學(xué)做智能車_挑戰(zhàn)飛思卡爾之_硬件

1、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)-硬件硬件武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院第第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 從外觀上看，智能車系統(tǒng)主要表現(xiàn)為由一系從外觀上看，智能車系統(tǒng)主要表現(xiàn)為由一系列的硬件組成，包括組成車體的底盤、輪胎、舵列的硬件組成，包括組成車體的底盤、輪胎、舵機(jī)裝置、馬達(dá)裝置、道路檢測裝置、測速裝置和機(jī)裝置、馬達(dá)裝置、道路檢測裝置、測速裝置和控制電路板等。本章主要介紹智能車設(shè)計(jì)中使用控制電路板等。本章主要介紹智能車設(shè)計(jì)中使用到的傳感器（包括光電式傳感器、圖像傳感器和到的傳感器（包括光電式傳感器、圖像傳感器和測速傳感器等）和控制電路板中的功能電路設(shè)計(jì)

2、。測速傳感器等）和控制電路板中的功能電路設(shè)計(jì)。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院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)硬件硬件武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院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（電信號或氣壓信號）才能被檢一定規(guī)格的信號（電信號或氣壓信號）才能被檢測、采集和顯示。所謂傳感器，即是將被測量按測、采集和顯示。所謂傳感器，即是將被測量按照一定的物理或化學(xué)原理轉(zhuǎn)換成某種規(guī)定的輸出照一定的物理或化學(xué)原理轉(zhuǎn)換

3、成某種規(guī)定的輸出信號的裝置或器件。信號的裝置或器件。 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院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量的變化而引起某種易被測量的信號的變化，能夠隨著被測量的變化而引起某種易被測量的信號的變化，而轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳而轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分，具體的電量形式取決于敏感元件的輸或測量的電信號部分，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)換元件的輸出信號一般都很微弱，原理。除此之外，由于轉(zhuǎn)換

4、元件的輸出信號一般都很微弱，為方便傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示，通常有信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、為方便傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示，通常有信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進(jìn)行放大或運(yùn)算調(diào)制。輔助電路等，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進(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、信號調(diào)因此，傳感器的組成通常包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路和輔助電路，如圖理轉(zhuǎn)換電路和輔助電路，如圖2.12.1所示。隨著半導(dǎo)體器件與所示。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件、集成技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信號調(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

5、感器的殼體里轉(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。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院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圖2.12.1 傳感器組成方框圖傳感器組成方框圖武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院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：智能汽車設(shè)計(jì)中涉及到的傳感器主要有三種：光電式傳感光電式傳感器器、圖像傳感器圖像傳感器和和測速傳感器測速傳感器。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 測速傳感器測速傳感器武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與

6、工程學(xué)院2.1.1 2.1.1 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光電式傳感器是利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。光電式傳感器工號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。光電式傳感器工作時(shí)，先將被測量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然作時(shí)，先將被測量轉(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)非電量的測量。應(yīng)的電量變化，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測量。光電式傳感器的核心（敏感元件）是光電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)。器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.1 2.1.1

7、光電式傳感器光電式傳感器光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，可靠光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非接觸測量，因此廣泛地應(yīng)性較高，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的非接觸測量，因此廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)自動化儀表中。光電式傳感器可用來用于各種工業(yè)自動化儀表中。光電式傳感器可用來測量光學(xué)量或測量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其他被測測量光學(xué)量或測量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其他被測量，然后輸出一定形式的電信號。在測量光學(xué)量時(shí)，量，然后輸出一定形式的電信號。在測量光學(xué)量時(shí)，光電器件是作為敏感元件使用；而測量其他物理量光電器件是作為敏感元件使用；而測量其他物理量時(shí)，它是作為轉(zhuǎn)換元件使用。光電式傳感器由光路時(shí)，它是

