智能车大赛数据

第 2章 智 能 汽 车 设 计 基 础 硬 件 从 外 观 上 看 ， 智 能 车 系 统 主 要 表 现 为 由 一 系列 的 硬 件 组 成 ， 包 括 组 成 车 体 的 底 盘 、 轮 胎 、 舵机 装 置 、 马 达 装 置 、 道 路 检 测 装 置 、 测 速 装 置 和控 制 电 路 板 等 。 本 章 主 要 介 绍 智 能 车 设 计 中 使 用到 的 传 感 器 （ 包 括 光 电 式 传 感 器 、 图 像 传 感 器 和测 速 传 感 器 等 ） 和 控 制 电 路 板 中 的 功 能 电 路 设 计 。 2.1 传 感 器 系 统1 2.2 电 路 设 计2 思 考 题3第 2章 智 能 汽 车 设 计 基 础 硬 件 2.1 传 感 器 系 统 在 工 程 上 ， 系 统 中 各 种 物 理 量 都 必 须 转 换 成一 定 规 格 的 信 号 （ 电 信 号 或 气 压 信 号 ） 才 能 被 检测 、 采 集 和 显 示 。 所 谓 传 感 器 ， 即 是 将 被 测 量 按照 一 定 的 物 理 或 化 学 原 理 转 换 成 某 种 规 定 的 输 出信 号 的 装 置 或 器 件 。 2.1 传 感 器 系 统通 常 ， 传 感 器 由 敏 感 元 件 和 转 换 元 件 组 成 。 敏 感 元 件能 够 随 着 被 测 量 的 变 化 而 引 起 某 种 易 被 测 量 的 信 号 的 变 化 ，而 转 换 元 件 则 将 敏 感 元 件 感 受 或 响 应 的 被 测 量 转 换 成 适 于 传输 或 测 量 的 电 信 号 部 分 ， 具 体 的 电 量 形 式 取 决 于 敏 感 元 件 的原 理 。 除 此 之 外 ， 由 于 转 换 元 件 的 输 出 信 号 一 般 都 很 微 弱 ，为 方 便 传 输 、 转 换 、 处 理 及 显 示 ， 通 常 有 信 号 调 理 转 换 电 路 、辅 助 电 路 等 ， 将 转 换 元 件 输 出 的 电 信 号 进 行 放 大 或 运 算 调 制 。因 此 ， 传 感 器 的 组 成 通 常 包 括 敏 感 元 件 、 转 换 元 件 、 信 号 调理 转 换 电 路 和 辅 助 电 路 ， 如 图 2.1所 示 。 随 着 半 导 体 器 件 与集 成 技 术 的 发 展 ， 传 感 器 的 信 号 调 理 转 换 电 路 与 敏 感 元 件 、转 换 元 件 等 一 起 集 成 在 同 一 芯 片 上 ， 安 装 在 传 感 器 的 壳 体 里 。 2.1 传 感 器 系 统图 2.1 传 感 器 组 成 方 框 图 图 2.1 传 感 器 组 成 方 框 图 2.1 传 感 器 系 统 智 能 汽 车 设 计 中 涉 及 到 的 传 感 器 主 要 有 三 种 ： 光 电 式 传 感器 、 图 像 传 感 器 和 测 速 传 感 器 。1 2.1.1 光 电 式 传 感 器 2 2.1.2 图 像 传 感 器 3 2.1.3 测 速 传 感 器 2.1.1 光 电 式 传 感 器 光 电 式 传 感 器 是 利 用 光 电 器 件 把 光 信号 转 换 成 电 信 号 的 装 置 。 光 电 式 传 感 器 工作 时 ， 先 将 被 测 量 转 换 为 光 量 的 变 化 ， 然后 通 过 光 电 器 件 再 把 光 量 的 变 化 转 换 为 相应 的 电 量 变 化 ， 从 而 实 现 非 电 量 的 测 量 。光 电 式 传 感 器 的 核 心 （ 敏 感 元 件 ） 是 光 电器 件 ， 光 电 器 件 的 基 础 是 光 电 效 应 。 2.1.1 光 电 式 传 感 器光 电 式 传 感 器 的 结 构 简 单 ， 响 应 速 度 快 ， 可 靠性 较 高 ， 能 实 现 参 数 的 非 接 触 测 量 ， 因 此 广 泛 地 应用 于 各 种 工 业 自 动 化 仪 表 中 。 光 电 式 传 感 器 可 用 来测 量 光 学 量 或 测 量 已 先 行 转 换 为 光 学 量 的 其 他 被 测量 ， 然 后 输 出 一 定 形 式 的 电 信 号 。 在 测 量 光 学 量 时 ，光 电 器 件 是 作 为 敏 感 元 件 使 用 ； 而 测 量 其 他 物 理 量时 ， 它 是 作 为 转 换 元 件 使 用 。 光 电 式 传 感 器 由 光 路及 电 路 两 大 部 分 组 成 ， 光 路 部 分 实 现 被 测 量 信 号 对光 量 的 控 制 和 调 制 ， 电 路 部 分 完 成 从 光 信 号 到 电 信号 的 转 换 。 图 2.2(a)所 示 为 测 量 光 量 时 的 组 成 框 图 ，图 2.2(b)所 示 为 测 量 其 他 物 理 量 时 的 组 成 框 图 。 2.1.1 光 电 式 传 感 器 图 2.2 光 电 式 传 感 器 的 基 本 组 成 2.1.1 光 电 式 传 感 器 1 光 电 管 的 结 构 与 工 作 原 理 光 电 管 有 真 空 光 电 管 和 充 气 光 电 管 两 类 ， 两 者 在 结 构 上比 较 相 似 ， 均 由 一 个 阴 极 和 一 个 阳 极 构 成 ， 并 且 密 封 在一 只 真 空 玻 璃 管 内 。 