智能车教程第2章学习教案.pptx

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1、会计学 1智能(zh nn)车教程第2章第一页，共56页。第2章 智能汽车(qch)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(yn jin)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。第1页/共56页第二页，共56页。2.1 传感器系统12.2 电路设计2 思考题3第2章 智能汽车(qch)设计基础硬件第2页/共56页第三页，共56页。2.1 2.1 传感器系统传感器系统(xtng)(xtng)在工程上，系统中各种(

2、zhn)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。第3页/共56页第四页，共56页。2.1 2.1 传感器系统 传感器系统(xtng)(xtng)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 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 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(xingyng)(xingyng)的被测量转换成适于传输或测量的电信

3、号部分，具体的电量形式取 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 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 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、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 转换元件、信号调理转换电路和辅助电路，如图2.1

4、 2.1所示。随着半导体器件与集 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 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。同一芯片上，安装在传感器的壳体里。第4页/共56页第五页，共56页。2.1 2.1 传感器系统传感器系统(xtng)(xtng)图2.1 传感器组成(z chn)方框图图2.1 传感器组成(z chn)方框图第5页/共56页第六页，共56页。2.1 2.1 传感器系统传感器系统(xtng)(xtng)智能汽车设计 智能汽车设计(shj)(shj)中涉及到的传感器主

5、要有三种：光电式传感器、图像传 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。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 测速传感器第6页/共56页第七页，共56页。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号转换成电信号的装置。光电式传 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 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 变化转换为相应的电量变化，从而实现

6、(shxin)(shxin)非电量的测量。光电式传感 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。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。第7页/共56页第八页，共56页。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(gungxu)量或测量已先行转换为光学(gungxu)量的其他被测量，然后输出一定形式的电信号。在测量光学(gungxu)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

7、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。第8页/共56页第九页，共56页。2.1.1 2.1.1 光电式传感器图2.2 光电式传感器的基本(jbn)组成第9页/共56页第十页，共56页。2.1.1 光电式传感器 1 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

8、 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

9、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(wndng)(wndng)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 小和 和灵 灵敏 敏度 度稳 稳定 定(wndng)(wndng)，所 所以一般都采用真空式光电管。以一般都采用真空式光电管。第10页/共56页第十一页，共56页。2.1.1 2.1.1 光电式传感器光电式传感器 2

10、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 性、光 光照 照特 特性 性和 和光 光谱 谱特 特性 性是 是选 选择 择光 光电 电器 器件 件的 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 在一 一定 定的 的光 光照 照射 射下 下，对 对光 光电 电器 器件 件的 的阴 阴极 极所 所加 加电 电压 压与

11、与阳 阳极 极所 所产 产生 生电 电流 流之 之间 间的 的关 关系 系称为 称为(chn wi)(chn wi)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。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。第11页/共56页第十二页，共56页。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 当光电管的阳极和阴极(ynj)(ynj)之间所加电压一定时，光通量与光电流之 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 间的关系为光电管的光照特性。光照特性曲线

12、的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏度。量之比）称为光电管的灵敏度。（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 一般对于光电阴极(ynj)(ynj)材料不同的光电管，它们有不同的红限频率 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 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(ynj)(ynj)上的入 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 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(ynj)(ynj)发射的光电子的数量也不会相同，即同一光电管对于

13、不同频率的光的 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。灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。第12页/共56页第十三页，共56页。2.1.2 图像(t xin)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

14、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

15、 学技 技术 术中 中得 得到 到越 越来 来越广泛 越广泛(gungfn)(gungfn)的应用。的应用。第13页/共56页第十四页，共56页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器 1 1 CCD CCD图像传感器的分类 图像传感器的分类 CCD CCD图 图像 像传 传感 感器 器从 从结 结构 构上 上可 可以 以分 分为 为(fn(fn wi)wi)两 两类 类：一 一类 类是 是用 用于 于获 获取 取线 线图 图像 像的，称为线阵 的，称为线阵CCD CCD；另一类是用于获取面图像的，称为面阵；另一类是用于获取面图像的，称为面阵CCD CCD。（