8、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)被測量信號對及電路兩大部分組成，光路部分實(shí)現(xiàn)被測量信號對光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號到電信光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。圖號的轉(zhuǎn)換。圖2.2(a)2.2(a)所示為測量光量時(shí)的組成框圖，所示為測量光量時(shí)的組成框圖，圖圖2.2(b)2.2(b)所示為測量其他物理量時(shí)的組成框圖。所示為測量其他物理量時(shí)的組成框圖。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.1 2.1.1 光電式傳感器光電式傳感器圖圖2.22.2 光電式傳感器的基本組成光電式傳感器的基本組成武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.1 2.1

9、.1 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)陽極構(gòu)成，并且密封在比較相似，均由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(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。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，光電發(fā)射材料。陽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)，中央陽極可收置于玻璃管的中央。當(dāng)光照在陰極上時(shí)，中央陽極可收集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成

10、電流。充集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成電流。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。式光電管。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.1 2.1.1 光電式傳感器光電式傳感器 2 2主要性能主要性能 光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、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、峰值探測率和溫度特性來

11、描述。其中，伏安響應(yīng)時(shí)間、峰值探測率和溫度特性來描述。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)。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 1）光電管的伏安特性）光電管的伏安特性 在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(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)應(yīng)用光電式傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.1 2.1.1 光電式傳感器光電式傳感器 （2 2）光電管的光照特性）光電管的光照特性 當(dāng)光電管的陽

12、極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量當(dāng)光電管的陽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。靈敏度。 （3 3）光電管的光譜特性）光電管的光譜特性 一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同一般對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，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，并且即使照射在陰極上的入射光的頻

13、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)量也不會相同，即同一光電管對于不同頻率的光的的數(shù)量也不會相同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 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。智能車路徑識圖像傳感器在智能車設(shè)計(jì)中非常常見。智能車路徑識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

14、外線、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 X射線、近紅外光等的探測，是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基射線、近紅外光等的探測，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（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)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。得到越來越廣泛的應(yīng)用。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器 1 1C

15、CDCCD圖像傳感器的分類圖像傳感器的分類 CCD CCD圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類：一類是圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類：一類是用于獲取線圖像的，稱為線陣用于獲取線圖像的，稱為線陣CCDCCD；另一類是用于獲；另一類是用于獲取面圖像的，稱為面陣取面圖像的，稱為面陣CCDCCD。 （1 1）線陣）線陣CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器 對于線陣對于線陣CCDCCD，它可以直接接收一維光信息，而，它可以直接接收一維光信息，而不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號輸出，為不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號輸出，為了得到整個(gè)二維圖像的輸出，就必須用行掃描的方了得到整個(gè)二維圖像的輸出，就必須用行掃描

16、的方法來實(shí)現(xiàn)。法來實(shí)現(xiàn)。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器 （2 2）面陣）面陣CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器 面陣面陣CCDCCD圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。由于傳輸與讀出方式不同，能檢測二維平面圖像。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。傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。 2 2CCDCCD圖像傳感器的特性參數(shù)圖像傳感器的特性參數(shù) CCDCCD圖像器件的性能參數(shù)包括靈敏度、分辨率、圖像器件的

17、性能參數(shù)包括靈敏度、分辨率、信噪比、光譜響應(yīng)、動態(tài)范圍和暗電流等，信噪比、光譜響應(yīng)、動態(tài)范圍和暗電流等，CCDCCD器件器件性能的優(yōu)劣可由上述參數(shù)來衡量。性能的優(yōu)劣可由上述參數(shù)來衡量。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器 （1 1）光電轉(zhuǎn)換特性）光電轉(zhuǎn)換特性 CCDCCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性如圖圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性如圖2.32.3所示。圖中所示。圖中x x軸表示曝光量，軸表示曝光量，y軸表示輸出信號幅值，軸表示輸出信號幅值，QSAT表示飽和輸表示飽和輸出電荷，出電荷，QDARK表示暗電荷輸出，表示暗電荷輸出，ES表示飽和曝光量。表示飽和曝光量。 圖

18、圖2.3 CCD光電轉(zhuǎn)換特性光電轉(zhuǎn)換特性武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器 由圖由圖2.32.3可以看出，輸出電荷與曝光量之間有一個(gè)線性工可以看出，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，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)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。暗電荷式中，為光強(qiáng)；為