阴 极 装 在 玻 璃 管 内 壁 上 ， 其 上 涂 有光 电 发 射 材 料 。 阳 极 通 常 用 金 属 丝 弯 曲 成 矩 形 或 圆 形 ，置 于 玻 璃 管 的 中 央 。 当 光 照 在 阴 极 上 时 ， 中 央 阳 极 可 收集 从 阴 极 上 逸 出 的 电 子 ， 在 外 电 场 作 用 下 形 成 电 流 。 充气 光 电 管 的 灵 敏 度 好 ， 但 其 稳 定 性 较 差 、 惰 性 大 ， 容 易受 温 度 影 响 。 在 智 能 车 的 光 电 式 传 感 器 模 块 设 计 中 ， 由于 要 求 温 度 影 响 小 和 灵 敏 度 稳 定 ， 所 以 一 般 都 采 用 真 空式 光 电 管 。 2.1.1 光 电 式 传 感 器 2 主 要 性 能 光 电 器 件 的 性 能 主 要 由 伏 安 特 性 、 光 照 特 性 、 光 谱 特 性 、响 应 时 间 、 峰 值 探 测 率 和 温 度 特 性 来 描 述 。 其 中 ， 伏 安特 性 、 光 照 特 性 和 光 谱 特 性 是 选 择 光 电 器 件 的 主 要 指 标 。 （ 1） 光 电 管 的 伏 安 特 性 在 一 定 的 光 照 射 下 ， 对 光 电 器 件 的 阴 极 所 加 电 压 与 阳极 所 产 生 电 流 之 间 的 关 系 称 为 光 电 管 的 伏 安 特 性 。 它 是应 用 光 电 式 传 感 器 参 数 的 主 要 依 据 。 2.1.1 光 电 式 传 感 器 （ 2） 光 电 管 的 光 照 特 性 当 光 电 管 的 阳 极 和 阴 极 之 间 所 加 电 压 一 定 时 ， 光 通 量与 光 电 流 之 间 的 关 系 为 光 电 管 的 光 照 特 性 。 光 照 特 性 曲线 的 斜 率 （ 光 电 流 与 入 射 光 光 通 量 之 比 ） 称 为 光 电 管 的灵 敏 度 。 （ 3） 光 电 管 的 光 谱 特 性 一 般 对 于 光 电 阴 极 材 料 不 同 的 光 电 管 ， 它 们 有 不 同的 红 限 频 率 因 此 它 们 可 用 于 不 同 的 光 谱 范 围 。 除 此 之 外 ，即 使 照 射 在 阴 极 上 的 入 射 光 的 频 率 高 于 红 限 频 率 ， 并 且强 度 相 同 ， 随 着 入 射 光 频 率 的 不 同 ， 阴 极 发 射 的 光 电 子的 数 量 也 不 会 相 同 ， 即 同 一 光 电 管 对 于 不 同 频 率 的 光 的灵 敏 度 不 同 ， 这 就 是 光 电 管 的 光 谱 特 性 。 2.1.2 图 像 传 感 器图 像 传 感 器 在 智 能 车 设 计 中 非 常 常 见 。 智 能 车 路 径 识别 模 块 中 的 摄 像 头 的 重 要 组 成 部 分 就 是 图 像 传 感 器 。 图 像 传感 器 又 称 为 成 像 器 件 或 摄 像 器 件 ， 可 实 现 可 见 光 、 紫 外 线 、X射 线 、 近 红 外 光 等 的 探 测 ， 是 现 代 视 觉 信 息 获 取 的 一 种 基础 器 件 。 因 其 能 实 现 信 息 的 获 取 、 转 换 和 视 觉 功 能 的 扩 展（ 光 谱 拓 宽 、 灵 敏 度 范 围 扩 大 ） ， 能 给 出 直 观 、 真 实 、 多 层次 、 多 内 容 的 可 视 图 像 信 息 ， 图 像 传 感 器 在 现 代 科 学 技 术 中得 到 越 来 越 广 泛 的 应 用 。 2.1.2 图 像 传 感 器 1 CCD图 像 传 感 器 的 分 类 CCD图 像 传 感 器 从 结 构 上 可 以 分 为 两 类 ： 一 类 是用 于 获 取 线 图 像 的 ， 称 为 线 阵 CCD； 另 一 类 是 用 于 获取 面 图 像 的 ， 称 为 面 阵 CCD。 （ 1） 线 阵 CCD图 像 传 感 器 对 于 线 阵 CCD， 它 可 以 直 接 接 收 一 维 光 信 息 ， 而不 能 直 接 将 二 维 图 像 转 换 为 一 维 的 电 信 号 输 出 ， 为了 得 到 整 个 二 维 图 像 的 输 出 ， 就 必 须 用 行 扫 描 的 方法 来 实 现 。 2.1.2 图 像 传 感 器 （ 2） 面 阵 CCD图 像 传 感 器 面 阵 CCD图 像 传 感 器 的 感 光 单 元 呈 二 维 矩 阵 排 列 ，能 检 测 二 维 平 面 图 像 。 由 于 传 输 与 读 出 方 式 不 同 ，面 阵 图 像 传 感 器 有 许 多 类 型 ， 常 见 的 传 输 方 式 有 行传 输 、 帧 传 输 和 行 间 传 输 三 种 。 