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1、 湖南大学毕业设计(论文) 第 44页1绪论1.1课题研究背景及目的“飞思卡尔杯”智能车大赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。飞思卡尔智能车大赛于2006年这中国首次举办，至今已经举办了五届。如图1.1是一参赛车图例。图1.1飞思卡尔智能车大赛参赛车飞思卡尔智能车大赛设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识。其目的旨在对培养学生的知识融合和实践动手能力，以及发现问题分析问题解决问题的能力。大赛分为三个组别:电磁组、摄像头组、光电组。相对于摄像头组和光电组，电磁组
2、的赛道信号可以提供模拟信息的优势，利用这种优势通过设计合理的传感器布局方案、灵敏的信号检测电路，完善小车控制算法，可以达到很好的控制效果，进而使小车更好更快的跑完全程。电磁导引技术是最为传统导引方式之一，其基本原理是在导引车的行驶路径埋设金属导线并在金属导线上加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现导引。电磁导引的主要优点是引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠，便于控制和通讯，对声光无干扰，制造成本较低。因此该技术在日常生活和生产领域有着广泛的应用，例如基于电磁导引技术的喷雾机器人、自动运输车等被广泛的应用于农业工业领域。但是随着工业农业对自动导引车要求的提高，例如对控制精度以及导引车
3、响应速度要求的提高，仅仅依靠传统的技术已经不能满足生产生活的需要，因此如何对传统的技术进行优化并在此基础进行创新成为了一个新的课题。本设计正是以飞思卡尔全国智能车竞赛的电磁组的引导小车为平台，通过选择合适的磁场检测传感器，设计合理的传感器布局方案以及灵敏的检测电路来实现引导小车的寻迹，同时引导轨迹进行超前预测。1.2国内外发展现状和发展趋势1953年，美国Barrett Electric 公司制造了世界上第一台采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车，也被称为“无人驾驶牵引车”。在最近的10-16年里，各种新型AGV（Automatic Guided Vehicle）被广泛应用于各个领域。单元
4、式AGV主要用于短距离的物料运输并与自动化程度较高的加工设备组成柔性生产线。例如，自动导向叉车用于仓储货物的自动装卸和搬运，小型载货式AGV用于办公室信件的自动分发和电子行业的装配平台，如图2.2是基于电磁导引原来的自动叉车。除此之外，AGV还用于搬运体积和重量都很大的物品，尤其是在汽车制造过程中用多个载货平台式AGV组成一栋式输送线，构成整车柔性装配生产线。最近，小型AGV应用更为广泛，而且以长距离的路径规划为主。AGV从仅有大公司应用，正向小公司单台应用转变，而且其效率和效益更好。2.2基于电磁导引原理的自动叉车AGV最早运用的技术就是电磁导引技术，而在物流大型工矿企业的AGV目前也是电磁
5、导引技术应用最为广泛的领域。但是随着基于光学导引、激光导航、惯性导航、视觉导航、GPS导航为代表的AGV兴起，基于电磁导引的AGV的地位也受到了挑战。尽管电磁导引AGV具有原理简单可靠、便于控制通信、成本低等优点，但是在控制精度灵活度却不及惯性导航、视觉导航等类型AGV。因此如何提高电磁导引的灵活度及其精确度显得十分重要，而这也与本设计的目的所在。全国智能车大赛已经举行了五届，大赛小车分为三个组别：电磁组、摄像头组、光电组。其中电磁组是在第五届大赛上才被加进来的。尽管参与时间短，相关的技术研究的较少但是电磁组的小车却取得了不错的成绩，根据官方提供的数据，第五届全国智能车大赛光电组的最佳成绩是2