19、積分時(shí)間，即起始脈沖的周期。暗電荷輸出為無光照射時(shí)輸出為無光照射時(shí)CCDCCD的輸出電荷。一只良好的的輸出電荷。一只良好的CCDCCD傳感傳感器，應(yīng)具有低的暗電荷輸出。器，應(yīng)具有低的暗電荷輸出。intEHT武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器 （2 2）靈敏度和靈敏度不均勻性）靈敏度和靈敏度不均勻性 CCD CCD圖像傳感器的靈敏度或稱為量子效率，標(biāo)志著器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，圖光量下器件輸出的電流或電

20、壓表示。實(shí)際上，圖2.32.3中中CCDCCD光電轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率就是器件的靈敏度，即光電轉(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，理想情況下，CCDCCD器件受均勻光照時(shí)，輸出信號幅度器件受均勻光照時(shí)，輸出信號幅度完全一樣。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，因素影響，在均勻光照下，CCDCCD器件的輸出幅度出現(xiàn)不均器件的輸出幅度出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。勻現(xiàn)象。SATs/SQE武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器 （3 3）分辨率）分辨率 分辨率是用來表示分辨圖像中

21、明細(xì)細(xì)節(jié)的能力的。它分辨率是用來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：通常有兩種不同的表示方式： 極限分辨率。極限分辨率。一黑一白兩個(gè)線條稱為一個(gè)一黑一白兩個(gè)線條稱為一個(gè)“線對線對”，透過對應(yīng)光的亮度為一明一暗。而極限分辨率是指人眼透過對應(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)，通常用每毫米線對數(shù)（能夠分辨的最細(xì)線條數(shù)，通常用每毫米線對數(shù)（1 P/mm1 P/mm）來表示。來表示。 調(diào)制傳遞函數(shù)。調(diào)制傳遞函數(shù)。每毫米長度上所包含的線對數(shù)稱為空每毫米長度上所包含的線對數(shù)稱為空間頻率，其單位是間頻率，其單位是1 P/mm1 P/mm。設(shè)調(diào)幅波信號的最大值

22、為。設(shè)調(diào)幅波信號的最大值為 最小值為最小值為 ，平均值為，平均值為 ，振幅為，振幅為 ，如圖，如圖2.42.4所示，所示，定義調(diào)制度定義調(diào)制度 M M 為為 maxAminA0AmA武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器maxminmaxminAAMAA(2.4)圖圖2.4 2.4 調(diào)制度的定義調(diào)制度的定義武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器 調(diào)幅波信號通過器件傳遞輸出后，通常調(diào)制度受到的調(diào)幅波信號通過器件傳遞輸出后，通常調(diào)制度受到的損失減小。一般來說，調(diào)制度隨空間頻率增加而減小。損失減小。一般來說，調(diào)制度隨空間頻率增加

23、而減小。為了客觀地表示為了客觀地表示CCDCCD傳感器的分辨率，一般采用調(diào)制傳遞傳感器的分辨率，一般采用調(diào)制傳遞函數(shù)（函數(shù)（Modulation Transfer Function, MTFModulation Transfer Function, MTF）來表示。）來表示。MTFMTF的定義為：在各個(gè)空間頻率下，的定義為：在各個(gè)空間頻率下，CCDCCD器件的輸出信號器件的輸出信號的調(diào)制度與輸入信號的調(diào)制度的比值，即的調(diào)制度與輸入信號的調(diào)制度的比值，即 (2.5) 式中，式中， 為空間頻率。為空間頻率。outin( )MTF( )( )MvvMvv武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.