2 CCD图 像 传 感 器 的 特 性 参 数 CCD图 像 器 件 的 性 能 参 数 包 括 灵 敏 度 、 分 辨 率 、信 噪 比 、 光 谱 响 应 、 动 态 范 围 和 暗 电 流 等 ， CCD器 件性 能 的 优 劣 可 由 上 述 参 数 来 衡 量 。 2.1.2 图 像 传 感 器 （ 1） 光 电 转 换 特 性 CCD图 像 传 感 器 的 光 电 转 换 特 性 如 图 2.3所 示 。 图 中 x轴 表 示 曝 光 量 ， y轴 表 示 输 出 信 号 幅 值 ， QSAT表 示 饱 和 输出 电 荷 ， QDARK 表 示 暗 电 荷 输 出 ， ES表 示 饱 和 曝 光 量 。 图 2.3 CCD光 电 转 换 特 性 2.1.2 图 像 传 感 器 由 图 2.3可 以 看 出 ， 输 出 电 荷 与 曝 光 量 之 间 有 一 个 线 性 工作 区 域 ， 在 曝 光 量 不 饱 和 时 ， 输 出 电 荷 正 比 于 曝 光 量 ，当 曝 光 量 达 到 饱 和 曝 光 量 后 ， 输 出 电 荷 达 到 饱 和 值 ， 并不 随 曝 光 量 的 增 加 而 增 加 。 曝 光 量 等 于 光 强 乘 以 积 分 时间 ， 即 (2.1) 式 中 ， 为 光 强 ； 为 积 分 时 间 ， 即 起 始 脉 冲 的 周 期 。 暗 电 荷输 出 为 无 光 照 射 时 CCD的 输 出 电 荷 。 一 只 良 好 的 CCD传 感器 ， 应 具 有 低 的 暗 电 荷 输 出 。 intE HT 2.1.2 图 像 传 感 器 （ 2） 灵 敏 度 和 灵 敏 度 不 均 匀 性 CCD图 像 传 感 器 的 灵 敏 度 或 称 为 量 子 效 率 ， 标 志 着 器件 光 敏 区 的 光 电 转 换 效 率 ， 用 在 一 定 光 谱 范 围 内 单 位 曝光 量 下 器 件 输 出 的 电 流 或 电 压 表 示 。 实 际 上 ， 图 2.3中CCD光 电 转 换 特 性 曲 线 的 斜 率 就 是 器 件 的 灵 敏 度 ， 即 (2.2) 理 想 情 况 下 ， CCD器 件 受 均 匀 光 照 时 ， 输 出 信 号 幅 度完 全 一 样 。 实 际 上 ， 由 于 半 导 体 材 料 不 均 匀 和 工 艺 条 件因 素 影 响 ， 在 均 匀 光 照 下 ， CCD器 件 的 输 出 幅 度 出 现 不 均匀 现 象 。 SAT s/S Q E 2.1.2 图 像 传 感 器 （ 3） 分 辨 率 分 辨 率 是 用 来 表 示 分 辨 图 像 中 明 细 细 节 的 能 力 的 。 它通 常 有 两 种 不 同 的 表 示 方 式 ： 极 限 分 辨 率 。 一 黑 一 白 两 个 线 条 称 为 一 个 “ 线 对 ” ，透 过 对 应 光 的 亮 度 为 一 明 一 暗 。 而 极 限 分 辨 率 是 指 人 眼能 够 分 辨 的 最 细 线 条 数 ， 通 常 用 每 毫 米 线 对 数 （ 1 P/mm）来 表 示 。 调 制 传 递 函 数 。 每 毫 米 长 度 上 所 包 含 的 线 对 数 称 为 空间 频 率 ， 其 单 位 是 1 P/mm。 设 调 幅 波 信 号 的 最 大 值 为 最 小 值 为 ， 平 均 值 为 ， 振 幅 为 ， 如 图 2.4所 示 ，定 义 调 制 度 M 为 maxAminA 0A mA 2.1.2 图 像 传 感 器max minmax minA AM A A (2.4) 图 2.4 调 制 度 的 定 义 2.1.2 图 像 传 感 器 调 幅 波 信 号 通 过 器 件 传 递 输 出 后 ， 通 常 调 制 度 受 到 的损 失 减 小 。 一 般 来 说 ， 调 制 度 随 空 间 频 率 增 加 而 减 小 。为 了 客 观 地 表 示 CCD传 感 器 的 分 辨 率 ， 一 般 采 用 调 制 传 递函 数 （ Modulation Transfer Function, MTF） 来 表 示 。MTF的 定 义 为 ： 在 各 个 空 间 频 率 下 ， CCD器 件 的 输 出 信 号的 调 制 度 与 输 入 信 号 的 调 制 度 的 比 值 ， 即 (2.5) 式 中 ， 为 空 间 频 率 。 outin ( )MTF( ) ( )M vv M vv 2.1.2 图 像 传 感 器 MTF能 够 客 观 地 反 映 CCD器 件 对 于 不 同 频 率 的 目 标 成 像的 清 晰 程 度 。 随 着 空 间 频 率 的 增 加 ， MTF值 减 小 。 当 MTF减 小 到 某 一 值 时 ， 图 像 就 不 能 够 清 晰 分 辨 ， 该 值 对 应 的空 间 频 率 为 图 像 传 感 器 能 分 辨 的 最 高 空 间 频 率 。 （ 4） CCD的 噪 声 CCD的 噪 声 源 可 归 纳 为 三 类 ： 散 粒 噪 声 、 暗 电 流 噪 声和 转 移 噪 声 。 散 粒 噪 声 光 注 入 光 敏 区 产 生 信 号 电 荷 的 过 程 可 以 看 成 是 独 立 、均 匀 连 续 发 生 的 随 机 过 程 。 