6、8秒、摄像头组的最佳成绩为25秒、电磁组的最佳成绩为27秒。相对于真个赛事最佳成绩电磁组小车仅落后了两分，但是不得不承认电磁组小车在前瞻预测相对于其他组别还有一定的差距，因此设计出优秀的传感器前瞻预测方案对于小车取得好的成绩至关重要，同时将这一前瞻方案应用于传统的AGV设计进而提高AGV的性能也是非常有意义的。众所周知随着汽车等交通工具的广泛应用，交通事故的发生次数也在逐年增加。而这其中有相当一部分是由于驾驶员长距离疲劳驾驶引起的,特别是对于长途客运及货运汽车的司机，因此研究如何运用电磁导引技术在司机疲劳时引导汽车自动安全行驶将是一件很有意义的事情。同时利用电磁导引技术做成巡线机器人对高压线路
7、进行检查，及早发现故障进而准备地排除故障保证线路的安全运行也是一件十分有意义的事情。1.3课题研究方法本课题结合电磁场相关的理论知识，并通过数值仿真详细分析了各种路况下磁场的分布情况。并总结出各个方向传感器在总体方案中应有的作用，进而选择出合适的传感器并设计出了传感器检测方案。通过查阅传感器检测电路资料，设计出合适的传感器检测电路，并结合往届智能车大赛技术文档，对自己已设计出的检测电路各个部分进行分析修正。最后通过相关的软件对完整的检测电路进行了仿真并得到了满意的结果。1.4论文构成及研究内容本文主要对智能车寻迹及其前瞻预测进行了研究，主要从传感器方案设计研究及检测电路的设计两个方面进行了分析
8、。各个章节安排如下：第一章阐述了课题的研究背景及目的，分析了相关的研究状况及发展趋势，同时对整体的设计思路进行了分析。第二章对磁场检测基本原理以及轨迹超前预测的基本原理进行了介绍。同时本章还对基于不同原理的检测方法进行了分析比较并确定了方案最终采用的检测方法。最后本章还确定了传感器选材。第三章详细分析了各个方向传感器所检测到的磁场的特点，总结出各个方向传感器在整个传感器摆放方案中的作用，并由此设计出传感器摆放方案。第四章主要是传感器检测电路的设计分析。包括选频部分、放大部分以及检波等部分的分析设计。并通过软件仿真对运算放大器的选择确定。2磁场检测和前瞻预测的基本原理及检测方法2.1磁场检测基本
9、原理2.1.1麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论是电磁场领域的经典理论，同时也是本设计电磁检测的理论基础，因此在对磁场检测基本原理分析之前有必要对麦克斯韦电磁场理论进行介绍。麦克斯韦电磁场理论的核心是四个方程即麦克斯韦方程组。下面对麦克斯韦方程组（积分形式）进行论述。电场的高斯定理：变化的磁场激发的涡旋电场是无源场，电位移线是连续的闭合曲线，其电位移对于任意闭合曲面的电位移通量为零，电荷激发有源电场，设为位移电流，则有。电场的环路定理：电荷所激发的电场是无旋的，其电力线不闭合，设其电场强度为E1，则E1沿任一闭合曲线的线积分为零，即。磁场的高斯定理:传导电流和位移电流都激发涡旋磁场，磁场是无
10、源场，其磁感应线是连续的闭合曲线，即有 。磁场的安培环路定理:传导电流和位移电流都激发涡旋磁场，其总磁场强度的环流为。在方程中麦克斯韦提出了涡旋电场的概念，揭示出变化的磁场可以在空间激发电场，并通过法拉第电磁感应定律得出了二者的关系，任何随时间而变化的磁场，都是和涡旋电场联系在一起的。同时他还提出了位移电流的概念，揭示出变化的电场可以在空间激发磁场，并通过全电流概念的引入，得到了一般形式下的安培环路定理在真空或介质中的表示形式，任何随时间而变化的电场，都是和磁场联系在一起的。综上可知变化的电场和变化的磁场彼此不是孤立的，它们永远密切地联系在一起，相互激发，组成一个统一的电磁场的整体。这就是麦克