16、1 1）线阵）线阵CCD CCD图像传感器 图像传感器 对 对于 于线 线阵 阵CCD CCD，它 它可 可以 以直 直接 接接 接收 收一 一维 维光 光信 信息 息，而 而不 不能 能直 直接 接将 将二 二维 维图 图像 像转 转换 换为 为一 一维 维的 的电 电信 信号 号输 输出 出，为 为了 了得 得到 到整 整个 个二 二维 维图 图像 像的 的输 输出 出，就 就必 必须 须用 用行 行扫 扫描 描的 的方 方法来实现。法来实现。第14页/共56页第十五页，共56页。2.1.2 图像(t xin)传感器（2 2）面阵）面阵CCD CCD图像传感器 图像传感器 面阵 面阵CCD

17、 CCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列，能检测 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 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 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 三种(sn zhn)(sn zhn)。2 2 CCD CCD图像传感器的特性参数 图像传感器的特性参数 CCD CCD图像器件的性能参数包括灵敏度、分辨率、信噪比、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，光谱响应、动态范围和暗电流等，CCD CCD器件

18、性能的优劣可由 器件性能的优劣可由上述参数来衡量。上述参数来衡量。第15页/共56页第十六页，共56页。2.1.2 图像(t xin)传感器（1 1）光电转换特性）光电转换特性 CCD CCD图像传感器的光电转换特性如图 图像传感器的光电转换特性如图2.3 2.3所示。图中 所示。图中x x轴表示曝光量，轴表示曝光量，y y轴表示输出信 轴表示输出信号 号(xnho)(xnho)幅值，幅值，QSAT QSAT表示饱和输出电荷，表示饱和输出电荷，QDARK QDARK表示暗电荷输出，表示暗电荷输出，ES ES表示饱和曝光 表示饱和曝光量。量。图2.3 CCD光电转换(zhunhun)特性第16页

19、/共56页第十七页，共56页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器 由图 由图2.3 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，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 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 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)(2.1)式中，为光强；为积分时间，即起始脉冲 式中，为光强；为积分时间，

20、即起始脉冲(michng)(michng)的周期。暗电荷输出为无光照射时 的周期。暗电荷输出为无光照射时CCD CCD的输出电荷。一只良好的 的输出电荷。一只良好的CCD CCD传感器，应具有低的暗电荷输出。传感器，应具有低的暗电荷输出。第17页/共56页第十八页，共56页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器（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，标志着器件光敏区的光电转换效率，用 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

21、或电压表示。实际上，图 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 2.3中 中CCD CCD光 光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度，即 电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度，即(2.2)(2.2)理想情况下，理想情况下，CCD CCD器件受均匀光照时，输出信号 器件受均匀光照时，输出信号(xnho)(xnho)幅度完全一样。实际上，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，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 CCD器件的输出幅度出 器件的输出幅度出现不均匀现象。现不均匀现象。第18页/共56页第十九页

22、，共56页。2.1.2 图像(t xin)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。它通常有两种不同的表示方式：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 极限(jxin)(jxin)分辨率。一黑一白两个线条称为一个 分辨率。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，透过对应光的亮度为一明一暗。而极限 一暗。而极限(jxin)(jxin)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（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 1 P/mm P/mm）来表示。）来表示。调制传递函数

23、。每毫米长度上所包含的线对数称为空间频率，其单位是 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 1 P/mm。设调幅。设调幅波信号的最大值为 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，如图2.4 2.4所示，定义调制度 所示，定义调制度 M M 为 为 第19页/共56页第二十页，共56页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器(2.4)图2.4 调制度(zhd)的定义第20页/共56页第二十一页，共56页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器 调 调幅

24、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CCD CCD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,MTF MTF）来 来表 表示 示。MTF MTF的 的定 定义