单 位 时 间 内 光 产 生 的 信 号 电荷 数 并 非 绝 对 不 变 ， 而 是 在 一 个 平 均 值 上 作 微 小 波 动 ，这 一 微 小 波 动 的 起 伏 便 形 成 散 粒 噪 声 ， 又 称 为 白 噪 声 。 2.1.2 图 像 传 感 器 暗 电 流 噪 声 暗 电 流 噪 声 可 以 分 为 两 部 分 ： 其 一 是 耗 尽 层 热 激 发 产 生的 ， 可 用 泊 松 分 布 描 述 ； 其 二 是 复 合 产 生 中 心 非 均 匀 分 布 ，特 别 是 在 某 些 单 元 位 置 上 形 成 暗 电 流 尖 峰 。 由 于 器 件 工 作时 各 个 信 号 电 荷 包 的 积 分 地 点 不 同 ， 读 出 路 径 也 不 同 ， 这些 尖 峰 对 各 个 电 荷 包 贡 献 的 电 荷 量 不 等 ， 于 是 形 成 很 大 的背 景 起 伏 ， 这 就 是 常 称 的 固 定 图 像 噪 声 的 起 因 。 转 移 噪 声 转 移 噪 声 产 生 的 主 要 原 因 有 ： 转 移 损 失 引 起 的 噪 声 、 界面 态 俘 获 引 起 的 噪 声 和 体 态 俘 获 引 起 的 噪 声 。 输 出 结 构 采用 浮 置 栅 放 大 器 ， 噪 声 最 小 。 2.1.2 图 像 传 感 器 3 摄 像 头 的 工 作 原 理 摄 像 头 以 隔 行 扫 描 的 方 式 采 样 图 像 ， 当 扫 描 到 某 点 时 ，就 通 过 图 像 传 感 芯 片 将 该 点 处 图 像 的 灰 度 转 换 成 与 灰 度对 应 的 电 压 值 ， 然 后 将 此 电 压 值 通 过 视 频 信 号 端 输 出 。具 体 而 言 （ 参 见 图 2.5） ， 摄 像 头 连 续 地 扫 描 图 像 上 的 一行 ， 就 输 出 一 段 连 续 的 视 频 信 号 ， 该 电 压 信 号 的 高 低 起伏 正 反 映 了 该 行 图 像 的 灰 度 变 化 情 况 。 当 扫 描 完 一 行 ，视 频 信 号 端 就 输 出 一 个 低 于 最 低 视 频 信 号 电 压 的 电 平（ 如 0.3 V） ， 并 保 持 一 段 时 间 。 这 样 相 当 于 紧 接 着 每 行图 像 对 应 的 电 压 信 号 之 后 会 有 一 个 电 压 “ 凹 槽 ” ， 此“ 凹 槽 ” 叫 做 行 同 步 脉 冲 ， 它 是 扫 描 换 行 的 标 志 。 2.1.2 图 像 传 感 器 然 后 扫 描 新 的 一 行 ， 如 此 下 去 ， 直 到 扫 描 完 该 场 的 信 号 ，接 着 会 出 现 一 段 场 消 隐 信 号 。 其 中 有 若 干 个 复 合 消 隐 脉冲 （ 简 称 消 隐 脉 冲 ） ， 在 这 些 消 隐 脉 冲 中 ， 有 一 个 消 隐脉 冲 远 宽 于 其 他 的 消 隐 脉 冲 （ 即 该 消 隐 脉 冲 的 持 续 时 间远 长 于 其 他 的 消 隐 脉 冲 的 持 续 时 间 ） ， 该 消 隐 脉 冲 又 称为 场 同 步 脉 冲 ， 标 志 着 新 的 一 场 的 到 来 。 摄 像 头 每 秒 扫描 25帧 图 像 ， 每 帧 又 分 奇 、 偶 两 场 ， 故 每 秒 扫 描 50场 图像 。 2.1.2 图 像 传 感 器图 2.5 摄 像 头 视 频 信 号 2.1.2 图 像 传 感 器通 常 ， 摄 像 头 产 品 说 明 上 会 给 出 有 效 像 素 和 分辨 率 ， 但 通 常 不 会 具 体 介 绍 视 频 信 号 行 的 持 续 时 间 、行 消 隐 脉 冲 的 持 续 时 间 等 参 数 ， 而 这 些 参 数 又 关 系到 图 像 采 样 的 时 序 控 制 。 因 此 需 要 设 计 软 、 硬 件 方法 对 这 些 参 数 进 行 实 际 测 量 。 表 2.1给 出 了 常 见 的1/3 OmniVision CMOS摄 像 头 的 时 序 参 数 ， 以 供 参考 。 2.1.2 图 像 传 感 器 表 2.1 常 见 的 1/3 OmniVision CMOS摄 像 头 的 时 序 参 数 2.1.3 测 速 传 感 器 在 智 能 汽 车 设 计 中 ， 测 速 传 感 器 的 设 计 主 要 有 两 种 方案 ： 霍 尔 传 感 器 和 光 电 式 脉 冲 编 码 器 。 1 霍 尔 传 感 器 霍 尔 传 感 器 是 基 于 霍 尔 效 应 原 理 ， 将 电 流 、 磁 场 、 位移 、 压 力 、 压 差 转 速 等 被 测 量 转 换 成 电 动 势 输 出 的 一 种传 感 器 。 虽 然 转 换 率 低 、 温 度 影 响 大 、 要 求 转 换 精 度 较高 时 必 须 进 行 温 度 补 偿 ， 但 霍 尔 传 感 器 具 有 结 构 简 单 、体 积 小 、 坚 固 、 频 率 响 应 宽 （ 从 直 流 到 微 波 ） 、 动 态 范围 （ 输 出 电 动 势 的 变 化 ） 大 、 无 触 点 、 寿 命 长 、 可 靠 性高 ， 以 及 易 于 微 型 化 和 集 成 电 路 化 等 优 点 。 