11、斯韦电磁场理论的基本概念。2.1.2磁场检测基本原理根据2.1.1节麦克斯韦电磁场理论论述可知：交变电流会在周围产生交变的电磁场。智能汽车竞赛使用路径导航的交流电流频率为20kHz，产生的电磁波属于甚低频（VLF）电磁波。甚低频频率范围处于工频和低频电磁破中间，为3kHz30kHz，波长为100km10km。如图1.1所示：图2.1电流周围电磁场分布示意图注：图中 其中是波长，c是光速，f是频率。导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置，这正是我们进行电磁导航的目的。由于赛道导航电线和小车尺寸l 远远小于电磁波的波长 ，电磁场辐射
12、能量很小（如果天线的长度l 远小于电磁波长，在施加交变电压后，电磁波辐射功率正比于天线长度的四次方），所以能够感应到电磁波的能量非常小。为此，我们将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场，按照检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布，从而进行位置检测。2.2 前瞻预测的基本原理由上节可知通过检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布可以对小车当前位置进行确定，对于前瞻预测我们做如下的分析。图2.2路径为直线时的磁场分布图2.3路径为弯道时的磁场分布如图2.2、图2.3分别表示路径为直线和弯道时的磁场分布，其中A点、B点表示两个传感器，箭头方向表示电流方向。当路径为直线时如图2.2，由电磁场方向判别右手
13、定则可知，导线右侧的磁场方向为垂直纸面向里，图中用“叉”表示磁场方向；此时A传感器和B传感器检测的磁通量大小相等即A传感器检测信号和B传感器检测信号大小相等。当路径为弯道时如图2.3，导线左右两侧的磁场方向同路径为直线时相同，但是由于道路弯曲导致磁场叠加，使得通过B传感器的磁通量大于通过A传感器的磁通量，即B传感器信号检测值大于A传感器信号检测值。当由A传感器和B传感器组成的传感器组置于车头时利用上述变化可以对小车当前道路状况进行分辨，当此类传感器置于上并距小车车头一定距离时，即可以实现对小车行进道路状况进行超前预测。通过设置多组传感器，利用各组传感器的检测信号的特点，可以实现对不同路况的超前
14、预测。2.3磁场检测方法的选择由于赛道是通有20KHz交变电流的导线，因此需要通过检测导线周围所产生的电磁场来确定小车与赛道的相对位置。磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应：磁电效应（电磁感应、霍尔效应、磁致电阻效应）、磁机械效应、磁光效应、核磁共振、超导体与电子自旋量子力学效应。现代检测磁场的传感器很多，常见的有磁通门磁场传感器、磁阻抗磁场传感器、半导体霍尔传感器、磁敏二极管、磁敏三极管。各个传感器所依据的原理不同，测量的精度和范围差别也很大G。先估算赛道的磁场强度。把赛道看成是无限长直导线，载流电流为100mA，距离导线5cm时，由毕奥萨伐尔定律知，磁场强度带入数据得如图2.1是各
15、个类型传感器测量范围示意图。磁传感器技术磁场检测范围10-810-411041081.感应线圈传感器2.磁通门传感器3.光泵式磁敏传感器4.原子运动传感器5.SQUID传感器6.霍尔效应传感器7.磁阻传感器8.光纤传感器9.光敏磁传感器10.磁体晶体管传感器11.磁敏二极管传感器12.巨磁阻传感器13地磁场图2.1各个类型传感器检测范围一般霍尔元件的检测范围在1mT以上即10G以上，可以想象若用霍尔元件，传感器需要贴着地面进行检测，这样检测精度大大受到限制。磁阻传感器如Honeywell的高灵敏度磁阻传感器HMC1001，分辨率高达27微高斯，还可以使用多轴的磁阻传感器检测不同方向的磁场。普通
