第第第第2 2 2 2章章章章 智能汽车设计基础智能汽车设计基础智能汽车设计基础智能汽车设计基础-硬件硬件硬件硬件武汉科技大学信息科学与工程学院第第2 2章章 智能汽车设计基础智能汽车设计基础硬件硬件 从从外外观观上上看看，智智能能车车系系统统主主要要表表现现为为由由一一系系列列的的硬硬件件组组成成，包包括括组组成成车车体体的的底底盘盘、轮轮胎胎、舵舵机机装装置置、马马达达装装置置、道道路路检检测测装装置置、测测速速装装置置和和控控制制电电路路板板等等。本本章章主主要要介介绍绍智智能能车车设设计计中中使使用用到到的的传传感感器器（包包括括光光电电式式传传感感器器、图图像像传传感感器器和和测速传感器等）和控制电路板中的功能电路设计。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 2.1 传感器系统传感器系统12.2 2.2 电路设计电路设计2 思考题思考题3第第2 2章章 智能汽车设计基础智能汽车设计基础硬件硬件武汉科技大学信息科学与工程学院2.1 2.1 传感器系统传感器系统 在工程上，在工程上，系统中各种物理量都必须转换成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、采集和显示测、采集和显示。所谓。所谓传感器，即是将被测量按传感器，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。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 2.1 传感器系统传感器系统通常，传感器由通常，传感器由敏感元件和转换元件敏感元件和转换元件组成。组成。敏感元件能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理。除此之外，由于转换元件的输出信号一般都很微弱，为。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，通常有方便传输、转换、处理及显示，通常有信号调理转换电路、信号调理转换电路、辅助电路辅助电路等，将转换元件输出的电信号进行放大或运算调制。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因此，传感器的组成通常包括敏感元件、转换元件、信号调敏感元件、转换元件、信号调理转换电路和辅助电路理转换电路和辅助电路，如图所示。随着半导体器件与集成，如图所示。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 2.1 传感器系统传感器系统图2.1 传感器组成方框图图图2.1 2.1 传感器组成方框图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 2.1 传感器系统传感器系统 智能汽车设计中涉及到的传感器主要有三种：智能汽车设计中涉及到的传感器主要有三种：光电式传感光电式传感器器、图像传感器图像传感器和和测速传感器测速传感器。1 2.1.1 2.1.1 光电式传光电式传 感器感器2 2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器3 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.1 2.1.1 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器是利用光电器件把光信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号转换成电信号的装置。光电式传感器工。光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然作时，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。应的电量变化，从而实现非电量的测量。光电式传感器的光电式传感器的核心（敏感元件）是光电核心（敏感元件）是光电器件器件，光电器件的基础是，光电器件的基础是光电效应光电效应。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.1 2.1.1 光电式传感器光电式传感器光电式传感器的光电式传感器的结构简单，响应速度快，可靠结构简单，响应速度快，可靠性较高，能实现参数的非接触测量性较高，能实现参数的非接触测量，因此广泛地应，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，然后量，然后输出一定形式的电信号输出一定形式的电信号。在测量光学量时，。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。时，它是作为转换元件使用。光电式传感器由光路光电式传感器由光路及电路两大部分组成及电路两大部分组成，光路部分，光路部分实现被测量信号对实现被测量信号对光量的控制和调制光量的控制和调制，电路部分，电路部分完成从光信号到电信完成从光信号到电信号的转换号的转换。图。图2.2(a)2.2(a)所示为测量光量时的组成框图，所示为测量光量时的组成框图，图图2.2(b)2.2(b)所示为测量其他物理量时的组成框图。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 2.1.1 光电式传感器光电式传感器图图2.2 2.2 光电式传感器的基本组成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 2.1.1 光电式传感器光电式传感器 1光电管的结构与工作原理光电管的结构与工作原理 光光电电管管有有真真空空光光电电管管和和充充气气光光电电管管两两类类，两两者者在在结结构构上上比比较较相相似似，均均由由一一个个阴阴极极和和一一个个阳阳极极构构成成，并并且且密密封封在在一一只只真真空空玻玻璃璃管管内内。阴阴极极装装在在玻玻璃璃管管内内壁壁上上，其其上上涂涂有有光光电电发发射射材材料料。阳阳极极通通常常用用金金属属丝丝弯弯曲曲成成矩矩形形或或圆圆形形，置置于于玻玻璃璃管管的的中中央央。