2.1.3 测 速 传 感 器 （ 1） 霍 尔 效 应 原 理 金 属 或 半 导 体 薄 片 置 于 磁 场 中 ， 当 有 电 流 流 过 时 ， 在垂 直 于 电 流 和 磁 场 的 方 向 上 将 产 生 电 动 势 ， 这 种 物 理 现象 称 为 霍 尔 效 应 。 如 图 2.6所 示 ， 假 设 薄 片 为 型 半 导 体 ，磁 场 方 向 垂 直 于 薄 片 ， 磁 感 应 强 度 为 。 在 薄 片 左 右 两 端通 以 电 流 （ 称 为 控 制 电 流 ） ， 那 么 半 导 体 中 的 截 流 子（ 电 子 ） 将 沿 着 与 电 流 的 相 反 方 向 运 动 。 由 于 外 磁 场 的作 用 ， 使 电 子 受 到 磁 场 力 （ 洛 仑 兹 力 ） 作 用 而 发 生 偏 转 ，结 果 在 半 导 体 的 后 端 面 上 电 子 有 所 积 累 而 带 负 电 ， 前 端面 则 因 缺 少 电 子 而 带 正 电 ， 在 前 后 两 个 端 面 之 间 形 成 电场 。 2.1.3 测 速 传 感 器 图 2.6 霍 尔 效 应 原 理 图 2.1.3 测 速 传 感 器 这 时 ， 在 半 导 体 前 后 两 个 端 面 之 间 （ 即 垂 直 于 电 流 和磁 场 的 方 向 ） 建 立 的 电 场 称 为 霍 尔 电 场 ， 相 应 的 电 势 就称 为 霍 尔 电 势 。 利 用 霍 尔 效 应 制 成 的 传 感 元 件 称 为 霍尔 传 感 器 ， 的 大 小 正 比 于 控 制 电 流 和 磁 感 应 强 度 ， 即 (2.6) 式 中 ， 为 霍 尔 系 数 ， ， 其 中 为 载 流 体 的 电 阻率 ； 为 载 流 子 的 迁 移 率 ； 为 灵 敏 度 ， 。 若 磁 场 方 向 与 元 件 平 面 成 角 度 时 ， 则 作 用 在 元 件 上 的 有效 磁 场 是 其 法 线 方 向 的 分 量 ， 即 ， 则 有 (2.7)HU HH HR IBU K IBd HU HR HR HK H H /K R d cosB H H cosU K lB 2.1.3 测 速 传 感 器 由 式 (2.6)和 式 (2.7)可 以 看 出 ， 霍 尔 电 势 的 大 小正 比 于 控 制 电 流 和 磁 感 应 强 度 ， 灵 敏 度 表 示 在 单位 磁 感 应 强 度 和 单 位 控 制 电 流 时 输 出 霍 尔 电 势 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 尔 元 件 的 厚 度 都 很 薄 。 当 载 流 电 流 材 料 和 几 何 尺 寸确 定 后 ， 霍 尔 电 势 的 大 小 只 和 控 制 电 流 I和 磁 感 应 强 度 B有 关 ， 因 此 霍 尔 式 传 感 器 可 用 来 探 测 磁 场 和 电 流 ， 由 此可 测 量 压 力 、 振 动 等 。 HUI B HKHK 2.1.3 测 速 传 感 器 （ 2） 霍 尔 元 件 的 基 本 结 构 霍 尔 元 件 的 结 构 很 简 单 ， 由 霍 尔 片 、 四 根 引 线 和 壳 体组 成 。 霍 尔 片 是 一 块 矩 形 半 导 体 单 晶 薄 片 ， 从 中 引 出 四根 引 线 ， 其 中 两 根 引 线 上 施 加 激 励 电 压 或 电 流 ， 称 为 激励 电 极 （ 控 制 电 极 ） ， 另 外 两 根 引 线 称 为 霍 尔 输 出 引 线 ，又 称 为 霍 尔 电 极 。 霍 尔 元 件 的 壳 体 是 用 非 导 磁 金 属 、 陶瓷 或 环 氧 树 脂 封 装 的 。 （ 3） 霍 尔 式 转 速 传 感 器 的 结 构 图 2.7是 三 种 不 同 结 构 的 霍 尔 式 转 速 传 感 器 。 转 盘 的输 入 轴 与 被 测 转 轴 相 连 ， 当 被 测 转 轴 转 动 时 ， 转 盘 随 之转 动 ， 固 定 在 转 盘 附 近 的 霍 尔 传 感 器 便 可 在 每 一 个 小 磁铁 通 过 时 产 生 一 个 相 应 的 脉 冲 ， 检 测 出 单 位 时 间 的 脉 冲数 ， 便 可 知 被 测 转 速 。 根 据 磁 性 转 盘 上 小 磁 铁 数 目 多 少 ，就 可 以 确 定 传 感 器 测 量 转 速 的 分 辨 率 。 2.1.3 测 速 传 感 器图 2.7 三 种 不 同 结 构 的 霍 尔 式 转 速 传 感 器 图 2.7 三 种 不 同 结 构 的 霍 尔 式 转 速 传 感 器 2.1.3 测 速 传 感 器 2 光 电 式 脉 冲 编 码 器 光 电 式 脉 冲 编 码 器 可 将 机 械 位 移 、 转 角 或 速 度 变 化 转换 成 电 脉 冲 输 出 ， 是 精 密 数 控 采 用 的 检 测 传 感 器 。 