16、的电感线圈传感器测量范围广，理论上只要加合适的谐振电容及放大电路，不但能筛选特定频段进行放大而且较强的抗干扰能力。我们选择适合车模的检测方法，除了检测磁场的检测精度外还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗、以及实现的难易程度进行综合考虑。由于霍尔元件和磁阻传感器的检测精度比较低价格比较高，因此我们选用最为传统的电磁感应线圈。电磁感应线圈具有原理简单、频率响应快、电路实现简单等优点。而且线圈取材方便可以自行绕制也可以到市面上买。2.4线圈传感器的选择传感器相当于整个智能车系统的眼睛，因此传感器的选择是整个设计的关键。由2.3节知：综合考虑综合频率响应、价格、尺寸等因素本设计决定采
17、用线圈检测的方法。而线圈传感器有不同的类型，下面对其进行详细分析。图2.2各种型号线圈的CG图各种型号的线圈传感器如图2.2所示，其中常用的电感线圈有有色环电感、工字电感。线圈可以自制也可以定制。本设计选用市面上容易买得到的10mH工字线圈。10mH工字线圈有多种规格，常见的规格有68、610、1012。其中乘号前面表示的是线圈的直径乘号后面表示线圈的长度。直径越大高度越大表示，在直导线同一位置获得电磁能量越大，传感器获得信号就越强，但是太大的线圈会增大传感器的重量，引起机械结构等问题。经历众多选型后本设计选定68工字电感，100mA电流时它能检测到的峰峰值为50mV左右的电压值，同时此类线圈
18、Q值高，具有开放的磁芯，能满足设计的要求。此外传感器在制作工艺上可以考虑全贴片，这样做可以使传感器更精致稳定。3磁场分析及传感器摆放方案的确定3.1理想条件下长直导线的磁场分布对于如图3.1所示的长直导线：通有稳恒电流I长度为L的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为r处P点的磁感应强度为对于长度为L通有电流I的导线周围产生的磁场，距离导线距离为R处的磁场强度为：图3.1理想条件下长直导线磁场分析 (0=410-7TmA-1) (3.1)由此可得： (3.2)对于无限长直流电流来说，上式中，则有 (3.3)3.2 磁场在各个方向传感器上的分布特点由于20KHZ电流产生的磁场是交变的磁场，因此直接
19、分析交变磁场不是一个可取的办法。考虑到问题的线度远小于20KHZ电磁波波长，故可先考虑直流的情况然后再把结果应用到交流条件下。在这一思路下，原来的问题将转化为：载流导线通过直流电流I，它在空间产生的静态磁场为B（x，y，z），电感线圈（即为传感器）中的电压有效值U正比于所在位置的磁感应强度B（x，y，z）。对于如图3.2所示的车体坐标系，定义小车前进方向为Y轴正方向，顺着Y轴右手为X轴正向，小车正上方为Z轴正方向。定义传感器线圈轴线平行于Z轴方向的为水平线圈，对应的磁感应强度分量为Bz ；轴线平行于X轴方向的为垂直线圈，对应的磁感应强度分量为Bx ；轴线平行于Y轴方向的为竖直线圈，对应的磁感应
20、强度为By。据毕奥萨伐尔定理即式（1）可知，空间任意点的磁场强度可以看成导线上电图3.2车体坐标系流产生的磁场之和，即： (3.4)直线道路附近的磁场分布可近似为无限长直导线的磁场分布，故由3.3式可求的， (3.5) (3.6)式中h是指线圈到地面的垂直距离令，则令，则对于给定道路，K是定值可以有实验确定。故对的分析可以分别转化为对Bx1和Bz1的分析。 (3.7)图3.3 h取不同值时Bx1的图像Bz1= (3.8)如下图3.3，图3.4，图3.5为h=5,h=7,h=8,h=10时对应的Bx1，Bz1，以及Bx1和Bz1对比图像图3.4 h取不同值时Bz1的图像图3.5高度h为5cm时B
21、x1和Bz1的图像对比图3.6高度h为7cm时Bx1和Bz1的图像对比图3.7高度h为8cm时Bx1和Bz1的图像对比图3.8高度h为10cm时Bx1和Bz1的图像对比由图3.3和图3.4可知：Bx1是关于x的偶函数并且在y轴两侧单调；Bz1是关于x的奇函数，在y轴两侧不单调；由图3.5、图3.6、图3.7、图3.8可知：在同一高度下，Bx1的幅值是Bz1的两倍，但是当x=20时，Bx1的幅值只有Bz1幅值的一半左右，因此Bx1较Bz1衰减快。综上可知：Bx1（即垂直线圈）适合解算具体x值；由于Bx1衰减较Bx1快很多，故Bz1（即水平线圈）适合做前瞻预测。图3.9路径为直线时对应的磁场分布对