24、1.2 圖像傳感器圖像傳感器 MTFMTF能夠客觀地反映能夠客觀地反映CCDCCD器件對于不同頻率的目標(biāo)成像器件對于不同頻率的目標(biāo)成像的清晰程度。隨著空間頻率的增加，的清晰程度。隨著空間頻率的增加，MTFMTF值減小。當(dāng)值減小。當(dāng)MTFMTF減小到某一值時(shí)，圖像就不能夠清晰分辨，該值對應(yīng)的減小到某一值時(shí)，圖像就不能夠清晰分辨，該值對應(yīng)的空間頻率為圖像傳感器能分辨的最高空間頻率?？臻g頻率為圖像傳感器能分辨的最高空間頻率。 （4 4）CCDCCD的噪聲的噪聲 CCDCCD的噪聲源可歸納為三類：散粒噪聲、暗電流噪聲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。和轉(zhuǎn)移噪聲。 散粒噪聲散粒噪聲

25、光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號電荷的過程可以看成是獨(dú)立、光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號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)生的信號電均勻連續(xù)發(fā)生的隨機(jī)過程。單位時(shí)間內(nèi)光產(chǎn)生的信號電荷數(shù)并非絕對不變，而是在一個(gè)平均值上作微小波動，荷數(shù)并非絕對不變，而是在一個(gè)平均值上作微小波動，這一微小波動的起伏便形成散粒噪聲，又稱為白噪聲。這一微小波動的起伏便形成散粒噪聲，又稱為白噪聲。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器 暗電流噪聲暗電流噪聲 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

26、是復(fù)合產(chǎn)生中心非均勻分布，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)信號電荷包的積分地點(diǎn)不同，讀出路徑也不同，這時(shí)各個(gè)信號電荷包的積分地點(diǎn)不同，讀出路徑也不同，這些尖峰對各個(gè)電荷包貢獻(xiàn)的電荷量不等，于是形成很大的些尖峰對各個(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。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 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

27、態(tài)俘獲引起的噪聲。輸出結(jié)構(gòu)采面態(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。用浮置柵放大器，噪聲最小。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器 3 3攝像頭的工作原理攝像頭的工作原理 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)，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)換成與灰度對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。具體而言（參見圖具體而言（參見圖2.52.5），攝像頭連續(xù)地掃描圖

28、像上的一），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，該電壓信號的高低起行，就輸出一段連續(xù)的視頻信號，該電壓信號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，伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號電壓的電平視頻信號端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號電壓的電平（如（如0.3 V0.3 V），并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于緊接著每行），并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于緊接著每行圖像對應(yīng)的電壓信號之后會有一個(gè)電壓圖像對應(yīng)的電壓信號之后會有一個(gè)電壓“凹槽凹槽”，此，此“凹槽凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志

29、。 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器 然后掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的信號，然后掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的信號，接著會出現(xiàn)一段場消隱信號。其中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈接著會出現(xiàn)一段場消隱信號。其中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖（簡稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有一個(gè)消隱沖（簡稱消隱脈沖），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)長于其他的消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間），該消隱脈沖又稱遠(yuǎn)長于其他的消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間），該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，標(biāo)志著新的一場的到來。

30、攝像頭每秒掃為場同步脈沖，標(biāo)志著新的一場的到來。攝像頭每秒掃描描2525幀圖像，每幀又分奇、偶兩場，故每秒掃描幀圖像，每幀又分奇、偶兩場，故每秒掃描5050場圖場圖像。像。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器圖圖2.5 2.5 攝像頭視頻信號攝像頭視頻信號武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器通常，攝像頭產(chǎn)品說明上會給出有效像素和分通常，攝像頭產(chǎn)品說明上會給出有效像素和分辨率，但通常不會具體介紹視頻信號行的持續(xù)時(shí)間、辨率，但通常不會具體介紹視頻信號行的持續(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)系行消隱脈沖的持

31、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、硬件方法對這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測量。表法對這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測量。表2.12.1給出了常見的給出了常見的1/3 1/3 OmniVisionOmniVision CMOS CMOS攝像頭的時(shí)序參數(shù)，以供參攝像頭的時(shí)序參數(shù)，以供參考?？肌Ｎ錆h科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 2.1.2 2.1.2 圖像傳感器圖像傳感器 表表2.1 2.1 常見的常見的1/3 1/3 OmniVisionOmniVision CMOS CMOS攝像頭的時(shí)序參數(shù)攝像頭的時(shí)序參數(shù)武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 2.1.

