)簡(jiǎn)述光電式傳感器的基本原理。 2圖像傳感器分為哪幾類？請(qǐng)簡(jiǎn)述攝像頭的工作原理。 3請(qǐng)說出制作測(cè)速傳感器的幾種方案，并對(duì)各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。 4利用78系列芯片設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電路，要求：輸入12 V，輸出5 V。 5利用MC33886設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，能控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)。第54頁(yè)/共55頁(yè)感謝您的觀看！第55頁(yè)/共55頁(yè)