22、于图3.9表示路径为直线时的磁场分布，图中箭头方向表示电流方向，“点”表示磁场方向垂直纸面向外，“叉”表示磁场垂直纸面向里，图中线圈A表示。由图可知当导线为直导线时，通过竖直线圈传感器的磁通量为零，故此时线圈感应电压为零。图3.10路径为弯道时对应的磁场分布当导线不是直导线时，如图3.10，竖直线圈上将有磁通分量此时线圈将感应出电压（此时竖直线圈对于远端导线相当于垂直线圈或水平线圈），和直导线时感应电压为零相比，竖直线圈的上的电气量变化明显。特别是对于90度弯的道路图3.16以及十字交叉道路图3.14，电气量变化更为明显。故竖直线圈可用于90度弯道路以及十字交叉道路的识别。3.3 传感器在智能
23、车上摆放方案分析确定由上节分析可知：Bx1（即垂直线圈）适合解算具体x值；Bz1（即水平线圈）适合做前瞻预测；By1（即竖直线圈）适合对90度弯道路以及十字交叉道路的识别。下面对各个方向传感器在总方案中的作用进行详细分析。3.3.1垂直线圈传感器在总体布局中的作用如图3.9所示：ABCD代表车体，XY是车体坐标系，如果传感器安放在四个角上，位置解算就是要通过四个角上线圈的感应电压，确定载流导线与AB、CD的交点E、F的坐标，并推断道路.由上节分析可知垂直线圈中感应电动势的变化特征使得它适合用来解算具体的位置参数。图3.11车体坐标系B X是偶函数，一个线圈的数值无法确定正负(导线左边还是右边)
24、，因此考虑两边对称地各放一个，如图5中的A、B点各放一个。首先考虑直线情况。记AE的长度为LA，BE的长度为LB由(5)(6)式及电磁学知识易得，A、B两处垂直线圈中感应电压的有效值为： （3.9） （3.10）其中k是一个比例常数，与电磁环境以及具体的线圈有关，可以有实验确定。是导线与小车坐标系Y轴的夹角，如图3.9。很显然用式3.14和3.15解答LA LB不容易。可以考虑将余弦去掉。如图3.10图3.12 为不同值时UA的图像显示了当k=1，h=10，分别为0度、15度、20度时，UA的图像。由图可知：偏角只有在LA很小时才有一定的影响，同时越小时这种影响就越小。因此在近似分析中，可以将
25、cos去掉。故式（7）（8）可以简化为 （3.11） (3.12）UA1 UB1 在物理上分别表示AB两点的垂直传感器在感应电压除以比例常数k，是解法中的已知数据。又由于AB两点之间的距离一定，设为L.故有 （3.13）因为3.11、3.12、3.13中只有LA LB是未知的故容易解算出 （3.14） （3.15）注意：对于式（12）（13）LA或者LB取负值是有意义的，表示导线在线段AB之外了，也就是说此时小车AB端在导线的一侧。结合式（14）（15）及图3.9可得：时A一定在载流导线的左侧；当时AB分列在导线的两侧；当时B一定在导线的右侧。图3.13不同路况对Bz随X的变化曲线当道路不是直
26、线时，因为垂直线圈中的感应电压在导线两侧衰减得比较快，所以远处载流导线的形状对它的影响较小。因为垂直线圈中的感应电压在导线两侧衰减得比较快，所以远处载流导线的形状对它的影响较小。上述推论对于非直导线道路也近似成立。3.3.2水平线圈传感器在总体布局中的作用由上节分析知非道路对垂直线圈几乎没有影响。那么非直线道路对水平线圈有什么影响 ？如图3.11显示了通过有限元数值仿真获得的当h=0.1时，直道上、半径分别为1m、0.5m的弯道上Bz随x的变化曲线，图中0.4以左是弯道内侧。从图中可以看出：弯道半径对内侧不太靠近弯道内侧不太靠近导线地方的Bz有近乎线性的影响，并且这种影响在相应的区域几乎不变（