当当光光照照在在阴阴极极上上时时，中中央央阳阳极极可可收收集集从从阴阴极极上上逸逸出出的的电电子子，在在外外电电场场作作用用下下形形成成电电流流。充充气气光光电电管管的的灵灵敏敏度度好好，但但其其稳稳定定性性较较差差、惰惰性性大大，容容易易受受温温度度影影响响。在在智智能能车车的的光光电电式式传传感感器器模模块块设设计计中中，由由于于要要求求温温度度影影响响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空式光电管。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 2.1.1 光电式传感器光电式传感器 2 2主要性能主要性能 光光电电器器件件的的性性能能主主要要由由伏伏安安特特性性、光光照照特特性性、光光谱谱特特性性、响响应应时时间间、峰峰值值探探测测率率和和温温度度特特性性来来描描述述。其其中中，伏伏安安特特性、光照特性和光谱特性性、光照特性和光谱特性是选择光电器件的是选择光电器件的主要指标主要指标。 （1 1）光电管的伏安特性）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极所产生电流之间的关系称为光电管的伏安特性。它是应。它是应用光电式传感器参数的主要依据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 2.1.1 光电式传感器光电式传感器 （2 2）光电管的光照特性）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与光电流之间的关系为光电管的光照特性。光照特性曲线。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏光电管的灵敏度度。 （3 3）光电管的光谱特性）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同，这就是光电管的光谱特性。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器图图像像传传感感器器在在智智能能车车设设计计中中非非常常常常见见。智智能能车车路路径径识识别别模模块块中中的的摄摄像像头头的的重重要要组组成成部部分分就就是是图图像像传传感感器器。图图像像传传感感器器又又称称为为成成像像器器件件或或摄摄像像器器件件，可可实实现现可可见见光光、紫紫外外线线、X X射射线线、近近红红外外光光等等的的探探测测，是是现现代代视视觉觉信信息息获获取取的的一一种种基基础础器器件件。因因其其能能实实现现信信息息的的获获取取、转转换换和和视视觉觉功功能能的的扩扩展展（光光谱谱拓拓宽宽、灵灵敏敏度度范范围围扩扩大大），能能给给出出直直观观、真真实实、多多层层次次、多多内内容容的的可可视视图图像像信信息息，图图像像传传感感器器在在现现代代科科学学技技术术中中得到越来越广泛的应用。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 2.1.2 图像传感器图像传感器 1 1CCDCCD图像传感器的分类图像传感器的分类 CCD CCD图像传感器从结构上可以分为两类：一类是用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，称为线阵于获取线图像的，称为线阵CCDCCD；另一类是用于获取；另一类是用于获取面图像的，称为面阵面图像的，称为面阵CCDCCD。 （1 1）线阵）线阵CCDCCD图像传感器图像传感器 对于线阵对于线阵CCDCCD，它可以直接接收一维光信息，而，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得到整个二维图像的输出，就必须用行扫描的方法来实现。实现。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器 （2 2）面阵）面阵CCDCCD图像传感器图像传感器 面阵面阵CCDCCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列，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、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。帧传输和行间传输三种。 2 2CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数 CCDCCD图像器件的性能参数包括灵敏度、分辨率、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，信噪比、光谱响应、动态范围和暗电流等，CCDCCD器件器件性能的优劣可由上述参数来衡量。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 2.1.2 图像传感器图像传感器 （1 1）光电转换特性）光电转换特性 CCDCCD图像传感器的光电转换特性如图所示。图中图像传感器的光电转换特性如图所示。图中x x轴表轴表示曝光量，示曝光量，y轴表示输出信号幅值，轴表示输出信号幅值，QSAT表示饱和输出电表示饱和输出电荷，荷，QDARK表示暗电荷输出，表示暗电荷输出，ES表示饱和曝光量。表示饱和曝光量。 图图2.3 CCD光电转换特性光电转换特性武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器 由图可以看出，输出电荷与曝光量之间有一个线性工作区由图可以看出，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输出为无光照射时CCDCCD的输出电荷。一只良好的的输出电荷。一只良好的CCDCCD传感器，传感器，应具有低的暗电荷输出。应具有低的暗电荷输出。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器 （2 2）灵敏度和灵敏度不均匀性）灵敏度和灵敏度不均匀性 CCD CCD图像传感器的灵敏度或称为量子效率，标志着器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，图中量下器件输出的电流或电压表示。