光 电编 码 器 的 最 大 特 点 是 非 接 触 式 ， 此 外 还 具 有 精 度 高 、 响应 快 、 可 靠 性 高 等 特 点 。 光 电 编 码 器 采 用 光 电 方 法 ， 将 转 角 和 位 移 转 换 为 各 种代 码 形 式 的 数 字 脉 冲 ， 如 图 2.8所 示 光 电 式 脉 冲 编 码 器 ，在 发 光 元 件 和 光 电 接 收 元 件 中 间 ， 有 一 个 直 接 装 在 旋 转轴 上 的 具 有 相 当 数 量 的 透 光 扇 形 区 的 编 码 盘 ， 在 光 源 经光 学 系 统 形 成 一 束 平 行 光 投 在 透 光 和 不 透 光 区 的 码 盘 上时 ， 转 动 码 盘 ， 在 码 盘 的 另 一 侧 就 形 成 光 脉 冲 ， 脉 冲 光照 射 在 光 电 元 件 上 就 产 生 与 之 对 应 的 电 脉 冲 信 号 。 2.1.3 测 速 传 感 器 图 2.8 光 电 式 脉 冲 编 码 器 结 构 2.1.3 测 速 传 感 器光 电 编 码 器 的 精 度 和 分 辨 率 取 决 于 光 电 码 盘 的精 度 和 分 辨 率 ， 取 决 于 刻 线 数 。 目 前 ， 已 能 生 产 径向 线 宽 为 6.7 10-8 rad的 码 盘 ， 其 精 度 达 1 10-8，比 接 触 式 的 码 盘 编 码 器 的 精 度 要 高 很 多 个 数 量 级 。如 进 一 步 采 用 光 学 分 解 技 术 ， 可 获 得 更 多 位 的 光 电编 码 器 。光 电 编 码 器 按 其 结 构 的 转 动 方 式 可 分 为 直 线 型的 线 性 编 码 器 和 转 角 型 的 轴 角 编 码 器 两 种 类 型 ， 按脉 冲 信 号 的 性 质 可 分 为 有 增 量 式 和 绝 对 式 两 种 类 型 。 2.1.3 测 速 传 感 器增 量 式 编 码 器 码 盘 图 案 和 光 脉 冲 信 号 均 匀 ， 可将 任 意 位 置 为 基 准 点 ， 从 该 点 开 始 按 一 定 量 化 单 位检 测 。 该 方 案 无 确 定 的 对 应 测 量 点 ， 一 旦 停 电 则 失掉 当 前 位 置 ， 且 速 度 不 可 超 越 计 数 器 极 限 相 应 速 度 ，此 外 由 于 噪 声 影 响 可 能 造 成 计 数 积 累 误 差 。 该 方 案的 优 点 是 其 零 点 可 任 意 预 置 ， 且 测 量 速 度 仅 受 计 数器 容 量 限 制 。 2.1.3 测 速 传 感 器绝 对 式 编 码 器 的 码 盘 图 案 不 均 匀 ， 编 码 器 的 码盘 与 码 道 位 数 相 等 ， 在 相 应 位 置 可 输 出 对 应 的 数 字码 。 其 优 点 是 坐 标 固 定 ， 与 测 量 以 前 状 态 无 关 ， 抗干 扰 能 力 强 ， 无 累 积 误 差 ， 具 有 断 电 位 置 保 持 ， 不读 数 时 移 动 速 度 可 超 越 极 限 相 应 速 度 ， 不 需 方 向 判别 和 可 逆 计 数 ， 信 号 并 行 传 送 等 ； 其 缺 点 是 结 构 复杂 、 价 格 高 。 要 想 提 高 光 电 编 码 器 的 分 辨 率 ， 需 要提 高 码 道 数 目 或 者 使 用 减 速 齿 轮 机 构 组 成 双 码 盘 机构 ， 将 任 意 位 置 取 作 零 位 时 需 进 行 一 定 的 运 算 。 2.2 电 路 设 计 1 2.2.1 电 源 系 统 2 2.2.2 电 机 驱 动 电 路 3 2.2.3 传 感 器 接 口 电 路 2.2.1 电 源 系 统 在 智 能 车 设 计 中 ， 电 源 关 系 到 整 个 电 路 设 计 的 稳 定性 和 可 靠 性 ， 是 电 路 设 计 中 非 常 关 键 的 一 个 环 节 。 本 节将 介 绍 直 流 稳 压 电 源 的 基 本 原 理 和 三 端 固 定 式 正 压 集 成稳 压 器 的 典 型 电 路 设 计 。 1 直 流 稳 压 电 源 的 基 本 原 理 直 流 稳 压 电 源 电 路 一 般 由 电 源 变 压 器 、 整 流 滤 波 器 电路 及 稳 压 电 路 组 成 ， 如 图 2.9所 示 。 图 2.9 直 流 稳 压 电 源 电 路 2.2.1 电 源 系 统 电 源 变 压 器 的 作 用 是 将 220 V的 交 流 电 压 变 成 整 流 电路 所 需 要 低 压 的 交 流 电 压 。 整 流 电 路 的 作 用 是 将 交 流 电压 变 换 成 脉 动 的 直 流 电 压 ， 它 主 要 有 半 波 整 流 和 全 波 整流 等 方 式 ， 通 常 由 整 流 二 极 管 构 成 的 整 流 桥 堆 来 执 行 。常 见 的 整 流 二 极 管 有 1N4007和 1N5148等 ， 桥 堆 有 RS210等 。滤 波 电 路 的 作 用 是 将 脉 动 直 流 中 的 纹 波 滤 除 获 得 纹 波 小的 直 流 ， 常 见 的 有 滤 波 、 滤 波 、 型 滤 波 等 电 路 ， 常 选用 的 是 滤 波 电 路 。 