32、3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器 在智能汽車設(shè)計(jì)中，測速傳感器的設(shè)計(jì)主要有兩種方在智能汽車設(shè)計(jì)中，測速傳感器的設(shè)計(jì)主要有兩種方案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。 1 1霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，將電流、磁場、位霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，將電流、磁場、位移、壓力、壓差轉(zhuǎn)速等被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種移、壓力、壓差轉(zhuǎn)速等被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。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)簡單、高時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但霍爾傳感器具有結(jié)

33、構(gòu)簡單、體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動態(tài)范體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動態(tài)范圍（輸出電動勢的變化）大、無觸點(diǎn)、壽命長、可靠性圍（輸出電動勢的變化）大、無觸點(diǎn)、壽命長、可靠性高，以及易于微型化和集成電路化等優(yōu)點(diǎn)。高，以及易于微型化和集成電路化等優(yōu)點(diǎn)。 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 2.1.3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器 （1 1）霍爾效應(yīng)原理）霍爾效應(yīng)原理 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。如

34、圖象稱為霍爾效應(yīng)。如圖2.62.6所示，假設(shè)薄片為型半導(dǎo)體，所示，假設(shè)薄片為型半導(dǎo)體，磁場方向垂直于薄片，磁感應(yīng)強(qiáng)度為。在薄片左右兩端磁場方向垂直于薄片，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。由于外磁場的（電子）將沿著與電流的相反方向運(yùn)動。由于外磁場的作用，使電子受到磁場力（洛侖茲力）作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，作用，使電子受到磁場力（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)

35、端面之間形成電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。場。 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 2.1.3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器圖圖2.62.6 霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 2.1.3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器 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的方向）建立的電場稱為霍爾電場，相應(yīng)的電勢就磁場的方向）建立的電場稱為霍爾電場，相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢稱為霍爾電勢 。利用霍爾效應(yīng)制成的傳感元件稱為霍。利用霍爾效應(yīng)制成的傳感元件稱為霍爾傳感器，爾傳感器， 的大小正比于控制電流和磁

36、感應(yīng)強(qiáng)度，即的大小正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度，即 (2.6)(2.6) 式中，式中， 為霍爾系數(shù)，為霍爾系數(shù)， ，其中，其中 為載流體的電阻為載流體的電阻率；率； 為載流子的遷移率；為載流子的遷移率； 為靈敏度，為靈敏度， 。 若磁場方向與元件平面成角度若磁場方向與元件平面成角度 時(shí)，則作用在元件上的有時(shí)，則作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量，即效磁場是其法線方向的分量，即 ，則有，則有 (2.7)(2.7)HUHHHR IBUK IBdHUHRHRHKHH/KRdcosBHHcosUK lB武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 2.1.3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器 由式由式(2.6)

37、(2.6)和式和式(2.7)(2.7)可以看出，霍爾電勢可以看出，霍爾電勢 的大小的大小正比于控制電流正比于控制電流 和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度 ，靈敏度，靈敏度 表示在單表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸出霍爾電勢的大小，位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸出霍爾電勢的大小，一般要求越大越好，元件的厚度一般要求越大越好，元件的厚度d d越薄，越薄， 就越大，所就越大，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，霍爾電勢的大小只和控制電流確定后，霍爾電勢的大小只和控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，因此霍爾式傳感器可用來探測磁場和

38、電流，由此有關(guān)，因此霍爾式傳感器可用來探測磁場和電流，由此可測量壓力、振動等。可測量壓力、振動等。HUIBHKHK武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器 （2 2）霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)）霍爾元件的基本結(jié)構(gòu) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，由霍爾片、四根引線和殼體霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，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，勵(lì)電極（控制電極），另外兩

39、根引線稱為霍爾輸出引線，又稱為霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶又稱為霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。 （3 3）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu) 圖圖2.72.7是三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的是三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁轉(zhuǎn)動，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，檢測出單位時(shí)間的脈沖鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時(shí)間的