27、对应图中00.3区域）。由于水平线圈对道路形变的变化敏感，因此在AB点摆放垂直传感器的同时可以考虑摆放两个水平方向传感器。假如A点水平传感器实际检测的感应电压有效值为UAz1。另外根据式（8），可以推出在该位置上，相应长直导线产生的感应电压的有效值为UAz2为：式中k是一个比例常数，有实验确定。是道路即长直导线与小车坐标系Y轴的夹角，在近似计算中可以忽略不计。故。令，那么当时A在弯道外侧；当时，A在弯道内侧。考虑到的情况几乎不存在，若把0作为U的判断标准，那么小车将出现在跑道两侧左右振荡，更严重的情况将是产生误判冲出跑道。同时考虑到检测误差的存在，因此在实际的判定中U右边的数值不能为零，具体数
28、值可以通过实验确定。根据图3.11还可以估算赛道弯道半径，即有弯道半径估算公式：，可以有实验确定。估算出小车在相应弯道的弯道半径从而对小车进行更精确的控制。3.3.3竖直线圈传感器在总体布局中的作用由3.2分析可知，竖直线圈主要用来对十字交叉型道路和90度弯道路进行分析。图3.14小车驶入十字交叉道路示意3.15小车驶出十字交叉道路示意图3.16 90度弯道示意如图3.14、图3.16是十字交叉道路以及90度弯道路。设在B点放置一个竖直传感器，当小车从十字交叉道路、90度弯道分别沿DE方向、CD方向向前行驶时，从远处看传感器感应到磁场变化基本相同即B点出的传感器检测值越来越大直到过了弯道或交叉
29、点。因此对于十字交叉和90度弯道如果不加区分，或者前瞻距离过大，那么当小车进入十字交叉道路时有可能直接绕过270度弯，即出现十字交叉道路和90度弯的误判；当小车从沿FC方向将要驶出交叉点时，传感器检测值会再次增大，同小车从DC方向驶入时传感器变化相同，即出现十字交叉状况二次误判，解决十字交叉道路和90度弯误判的方法是在与B点对称的A点装设一个竖直传感器。具体原理如下：当小车将要驶入十字交叉道路交叉点时，A点传感器检测值将从零或者接近零的数值最近增大，有前面分析可知这种变化是非常显著的。同理B点传感器也具有同样的变化特点。当小车驶入90度弯道时，B点传感器检测值将从零或者接近零的数值逐渐增大，这
30、一变化是非常显著的。而装在A点出的传感器因为没有检测磁场分量或者检测到的磁场分量很小几乎可以忽略，因此小车在驶入90度弯前后A点传感器检测值基本没什么变化。由上述两种状况下A点、B点传感器不同变化特点既可以对小车驶入的是90度弯道还是十字交叉道路进行分辨。解决十字交叉道路二次误判的方法是在A点装设一竖直传感器，同时设置中断点。原理如下：当小车驶近十字交叉线时，A点传感器检测值和B点传感器检测值都将增大，当小车在距十字交叉线某一距离时，这一检测值将达到最大，最大值可以通过实验确定。但是当小车驶过十字交叉线时，A点传感器检测以及B点传感器检测值都将减小，但是当小车再次驶近十字交叉线时即小车由驶入到
31、图3.14的位置时，二者将再次同时增大。因此小车处在图3.12时，当A点B点传感器检测值达到最大值时设置第一个断点，小车处在图3.14时，传感器检测值达到最大值时，设置第二中断点。第一个中断点的作用是：A点B点传感器检测值在第二次达到最大值时，小车不会第二次对道路状况做出十字交叉道路的判断；第二个中断点的作用是消除第一个中断，防止在小车通过下个十字交叉路段时出现误判。3.3.4传感器总体摆放方案的确定为了获得丰富的检测信息，可以考虑将垂直线圈和水平线圈放在一起组成一个传感器组。线圈高度h的取值也要合适，由图（4）可知，h 太小，磁场强度导线X轴原点附近很集中，浪费了传感器的测量范围，且对X轴远
32、端的测量不利；太大，则磁场强度太小，不容易测量，并且曲线变化平缓，不利于提高距离测量的分辨率。图3.11显示的|x |30KHz10-6 - 10-4赛道中心导线周围0.5米范围20KHz10-4 - 10-2表4.1典型环境磁场强度范围设计要求选择20KHz的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效避免其他信号的干扰，因此信号放大前需要进行选频。图4.3有无谐振电容时的电压输出本设计使用LC并联来实现信号的选频。如图4.4图4.4检测电路选频部分上述电路中，频率f=20KHz，感应线圈L=10mH，故谐振电容的值由于市场上可以购买到的标称电容与上述电容值最为接近的电容为6.8nF，故本设计