其 中 各 参 量 的 关 系 为 (2.8) 式 中 ， 为 变 压 器 的 变 比 。 i 1U nU2 (1.1U 11.2)U 2.2.1 电 源 系 统 每 只 二 极 管 或 桥 堆 所 承 受 的 最 大 反 向 电 压 为 (2.9) 对 于 桥 式 整 流 电 路 ， 每 只 二 极 管 的 平 均 电 流 为 (2.10) 滤 波 电 路 中 ， 的 选 择 应 适 应 下 式 ， 即 放 电 时 间 常 数 应 满 足 (2.11) 式 中 ， 为 输 入 交 流 信 号 的 周 期 ； 为 整 流 滤 波 电 路 的 等 效 负载 电 阻 。 稳 压 电 路 的 作 用 是 将 滤 波 电 路 输 出 电 压 进 行 稳 压 ， 输出 较 稳 定 的 电 压 。 常 见 的 稳 压 电 路 有 三 端 稳 压 器 、 串 联式 稳 压 电 路 等 。 RM 12U U 1D (A V ) R 0.4512 UI I R (3 5) / 2RC T 2.2.1 电 源 系 统2 三 端 固 定 式 正 压 稳 压 器国 内 外 各 厂 家 生 产 的 三 端 （ 电 压 输 入 端 、 电 压 输 出 端和 公 共 接 地 端 ） 固 定 式 正 压 稳 压 器 均 命 名 为 78系 列 ， 该 系 列稳 压 器 有 过 流 、 过 热 和 调 整 管 安 全 工 作 区 保 护 ， 以 防 过 载 而损 坏 。 其 中 78后 面 的 数 字 代 表 稳 压 器 输 出 的 正 电 压 数 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种 输 出 电 压 ） ， 各 厂 家 用 78和 电 压 数 字 之 间 的 字 母 来 表示 。 插 入 L表 示 100 mA， M表 示 500 mA， 如 不 插 入 字 母 则 表 示1.5 A。 此 外 ， 78(L, M)XX的 后 面 往 往 还 附 有 表 示 输 出 电 压容 差 和 封 装 外 壳 类 型 的 字 母 。 常 见 的 封 装 形 式 有 TO-3金 属 和TO-220的 塑 料 封 装 ， 金 属 封 装 形 式 的 稳 压 器 的 输 出 电 流 可 以达 到 5 A。 2.2.1 电 源 系 统78系 列 三 端 固 定 式 稳 压 器 的 基 本 应 用 电 路 如 图 2.10所示 ， 只 要 把 正 输 入 电 压 加 到 MC7805的 输 入 端 ， MC7805的 公 共端 接 地 ， 其 输 出 端 便 能 输 出 芯 片 标 称 正 电 压 。 在 实 际 应 用 电路 中 ， 芯 片 输 入 端 和 输 出 端 与 地 之 间 除 分 别 接 大 容 量 滤 波 电容 外 ， 通 常 还 需 在 芯 片 引 出 根 部 接 小 容 量 （ 0.1 10 F）电 容 , 到 地 。 用 于 抑 制 芯 片 自 激 振 荡 ， 用 于 压 窄 芯 片 的 高 频带 宽 ， 减 小 高 频 噪 声 。 和 的 具 体 取 值 应 随 芯 片 输 出 电 压 的 高低 及 应 用 电 路 的 方 式 不 同 而 异 。 2.2.1 电 源 系 统 图 2.10 78系 列 三 端 稳 压 器 基 本 应 用 电 路 2.2.2 电 机 驱 动 电 路 在 智 能 车 竞 赛 中 ， 智 能 车 的 速 度 较 快 ， 通 常 达 到 2 m/s以 上 ， 因 此 对 电 机 驱 动 电 流 的 要 求 较 高 ， 电 机 驱 动 电路 必 不 可 少 。 图 2.11是 一 个 典 型 实 用 的 简 单 直 流 电 机 调速 驱 动 电 路 ， 功 率 管 的 选 择 由 电 机 的 功 率 决 定 ， 其 标 称电 流 是 电 机 正 常 工 作 时 电 流 的 3 5倍 （ 电 机 启 动 的 时 候存 在 较 大 的 浪 涌 电 流 ） 。 PWM信 号 的 占 空 比 决 定 电 机 的 转速 ， 故 电 机 的 调 速 可 通 过 改 变 PWM信 号 的 占 空 比 实 现 。 直 流 电 动 机 正 、 反 转 控 制 在 很 多 场 合 会 碰 到 。 下 面 将介 绍 用 功 率 管 驱 动 直 流 电 机 正 、 反 转 的 常 用 两 种 方 法 。 2.2.2 电 机 驱 动 电 路 图 2.11 直 流 电 机 调 速 驱 动 电 路 2.2.2 电 机 驱 动 电 路 图 2.12 功 率 管 驱 动 直 流 电 机 正 、 反 转 2.2.2 电 机 驱 动 电 路如 图 2.12所 示 电 路 中 电 机 的 转 动 方 向 由 I/O1和 I/O2的 电 平 来 决 定 。 当 I/O1和 I/O2为 00时 ，VT1， VT2导 通 ， VT3, VT4截 止 ， 加 在 电 机 两 端 上的 电 压 差 为 0 V， 电 机 不 转 。 