实际上，图中CCDCCD光电光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度，即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，理想情况下，CCDCCD器件受均匀光照时，输出信号幅度器件受均匀光照时，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，素影响，在均匀光照下，CCDCCD器件的输出幅度出现不均匀器件的输出幅度出现不均匀现象。现象。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器 （3 3）分辨率）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：通常有两种不同的表示方式： 极限分辨率。极限分辨率。一黑一白两个线条称为一个一黑一白两个线条称为一个“线对线对”，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（够分辨的最细线条数，通常用每毫米线对数（1 P/mm1 P/mm）来）来表示。表示。 调制传递函数。调制传递函数。每毫米长度上所包含的线对数称为空每毫米长度上所包含的线对数称为空间频率，其单位是间频率，其单位是1 P/mm1 P/mm。设调幅波信号的最大值为。设调幅波信号的最大值为 最小值为最小值为 ，平均值为，平均值为 ，振幅为，振幅为 ，如图所示，定，如图所示，定义调制度义调制度 M M 为为 武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器(2.4) 图图2.4 2.4 调制度的定义调制度的定义武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器 调调幅幅波波信信号号通通过过器器件件传传递递输输出出后后，通通常常调调制制度度受受到到的的损损失失减减小小。一一般般来来说说，调调制制度度随随空空间间频频率率增增加加而而减减小小。为为了了客客观观地地表表示示CCDCCD传传感感器器的的分分辨辨率率，一一般般采采用用调调制制传传递递函函数数（Modulation Modulation Transfer Transfer Function, Function, MTFMTF）来来表表示示。MTFMTF的的定定义义为为：在在各各个个空空间间频频率率下下，CCDCCD器器件件的的输输出出信信号号的的调调制度与输入信号的调制度的比值，即制度与输入信号的调制度的比值，即 (2.5) 式中，式中， 为空间频率。为空间频率。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器 MTFMTF能够客观地反映能够客观地反映CCDCCD器件对于不同频率的目标成像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，的清晰程度。随着空间频率的增加，MTFMTF值减小。当值减小。当MTFMTF减减小到某一值时，图像就不能够清晰分辨，该值对应的空间小到某一值时，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。频率为图像传感器能分辨的最高空间频率。 （4 4）CCDCCD的噪声的噪声 CCDCCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、暗电流噪声的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、暗电流噪声和转移噪声。和转移噪声。 散粒噪声散粒噪声 光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看成是独立、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。微小波动的起伏便形成散粒噪声，又称为白噪声。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器 暗电流噪声暗电流噪声 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，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。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 转移噪声产生的主要原因有：转移损失引起的噪声、界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。用浮置栅放大器，噪声最小。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器 3 3摄像头的工作原理摄像头的工作原理 摄摄像像头头以以隔隔行行扫扫描描的的方方式式采采样样图图像像，当当扫扫描描到到某某点点时时，就就通通过过图图像像传传感感芯芯片片将将该该点点处处图图像像的的灰灰度度转转换换成成与与灰灰度度对对应应的的电电压压值值，然然后后将将此此电电压压值值通通过过视视频频信信号号端端输输出出。具具体体而而言言（参参见见图图），摄摄像像头头连连续续地地扫扫描描图图像像上上的的一一行行，就就输输出出一一段段连连续续的的视视频频信信号号，该该电电压压信信号号的的高高低低起起伏伏正正反反映映了了该该行行图图像像的的灰灰度度变变化化情情况况。当当扫扫描描完完一一行行，视视频频信信号号端端就就输输出出一一个个低低于于最最低低视视频频信信号号电电压压的的电电平平（如如0.3 0.3 V V），并并保保持持一一段段时时间间。这这样样相相当当于于紧紧接接着着每每行行图图像像对对应应的的电电压压信信号号之之后后会会有有一一个个电电压压“凹凹槽槽”，此此“凹凹槽槽”叫叫做做行行同同步步脉脉冲，它是扫描换行的标志。