40、脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少，數(shù)，便可知被測轉(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量轉(zhuǎn)速的分辨率。就可以確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器圖2.7 三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 圖圖2.7 2.7 三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器 2 2光電式脈沖編碼器光電式脈沖編碼器 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)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)

41、控采用的檢測傳感器。光電換成電脈沖輸出，是精密數(shù)控采用的檢測傳感器。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)。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，如圖代碼形式的數(shù)字脈沖，如圖2.82.8所示光電式脈沖編碼器，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)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)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

42、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)動碼盤，在碼盤的另一側(cè)就形成光脈沖，脈沖光時(shí)，轉(zhuǎn)動碼盤，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)生與之對應(yīng)的電脈沖信號。照射在光電元件上就產(chǎn)生與之對應(yīng)的電脈沖信號。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器 圖圖2.8 2.8 光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器光電編碼器的精度和分辨率取決于光電碼盤的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)。

43、目前，已能生產(chǎn)徑精度和分辨率，取決于刻線數(shù)。目前，已能生產(chǎn)徑向線寬為向線寬為6.76.710-8 10-8 radrad的碼盤，其精度達(dá)的碼盤，其精度達(dá)1 110-810-8，比接觸式的碼盤編碼器的精度要高很多個(gè)數(shù)量級。比接觸式的碼盤編碼器的精度要高很多個(gè)數(shù)量級。如進(jìn)一步采用光學(xué)分解技術(shù)，可獲得更多位的光電如進(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。編碼器。光電編碼器按其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動方式可分為直線型光電編碼器按其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動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，按脈沖信號的性質(zhì)可分為有增量式和絕對式兩種類型。脈沖信號的性質(zhì)可分

44、為有增量式和絕對式兩種類型。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器增量式編碼器碼盤圖案和光脈沖信號均勻，可增量式編碼器碼盤圖案和光脈沖信號均勻，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。該方案無確定的對應(yīng)測量點(diǎn)，一旦停電則失檢測。該方案無確定的對應(yīng)測量點(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，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，且測量速度僅受計(jì)數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其零點(diǎn)可任

45、意預(yù)置，且測量速度僅受計(jì)數(shù)器容量限制。器容量限制。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.1.3 2.1.3 測速傳感器測速傳感器絕對式編碼器的碼盤圖案不均勻，編碼器的碼絕對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)位置可輸出對應(yīng)的數(shù)字盤與碼道位數(shù)相等，在相應(yīng)位置可輸出對應(yīng)的數(shù)字碼。其優(yōu)點(diǎn)是坐標(biāo)固定，與測量以前狀態(tài)無關(guān)，抗碼。其優(yōu)點(diǎn)是坐標(biāo)固定，與測量以前狀態(tài)無關(guān)，抗干擾能力強(qiáng)，無累積誤差，具有斷電位置保持，不干擾能力強(qiáng)，無累積誤差，具有斷電位置保持，不讀數(shù)時(shí)移動速度可超越極限相應(yīng)速度，不需方向判讀數(shù)時(shí)移動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)，信號并行傳送等；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)

46、別和可逆計(jì)數(shù)，信號并行傳送等；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)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。構(gòu)，將任意位置取作零位時(shí)需進(jìn)行一定的運(yùn)算。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 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)動電機(jī)驅(qū)動 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 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.2.1 2.2.1 電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)

47、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)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)。穩(wěn)壓器的典型電路設(shè)計(jì)。 1 1直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流穩(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，如圖路及穩(wěn)壓電路組成，如圖2.92.9所示所示。 圖圖2.9 2.9 直流穩(wěn)壓電源電路直流穩(wěn)壓電源電路武漢科技大