当 I/O1和 I/O2为 01时 ， VT1, VT4导 通 ， VT2, VT3截 止 ； 当 I/O1和I/O2为 10时 ， VT1, VT4截 止 ， VT2, VT3导 通 。 这两 种 情 况 流 经 电 机 上 的 电 流 方 向 互 为 相 反 ， 电 机转 动 方 向 也 相 反 。 当 I/O1和 I/O2为 11时 ， VT1, VT2截 止 ， VT3, VT4导 通 ， 加 在 电 机 两 端 上 的 电 压差 为 0 V， 电 机 不 转 。 2.2.2 电 机 驱 动 电 路当 I/O1和 I/O2悬 空 时 ， +5 V经 R1, TLP521的 内 部 发光 二 极 管 、 LED1, R4, VT3形 成 零 点 几 毫 安 的 电 流 ， 使VT3一 定 程 度 地 导 通 ， 该 电 流 使 光 耦 TLP521输 出 端 微 弱 导通 ， 从 而 拉 低 VT1基 极 点 的 电 位 ， 使 VT1一 定 程 度 地 导 通 ；同 理 ， VT2和 VT4也 一 定 程 度 地 导 通 ， 从 而 +V电 源 经 过 VT1, VT3和 VT2, VT4短 路 到 地 ， 会 损 坏 功 率 管 ， 故 I/O1和 I/O2不 允 许 悬 空 。 R1和 R8阻 值 的 选 择 原 则 是 ， 使 流 经 发 光 二极 管 的 电 流 为 10 15 mA； R3, R4, R5, R6的 选 择 原 则 是 ，能 够 为 功 率 管 提 供 足 够 的 驱 动 电 流 ； 功 率 管 的 选 择 由 电 机的 工 作 电 压 和 工 作 电 流 决 定 ， 因 电 机 启 动 瞬 间 存 在 浪 涌 电流 ， 故 功 率 管 的 电 流 限 额 应 是 电 机 正 常 工 作 电 流 的 4 5倍 。 2.2.3 传 感 器 接 口 电 路除 了 要 正 确 选 择 传 感 器 的 类 型 外 ， 还 要 设 计 最 佳 的 接口 电 路 。 所 谓 接 口 电 路 ， 就 是 要 把 传 感 器 与 后 续 的 有 关 电路 联 系 起 来 的 电 路 。 接 口 电 路 的 设 计 需 要 考 虑 两 个 问 题 ：一 个 是 传 感 器 的 输 出 与 计 算 机 的 输 入 匹 配 问 题 ； 另 一 个 是选 择 器 件 的 问 题 。 一 般 传 感 器 的 输 出 信 号 有 三 种 形 式 ： 数字 开 关 量 、 数 字 脉 冲 和 模 拟 信 号 。（ 1） 数 字 开 关 量 信 号 分 为 电 压 输 出 型 和 触 点 型 。 如果 传 感 器 的 输 出 电 压 信 号 为 0 V或 2 V， 可 以 直 接 和 控 制 装置 相 连 接 ， 但 是 由 于 这 种 信 号 有 抖 动 ， 所 以 在 与 计 算 机 连接 时 要 采 用 消 除 抖 动 电 路 。（ 2） 数 字 脉 冲 电 路 用 计 数 器 计 数 后 送 入 计 算 机 ， 通过 对 脉 冲 的 计 数 来 达 到 对 信 息 的 采 集 。 一 般 计 算 机 要 对 计数 器 拥 有 清 零 的 功 能 ， 以 便 计 数 器 重 新 计 数 。 2.2.3 传 感 器 接 口 电 路（ 3） 模 拟 信 号 比 较 复 杂 ， 由 于 模 拟 信 号 不 能 直 接 与控 制 器 相 连 接 ， 所 以 首 先 要 通 过 适 当 的 A/D转 换 器 变 为 合适 的 输 入 电 压 ， 必 要 时 还 要 在 A/D前 面 对 信 号 进 行 放 大 、分 压 等 ， 一 般 称 为 信 号 的 预 处 理 。 预 处 理 后 的 信 号 经 过A/D转 换 器 后 和 控 制 器 直 接 连 接 ， 完 成 接 口 电 路 的 设 计 。器 件 的 选 择 ， 要 兼 顾 成 本 和 技 术 指 标 进 行 综 合 考 虑 。传 感 器 信 号 要 有 比 较 好 的 降 噪 电 路 ， 一 般 减 少 噪 声 的 方 法是 ： 传 感 器 与 预 处 理 放 大 电 路 的 接 线 要 尽 量 短 ； 传 感 器 信号 接 线 要 采 用 屏 蔽 线 ， 外 皮 接 地 ； 放 大 电 路 的 输 入 和 输 出之 间 尽 量 远 ； 放 大 电 路 的 增 益 不 要 太 大 ， 以 免 产 生 振 荡 ；放 大 电 路 要 远 离 传 感 器 ， 以 免 产 生 电 场 和 磁 场 的 干 扰 等 。 思 考 题 1 请 简 述 光 电 式 传 感 器 的 基 本 原 理 。 2 图 像 传 感 器 分 为 哪 几 类 ？ 请 简 述 摄 像 头 的 工作 原 理 。 3 请 说 出 制 作 测 速 传 感 器 的 几 种 方 案 ， 并 对 各种 方 案 的 优 缺 点 进 行 比 较 。 4 利 用 78系 列 芯 片 设 计 一 个 直 流 稳 压 电 路 ， 要求 ： 输 入 12 V， 输 出 5 V。 5 利 用 MC33886设 计 一 个 直 流 电 机 驱 动 电 路 ， 能控 制 电 机 正 、 反 转 。