智能汽车设计基础硬件.ppt

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1、武汉科技大学信息科学与工程学院* 第2章 智能汽车设计基础-硬件 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1 传感器系统 在工程上，系统中各种物理量都必须

2、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

3、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.1 光电式传

4、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

5、，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 。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.1 光电式传感器 图2.2 光电式传感器的基本组成 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

6、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

7、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

8、电管的光谱特性。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.2 图像传感器 1CCD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

9、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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。 2CCD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

10、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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”

11、，此“凹槽”叫做行同步脉冲， 它是扫描换行的标志。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.2 图像传感器 图2.5 摄像头视频信号 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.2

12、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

13、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

14、。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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.3 测速传感器 图2.6 霍尔效应原理图 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

15、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) 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

16、器可用来探测磁场和电流，由此可测量压力、振动等 。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

17、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

18、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.3 测速传感器 图2.8 光电式脉冲编码器结构 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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6.710-8 rad的码盘，其精度达110-8 ，比接触式的码盘编码器的精度要高很多个数

19、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 。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.1.3 测速传

20、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.2.

21、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 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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1

22、N4007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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

23、稳压器、串 联式稳压电路等。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

24、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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（0.110 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

25、及应用电路的方式不同而异。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.2.1 电源系统 图2.10 78系列三端稳压器基本应用电路 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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35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

26、绍用功率管驱动直流电机正、反转的常用两种方法 。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.2.2 电机驱动电路 图2.11 直流电机调速驱动电路 武汉科技大学信息科学与工程学院* 2.2.2 电机驱动电路 图2.12 功率管驱动直流电机正、反转 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

27、，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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

28、, 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1015 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45倍。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

29、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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

30、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。 武汉科技大学信息科学与工程学院* 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。