33、采用6.8nF的电容作为谐振电容。通过实验可以验证 RLC 选频电路的效果，如图4.3是在有和没有谐振电容两种情况下的电感输出的感应电压。在导线中通有20kHz 左右，100mA 左右方波电流，在距离导线50mm 的上方放置垂直于导线的10mH 电感，使用示波器测量输出电压波形从上面结果可以看出，增加有谐振电容之后，感应线圈两端输出感应20KHz。这从上面结果可以看出，增加有谐振电容之后，感应线圈两端输出感应20KHz信号，干扰信号不仅非常小，而且电压幅值也增加了。这样无论导线中的电流波形是否为正弦波，由于本身增加了谐振电容，所以除了基波信号之外的高次谐波均被滤波除掉，只有基波20kHz 信号
34、能够发生谐振，输出总是20KHz 正弦波。4.2检测电路信号放大分析设计为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到1-5V 左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益（40db）放大电路可以用以下三种电路，现在对各个电路进行分析对比。4.2.1三极管放大电路图4.4三极管放大电路如上图所示的是单管共射级交流放大电路。LC振荡信号经104简单滤波后，送给1815做射级放大，三极管值大于150，在集电极可以得到放大后的正弦信号，偏置电阻可调将偏置电压调节在2.5V左右。4.2.2小信号运算调理电路对于小信号运算调理电
35、路，可以选用高性能低噪声的运放。相对于三极管放大电路，运算放大电路可以减小由于输人偏置电流、失调电流、失调电压以及温度漂移的影响而产生误差。同时因为运放不存在三极管的静态稳定点的问题，故更利于实现模块化。原理图如图4.4图4.5小信号运算调理电路4.2.3 LM567选频电路该方案是基于集成锁相环路解码器LM567而设计的。LM567是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器，由于其良好的噪声抑制能力和中心频率稳定性而被广泛应用于各种通讯设备中的解码以及AM、FM信号的解调电路中。LM567内部包含了两个鉴相器PDl及PD2、放大器AMP、电压控制振荡器VCO等单元电路。如图4.6为其电路图，工作
36、原理如下：5、6引脚外接定时电阻和电容决定锁相环内部压控振荡器VCO的中心频率f，计算关系式为 。第二脚对地接电容C2,为相位比较器输出的低通滤波器。第2脚所接电容C2对锁相环的捕捉带宽BW有影响。第1脚对地接一电容C1为正交相位检波器的输出滤波，其电容值不小于2脚所接电容约两倍，即C1的值大于等于C2值的两倍。第3脚为信号输入端，要求输入信号的幅度大于25mV,最佳值为200mV左右。当LM567输入信号的频率落在其内部压控振荡器中心频率f附近时，逻辑输出端即8引脚将由原来的高电平变化为低电平，输出一个负脉冲。8引脚不仅可以实现选频，而且还有负脉冲形成功能。改变Rp的值可以改变选频频率。由于
37、8引脚为集电极开路输出，故实际运用时，其8脚应接一上拉电阻至电源正极Vdd。图4.6 LM56选频电路LM567各个重要参数的计算公式：电压控制振荡器的自由振荡频率f(即无外加控制电压时的振荡频率)：；LM567锁相环路的环路带宽BW：，其中Vi为输入电压，小于等于200mV，C为该芯片的2脚电容的大小。根据该芯片的官方资料及赛道要求设计检测电路，3脚为信号的输入端Vpp200mV，8脚信号输出，直接由单片机接收处理。由外接定时元件R、C计算的振荡频率经过LM567选频后，由8脚输出结果，若输入端(3脚)的输入频率是设定的振荡频率则8脚输出低电平，若频率不符，8脚将一直为高电平，为了调试方便可