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 2.1.2 图像传感器图像传感器 然后扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的信号，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（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。摄像头每秒扫描脉冲，标志着新的一场的到来。摄像头每秒扫描2525帧图像，帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描5050场图像。场图像。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.2 2.1.2 图像传感器图像传感器图图2.5 2.5 摄像头视频信号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 2.1.2 图像传感器图像传感器通常，摄像头产品说明上会给出有效像素和分通常，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、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。表给出了常见的法对这些参数进行实际测量。表给出了常见的1/3 1/3 OmniVision CMOSOmniVision CMOS摄像头的时序参数，以供参考。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 2.1.2 图像传感器图像传感器 表表2.1 2.1 常见的常见的1/3 OmniVision CMOS1/3 OmniVision CMOS摄像头的时序参数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 2.1.3 测速传感器测速传感器 在智能汽车设计中，测速传感器的设计主要有两种方在智能汽车设计中，测速传感器的设计主要有两种方案：案：霍尔传感器和光电式脉冲编码器霍尔传感器和光电式脉冲编码器。 1 1霍尔传感器霍尔传感器 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感器。虽然转换率低、温度影响大、要求转换精度较高时。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、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。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 2.1.3 测速传感器测速传感器 （1 1）霍尔效应原理）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称为霍尔效应。如图所示，假设薄片为型半导体，磁场方。如图所示，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），那么半导体中的载流子（电子）将沿（称为控制电流），那么半导体中的载流子（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。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 2.1.3 测速传感器测速传感器图图2.6 2.6 霍尔效应原理图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 2.1.3 测速传感器测速传感器 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为霍尔电势 。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍尔。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍尔传感器，传感器， 的大小正比于控制电流和磁感应强度，即的大小正比于控制电流和磁感应强度，即 (2.6)(2.6) 式中，式中， 为霍尔系数，为霍尔系数， ，其中，其中 为载流体的电阻为载流体的电阻率；率； 为载流子的迁移率；为载流子的迁移率； 为灵敏度，为灵敏度， 。 若磁场方向与元件平面成角度若磁场方向与元件平面成角度 时，则作用在元件上的有时，则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即效磁场是其法线方向的分量，即 ，则有，则有 (2.7)(2.7)武汉科技大学信息科学与工程学院 2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器 由式由式(2.6)(2.6)和式和式(2.7)(2.7)可以看出，霍尔电势可以看出，霍尔电势 的大小的大小正比于控制电流正比于控制电流 和磁感应强度和磁感应强度 ，灵敏度，灵敏度 表示在单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，元件的厚度般要求越大越好，元件的厚度d d越薄，越薄， 就越大，所以霍就越大，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，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霍尔电势的大小只和控制电流I和磁感应强度和磁感应强度B有关，因有关，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、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。振动等。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器 （2 2）霍尔元件的基本结构）霍尔元件的基本结构 霍尔元件的结构很简单，由霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、四根引线和壳体霍尔片、四根引线和壳体组成组成。霍尔片是。