48、學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.2.1 2.2.1 電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) 電源變壓器的作用是將電源變壓器的作用是將220 V220 V的交流電壓變成整流電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的直流電壓，它主要有半波整流和全波整壓變換成脈動的直流電壓，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)成的整流橋堆來執(zhí)行。流等方式，通常由整流二極管構(gòu)成的整流橋堆來執(zhí)行。常見的整流二極管有常見的整流二極管有1N40071N4007和和1N51481N5148等，橋堆有等，橋堆有RS210RS210等。等。濾波電路的作用

49、是將脈動直流中的紋波濾除獲得紋波小濾波電路的作用是將脈動直流中的紋波濾除獲得紋波小的直流，常見的有濾波、濾波、的直流，常見的有濾波、濾波、型濾波等電路，常選型濾波等電路，常選用的是濾波電路。其中各參量的關(guān)系為用的是濾波電路。其中各參量的關(guān)系為 (2.8)(2.8) 式中，為變壓器的變比。式中，為變壓器的變比。 i1UnU2(1.1U 11.2)U武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.2.1 2.2.1 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每只二極管或橋堆所承受的最大反向電壓為 (2.9)(2.9) 對于橋式整流電路，每只二極管的平均電流為對于橋式整流電路，每只二極管的平均電流為

50、 (2.10)(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)(2.11) 式中，為輸入交流信號的周期；為整流濾波電路的等效負(fù)式中，為輸入交流信號的周期；為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。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)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。式穩(wěn)壓電路等。RM12UU1D (A V )R0 .4 512UIIR(35)/ 2RCT武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.

51、2.1 2.2.1 電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)2 2三端固定式正壓穩(wěn)壓器三端固定式正壓穩(wěn)壓器國內(nèi)外各廠家生產(chǎn)的三端（電壓輸入端、電壓輸出端國內(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)壓器均命名為和公共接地端）固定式正壓穩(wěn)壓器均命名為7878系列，該系列系列，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。其中損壞。其中7878后面的數(shù)字代表穩(wěn)壓器輸出的正電壓數(shù)值（一后面的數(shù)字代表穩(wěn)壓器輸出的正電壓數(shù)值（一般有般有5 V, 6 V, 8 V, 9 V, 10 V, 12 V, 15 V, 18 V5 V, 6

52、V, 8 V, 9 V, 10 V, 12 V, 15 V, 18 V和和24 24 V V共共9 9種輸出電壓），各廠家用種輸出電壓），各廠家用7878和電壓數(shù)字之間的字母來表和電壓數(shù)字之間的字母來表示。插入示。插入L L表示表示100 100 mAmA，M M表示表示500 500 mAmA，如不插入字母則表示，如不插入字母則表示1.5 A1.5 A。此外，。此外，78(L, M)XX78(L, M)XX的后面往往還附有表示輸出電壓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。常見的封裝形式有容差和封裝外殼類型的字母。常見的封裝形式有TO-3TO-3金屬和金屬和TO-220TO-2

53、20的塑料封裝，金屬封裝形式的穩(wěn)壓器的輸出電流可以的塑料封裝，金屬封裝形式的穩(wěn)壓器的輸出電流可以達(dá)到達(dá)到5 A5 A。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.2.1 2.2.1 電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)7878系列三端固定式穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖系列三端固定式穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖2.102.10所所示，只要把正輸入電壓加到示，只要把正輸入電壓加到MC7805MC7805的輸入端，的輸入端，MC7805MC7805的公共的公共端接地，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路中，芯片輸入端和輸出端

54、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（容外，通常還需在芯片引出根部接小容量（0.10.110 10 FF）電容電容, , 到地。用于抑制芯片自激振蕩，用于壓窄芯片的高頻到地。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。低及應(yīng)用電路的方式不同而異。 武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.2.1 2.2.1 電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) 圖圖2.10 782.10 78系列三端穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路系列三端穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.2.2