38、以在上拉电阻上串接一个发光二极管。4.2.4三种方案的分析比较三极管放大电路，筒单方便，位于智能车头也比较轻便，但是由于每个三极管的静态工作点不相同，易受温度的影响，此外偏置电压也难以实现调节，这不利于实现检测电路的模块化及对小车的精确地控制。同时三极管放大电路放大倍数不很满意，信号有失真。数字信号采集数据有限，盲区较大，但是软件处理简单方便，干扰少。信号调理电路不足在于整个电路有点重，比赛中车头部重量加重，电路中要引入负电源，单电源供电效果不是太好。但是小信号运算调理电路可以很好的解决三极管放大电路及LM567选频电路出现问题，而且其工作状态更加稳定，更利于实现检测电路的模块化。综上选择小信
39、号放大电路较为理想。对于图4.4的放大电路，放大倍数为4.2.5运算放大器的选择为了使真个检测电路简单方便，同时尽可能减少内部元器件对检测信号的干扰，我们选用运算放大器的基本标准是：单电源、低电压、低噪声、带宽20KHz.如表4.1所示，因为运算放大器型号众多，我们仅列写其中典型器件。厂商器件型号简述价格| qualityTEXASINSTRUMENTSOPA365低电压（2.2V）低噪声单电源轨至轨运放，带宽50MHz0.8美元| 1Ku（官方）TLV2236低电压（2.7V-8V）低功耗轨至轨运放，带宽0.67MHz0.65美元| 1Ku（官方）TLV2472低电压（2.7V-6V）双路低
40、功耗至轨输入/输出，带宽2.8MHz1.45美元| 1Ku（官方）TLC2272低电压(4.4V-16V）双路低噪声轨至轨运放，带宽2.18MHz6元| pcs（商家）INA322低电压（2.5V-5.5V）低功耗轨至轨仪表放大器，带宽500KHz1.1美元| 1Ku（官方）ANALOG DEVICEAD8629零漂移、单电源（2.7V-5.5V）、轨至轨输入/输出运算放大器1.47美元| 1Ku（官方）AD620低漂移、低功耗仪表放大器、增益设置范围1至100004.01美元| 1Ku（官方）FreescaleMC33502低电压（1V-7V）轨至轨运放，带宽5MHz（5.0V）16.82元
41、| PCS（商家）LM358但/双电源、宽电压（3V-32V）集成运放0.6元| PCS（商家）National semiconductorLM386低电压（4V-12V）电压放大增益20-2000.35元| PCS（商家）LM324宽电压（3V-32V）差分四运算放大器0.65元| PCS（商家）表4.2典型运算放大器的性能价格注：表4.2中价格一栏仅供参考。运放的选型是一项复杂的人，表中列出了从常见的LM358到各集成厂商的运算放大器，从通用放大器到仪表放大器。但是通过查阅相关的实验资料及选型测试，最终找到了合适的运算放大器。针对以上器件我们选择了TLC2272、AD8629、LM386进
42、行测试，下面仅对TLC2272的测试情况进行说明。TLC2272为T1公司单电源轨至轨运放系列，轨至轨输出可以使运算输出幅度达到最大。因此能够将传感器输出信号足够放大，满足AD采样要求的精度。实验所采用的电路如图4.7。图4.7 ISIS 7 Professional仿真环境下TLC2272测试电路图当输入信号为20KHZ、20mV峰峰值，电源6V情况下，调节反馈电阻器RV1的值可以获得最大输出峰峰值电压5.5V，如图5.2。但是应用到小车系统时应使输出电压不超过5V。图4.8 ISIS 7 Professional仿真环境下TLC2272仿真图由4.2.5节知：信号经过放大得到符合要求的电压后还要经过整流电路然后被单片机采样。完整的检测电路如图4.13。图4.9 ISIS 7 Professional仿真环境下TLC2272传感器检测电