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片一块矩形半导体单晶薄片，从中引出四根，从中引出四根引线，其中两根引线上施加激励电压或电流，称为引线，其中两根引线上施加激励电压或电流，称为激励电激励电极极（控制电极），另外两根引线称为霍尔输出引线，又称（控制电极），另外两根引线称为霍尔输出引线，又称为为霍尔电极霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。氧树脂封装的。 （3 3）霍尔式转速传感器的结构）霍尔式转速传感器的结构 图是三种不同结构的霍尔式转速传感器。图是三种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的输入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，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，便可知被测转速被测转速。根据。根据磁性转盘上小磁铁数目多少，就可以确定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 2.1.3 测速传感器测速传感器图2.7 三种不同结构的霍尔式转速传感器 图图2.7 2.7 三种不同结构的霍尔式转速传感器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 2.1.3 测速传感器测速传感器 2 2光电式脉冲编码器光电式脉冲编码器 光电式脉冲编码器可将光电式脉冲编码器可将机械位移机械位移、转角或速度变化转转角或速度变化转换成电脉冲输出换成电脉冲输出，是精密数控采用的检测传感器，是精密数控采用的检测传感器。光电编。光电编码器的最大特点码器的最大特点是非接触式是非接触式，此外还具有，此外还具有精度高、响应快、精度高、响应快、可靠性高等特点可靠性高等特点。 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，如图所示光电式脉冲编码器，在发代码形式的数字脉冲，如图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具有相当数量的透光扇形区透光扇形区的编码盘，在光源经光学系统的编码盘，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 2.1.3 测速传感器测速传感器 图图2.8 2.8 光电式脉冲编码器结构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 2.1.3 测速传感器测速传感器光电编码器的精度和分辨率取决于光电编码器的精度和分辨率取决于光电码盘的光电码盘的精度和分辨率，取决于刻线数精度和分辨率，取决于刻线数。目前，已能生产径。目前，已能生产径向线宽为向线宽为6.710-8 rad6.710-8 rad的码盘，其精度达的码盘，其精度达110-8110-8，比接触式的码盘编码器的精度要高很多个数量级。，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如进一步采用光学分解技术，可获得更多位的光电编码器。编码器。光电编码器按光电编码器按其结构的转动方式其结构的转动方式可分为可分为直线型直线型的线性编码器和转角型的轴角编码器的线性编码器和转角型的轴角编码器两种类型，两种类型，按按脉冲信号的性质脉冲信号的性质可分为可分为有增量式和绝对式有增量式和绝对式两种类型。两种类型。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器增量式编码器码盘增量式编码器码盘图案和光脉冲信号均匀，可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将任意位置为基准点，从该点开始按一定量化单位检测检测。该方案无确定的对应测量点，一旦。该方案无确定的对应测量点，一旦停电则失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，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此外由于噪声影响可能造成计数积累误差。该方案。该方案的优点是其零点可任意预置，且测量速度仅受计数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。器容量限制。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.3 2.1.3 测速传感器测速传感器绝对式编码器的码盘图案不均匀，编码器的码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，具有干扰能力强，无累积误差，具有断电位置保持，不断电位置保持，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，信号并行传送等别和可逆计数，信号并行传送等；其缺点是结构复；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。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 2.2 电路设计电路设计 1 2.2.1 2.2.1 电源系统电源系统2 2.2.2 2.2.2 电机驱动电机驱动 电路电路3 2.2.3 2.2.3 传感器接口传感器接口 电路电路 武汉科技大学信息科学与工程学院2.2.1 2.2.1 电源系统电源系统 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三端固定式正压集成稳压器的典型电路设计。的典型电路设计。 1 1直流稳压电源的基本原理直流稳压电源的基本原理 直流稳压电源电路一般由直流稳压电源电路一般由电源变压器、整流滤波器电电源变压器、整流滤波器电路及稳压电路组成路及稳压电路组成，如图所示，如图所示。 