55、 2.2.2 電機(jī)驅(qū)動電路電機(jī)驅(qū)動電路 在智能車競賽中，智能車的速度較快，通常達(dá)到在智能車競賽中，智能車的速度較快，通常達(dá)到2 2 m/sm/s以上，因此對電機(jī)驅(qū)動電流的要求較高，電機(jī)驅(qū)動電以上，因此對電機(jī)驅(qū)動電流的要求較高，電機(jī)驅(qū)動電路必不可少。圖路必不可少。圖2.112.11是一個(gè)典型實(shí)用的簡單直流電機(jī)調(diào)是一個(gè)典型實(shí)用的簡單直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動電路，功率管的選擇由電機(jī)的功率決定，其標(biāo)稱速驅(qū)動電路，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)電流的電流是電機(jī)正常工作時(shí)電流的3 35 5倍（電機(jī)啟動的時(shí)候倍（電機(jī)啟動的時(shí)候存在較大的浪涌電流）。存在較大的浪涌電流）。PWMPWM信號的占

56、空比決定電機(jī)的轉(zhuǎn)信號的占空比決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故電機(jī)的調(diào)速可通過改變速，故電機(jī)的調(diào)速可通過改變PWMPWM信號的占空比實(shí)現(xiàn)信號的占空比實(shí)現(xiàn)。 直流電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制在很多場合會碰到。下面將直流電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制在很多場合會碰到。下面將介紹用功率管驅(qū)動直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的常用兩種方法。介紹用功率管驅(qū)動直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的常用兩種方法。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.2.2 2.2.2 電機(jī)驅(qū)動電路電機(jī)驅(qū)動電路 圖圖2.11 2.11 直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動電路直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動電路武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.2.2 2.2.2 電機(jī)驅(qū)動電路電機(jī)驅(qū)動電路 圖圖2.12 2.12 功率管驅(qū)動直流電機(jī)正、反

57、轉(zhuǎn)功率管驅(qū)動直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.2.2 2.2.2 電機(jī)驅(qū)動電路電機(jī)驅(qū)動電路如圖如圖2.122.12所示電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向由所示電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向由I/O1I/O1和和I/O2I/O2的電平來決定。當(dāng)?shù)碾娖絹頉Q定。當(dāng)I/O1I/O1和和I/O2I/O2為為0000時(shí)，時(shí)，VT1VT1，VT2VT2導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT3, VT4VT3, VT4截止，加在電機(jī)兩端上截止，加在電機(jī)兩端上的電壓差為的電壓差為0 V0 V，電機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)I/O1I/O1和和I/O2I/O2為為0101時(shí)，時(shí)，VT1, VT4VT1, VT4導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT2, VT3VT2,

58、 VT3截止；當(dāng)截止；當(dāng)I/O1I/O1和和I/O2I/O2為為1010時(shí)，時(shí)，VT1, VT4VT1, VT4截止，截止，VT2, VT3VT2, VT3導(dǎo)通。這導(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)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)動方向也相反。當(dāng)轉(zhuǎn)動方向也相反。當(dāng)I/O1I/O1和和I/O2I/O2為為1111時(shí)，時(shí)，VT1, VT1, VT2VT2截止，截止，VT3, VT4VT3, VT4導(dǎo)通，加在電機(jī)兩端上的電壓導(dǎo)通，加在電機(jī)兩端上的電壓差為差為0 V0 V，電機(jī)不轉(zhuǎn)。，電機(jī)不轉(zhuǎn)。武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2.2.2 2.2.2 電機(jī)驅(qū)動電路電機(jī)驅(qū)動電路當(dāng)當(dāng)I/O1I/O1和和I/O2I/O2懸空時(shí)，懸空時(shí)，+5 V+5 V經(jīng)經(jīng)R1, TLP521R1, TLP521的內(nèi)部發(fā)的內(nèi)部發(fā)光二極管、光二極管、LED1, R4, VT3LED1, R4, VT3形成零點(diǎn)幾毫安的電流，使形成零點(diǎn)幾毫安的電流，使VT3VT3一定程度地導(dǎo)通，該電流使光耦一定程度地導(dǎo)通，該電流使光耦TLP521TLP521輸出端微弱導(dǎo)輸出端微弱導(dǎo)通，從而拉低通，從而拉低VT1VT1基極點(diǎn)的電位，使基極點(diǎn)的電位，使VT