图图2.9 2.9 直流稳压电源电路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 2.2.1 电源系统电源系统 电源变压器的作用是将电源变压器的作用是将220 V220 V的交流电压变成整流电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，通常由方式，通常由整流二极管构成的整流桥堆整流二极管构成的整流桥堆来执行。常见的来执行。常见的整流二极管有整流二极管有1N40071N4007和和1N51481N5148等，桥堆有等，桥堆有RS210RS210等。滤波等。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，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、常见的有滤波、滤波、型滤波等电路，型滤波等电路，常选用的是滤波常选用的是滤波电路电路。其中各参量的关系为。其中各参量的关系为 (2.8)(2.8) 式中，式中，n n为变压器的变比。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 2.2.1 电源系统电源系统 每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压为每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压为 (2.9)(2.9) 对于桥式整流电路，每只二极管的平均电流为对于桥式整流电路，每只二极管的平均电流为 (2.10)(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)(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。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。稳压电路等。武汉科技大学信息科学与工程学院2.2.1 2.2.1 电源系统电源系统2 2三端固定式正压稳压器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和公共接地端）固定式正压稳压器均命名为7878系列，系列，该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，以防过载而损坏损坏。其中。其中7878后面的数字代表稳压器输出的正电压数值后面的数字代表稳压器输出的正电压数值（一（一般有般有5 V, 6 V, 8 V, 9 V, 10 V, 12 V, 15 V, 18 V5 V, 6 V, 8 V, 9 V, 10 V, 12 V, 15 V, 18 V和和24 V24 V共共9 9种输出电压），各厂家用种输出电压），各厂家用7878和电压数字之间的字母来表和电压数字之间的字母来表示。插入示。插入L L表示表示100 mA100 mA，M M表示表示500 mA500 mA，如不插入字母则表示，如不插入字母则表示1.5 A1.5 A。此外，。此外，78(L, M)XX78(L, M)XX的后面往往还附有表示输出电压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。常见的封装形式有容差和封装外壳类型的字母。常见的封装形式有TO-3TO-3金属和金属和TO-220TO-220的塑料封装的塑料封装，金属封装形式的稳压器的输出电流可以，金属封装形式的稳压器的输出电流可以达到达到5 A5 A。武汉科技大学信息科学与工程学院2.2.1 2.2.1 电源系统电源系统7878系列三端固定式稳压器的基本应用电路如图所示，系列三端固定式稳压器的基本应用电路如图所示，只要把正输入电压加到只要把正输入电压加到MC7805MC7805的输入端，的输入端，MC7805MC7805的公共端接的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压。在实际应用电路中，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，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（通常还需在芯片引出根部接小容量（10 F10 F）电容）电容, , 到地。到地。用于用于抑制芯片自激振荡，用于压窄芯片的高频带宽，减小高抑制芯片自激振荡，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。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。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 2.2.1 电源系统电源系统 图图2.10 782.10 78系列三端稳压器基本应用电路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 2.2.2 电机驱动电路电机驱动电路 在智能车竞赛中，智能车的速度较快，通常达到在智能车竞赛中，智能车的速度较快，通常达到2 2 m/sm/s以上以上，因此对电机驱动电流的要求较高，电机驱动电，因此对电机驱动电流的要求较高，电机驱动电路必不可少。图是一个典型实用的简单直流电机调速驱动路必不可少。图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机正常工作时电流的3 35 5倍（电机启动的时候存在较大的倍（电机启动的时候存在较大的浪涌电流）。浪涌电流）。PWMPWM信号的占空比决定电机的转速，故电机信号的占空比决定电机的转速，故电机的调速可通过改变的调速可通过改变PWMPWM信号的占空比实现信号的占空比实现。 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。介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 2.2.2 电机驱动电路电机驱动电路 图图2.11 2.11 直流电机调速驱动电路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 2.2.2 电机驱动电路电机驱动电路 图图2.12 2.12 功率管驱动直流电机正、反转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 2.2.2 电机驱动电路电机驱动电路如图所示电路中电机的转动方向由如图所示电路中电机的转动方向由I/O1I/O1和和I/O2I/O2的电平来决定。当的电平来决定。当I/O1I/O1和和I/O2I/O2为为0000时，时，VT1VT1，VT2VT2导通，导通，VT3, VT4VT3, VT4截止，加在电机两端上的电压截止，加在电机两端上的电压差为差为0 V0 V，电机不转。当，电机不转。当I/O1I/O1和和I/O2I/O2为为0101时，时，VT1, VT1, VT4VT4导通，导通，VT2, VT3VT2, VT3截止；当截止；当I/O1I/O1和和I/O2I/O2为为1010时，时，VT1, VT4VT1, VT4截止，截止，VT2, VT3VT2, VT3导通。这两种情况流经导通。这两种情况流经电机上的电流方向互为相反，电机转动方向也相电机上的电流方向互为相反，电机转动方向也相反。当反。当I/O1I/O1和和I/O2I/O2为为1111时，时，VT1, VT2VT1, VT2截止，截止，VT3, VT3, VT4VT4导通，加在电机两端上的电压差为导通，加在电机两端上的电压差为0 V0 V，电机，电机不转。不转。武汉科技大学信息科学与工程学院2.2.2 2.2.2 电机驱动电路电机驱动电路当当I/O1I/O1和和I/O2I/O2悬空时，悬空时，+5 V+5 V经经R1, TLP521R1, TLP521的内部发的内部发光二极管、光二极管、LED1, R4, VT3LED1, R4, VT3形成零点几毫安的电流，使形成零点几毫安的电流，使VT3VT3一定程度地导通，该电流使光耦一定程度地导通，该电流使光耦TLP521TLP521输出端微弱导通，输出端微弱导通，从而拉低从而拉低VT1VT1基极点的电位，使基极点的电位，使VT1VT1一定程度地导通；同理，一定程度地导通；同理，VT2VT2和和VT4VT4也一定程度地导通，从而也一定程度地导通，从而+ +V V电源经过电源经过VT1, VT3VT1, VT3和和VT2, VT4VT2, VT4短路到地，会损坏功率管，故短路到地，会损坏功率管，故I/O1I/O1和和I/O2I/O2不允许不允许悬空。悬空。R1R1和和R8R8阻值的选择原则是，使流经发光二极管的电阻值的选择原则是，使流经发光二极管的电流为流为101015 mA15 mA；R3, R4, R5, R6R3, R4, R5, R6的选择原则是，能够为的选择原则是，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功率管的电流限额应是电机正常工作电流的4 45 5倍。倍。武汉科技大学信息科学与工程学院2.2.3 2.2.3 传感器接口电路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。所谓口电路。所谓接口电路，就是要把传感器与后续的有关电接口电路，就是要把传感器与后续的有关电路联系起来的电路路联系起来的电路。接口电路的设计需要考虑。接口电路的设计需要考虑两个问题两个问题：一个是一个是传感器的输出与计算机的输入匹配问题传感器的输出与计算机的输入匹配问题；另一个是；另一个是选择器件的问题选择器件的问题。一般传感器的输出信号有三种形式：。一般传感器的输出信号有三种形式：数数字开关量、数字脉冲和模拟信号字开关量、数字脉冲和模拟信号。（1 1）数字开关量信号分为）数字开关量信号分为电压输出型和触点型电压输出型和触点型。如。如果传感器的输出电压信号为果传感器的输出电压信号为0 V0 V或或2 V2 V，可以直接和控制装，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。接时要采用消除抖动电路。（2 2）数字脉冲电路用计数器计数后送入计算机，通）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。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 2.2.3 传感器接口电路传感器接口电路（3 3）模拟信号比较复杂，由于模拟信号不能直接与）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控制器相连接，所以首先要通过适当的A/DA/D转换器变为合转换器变为合适的输入电压，必要时还要在适的输入电压，必要时还要在A/DA/D前面对信号进行放大、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分压等，一般称为信号的预处理。预处理后的信号经过A/DA/D转换器后和控制器直接连接，完成接口电路的设计。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。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：是：传感器与预处理放大电路的接线要尽量短；传感器信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；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放大电路要远离传感器，以免产生电场和磁场的干扰等。等。武汉科技大学信息科学与工程学院思考题思考题 1 1请简述光电式传感器的基本原理。请简述光电式传感器的基本原理。 2 2图像传感器分为哪几类？请简述摄像头的工图像传感器分为哪几类？请简述摄像头的工作原理。作原理。 3 3请说出制作测速传感器的几种方案，并对各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。种方案的优缺点进行比较。 4 4利用利用7878系列芯片设计一个直流稳压电路，要系列芯片设计一个直流稳压电路，要求：输入求：输入12 V12 V，输出，输出5 V5 V。 5 5利用利用MC33886MC33886设计一个直流电机驱动电路，能设计一个直流电机驱动电路，能控制电机正、反转。控制电机正、反转。