25、义为 为：在 在各 各个 个(gg)(gg)空 空间 间频 频率 率下 下，CCD CCD器 器件 件的 的输 输出 出信 信号 号的 的调 调制 制度 度与 与输 输入 入信 信号 号的 的调 调制 制度 度的 的比 比值 值，即 即(2.5)(2.5)式中，式中，为空间频率。为空间频率。第21页/共56页第二十二页，共56页。2.1.2 图像(t xin)传感器 MTF MTF能够客观地反映 能够客观地反映CCD 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，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 MTF值减小。当 值减小。当MTF MTF减小到

26、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 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。传感器能分辨的最高空间频率。（4 4）CCD CCD的噪声 的噪声 CCD 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。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 散粒噪声 光注入光敏区产生信号电荷的过程 光注入光敏区产生信号电荷的过程(guchng)(guchng)可以看成是独立、均匀连续发生的随机过程 可以看成是独立、均匀连续发生的随机过程(guchng)(guchng)。单位时间内光产生的信号电荷数并非绝对

27、不变，而是在一个平均值上作微小波动，。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。这一微小波动的起伏便形成散粒噪声，又称为白噪声。第22页/共56页第二十三页，共56页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器 暗电流噪声 暗电流噪声 暗电流噪声可以分为 暗电流噪声可以分为(fn wi)(fn wi)两部分：其一是耗尽层热激发产生 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 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

28、位置上形成暗电流尖峰。由于器件工作时各个信号电荷 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 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 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。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、界面态俘获 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，引起的噪声和体态俘获引起的噪声。输出结构

29、采用浮置栅放大器，噪声最小。噪声最小。第23页/共56页第二十四页，共56页。2.1.2 图像(t xin)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(tnggu)(tnggu)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(tnggu)(tnggu)视 视频 频信

30、 信号 号端 端输 输出 出。具 具体 体而 而言 言（参 参见 见图 图2.5 2.5），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.

31、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。第24页/共56页第二十五页，共56页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器 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 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

32、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，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 有一个(y)(y)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 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 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 新的一场的到来。摄像头每秒扫描25 25帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒 帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描 扫描50 50场图像。场图像。第25页/共56页第

33、二十六页，共56页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器图2.5 摄像头视频信号第26页/共56页第二十七页，共56页。2.1.2 2.1.2 图像 图像(t xin)(t xin)传感器 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(shj)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。第27页/共56页第二十八页，共56页。2.1.2 2.1.2 图像图像

34、(t xin)(t xin)传感器传感器 表 表2.1 2.1 常见 常见(chn jin)(chn jin)的 的1/3 OmniVision CMOS 1/3 OmniVision CMOS摄像头的时 摄像头的时序参数 序参数第28页/共56页第二十九页，共56页。2.1.3 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 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。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 霍尔传感器是基于霍尔效应原理(yunl)(yunl)，将电流、磁场、位，

35、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。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 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 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、（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。寿命长、可靠性高，以及易于微型化和集成电路化等优点。第29页/共56页第三十

36、页，共56页。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，在垂直于电流和磁场的 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 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 2.6所示，假设薄片 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 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 流（称为控制电流），那么半导体中的截流

37、子（电子）将沿着与电流的相反方向运动。由于外磁场的作用 方向运动。由于外磁场的作用(zuyng)(zuyng)，使电子受到磁场力（洛仑兹力）作，使电子受到磁场力（洛仑兹力）作用 用(zuyng)(zuyng)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，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。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。第30页/共56页第三十一页，共56页。2.1.3 测速传感器测速传感器图2.6 霍尔效应(xioyng)原理图第31页/共56页第三十二页，共56页。2.1.3 测速

38、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 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 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 霍尔电势。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍尔传感。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍尔传感器，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 为载流体的电阻率；为载流体的电阻率；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

39、角度 时，则作用在元件上的有效 时，则作用在元件上的有效(yuxio)(yuxio)磁场是其法线方向的分量，即 磁场是其法线方向的分量，即，则有，则有(2.7)(2.7)第32页/共56页第三十三页，共56页。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 的大小正比于控制电流 的大小正比于控制电流 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 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 越好，

40、元件(yunjin)(yunjin)的厚度 的厚度d d越薄，越薄，就越大，所以霍尔元件 就越大，所以霍尔元件(yunjin)(yunjin)的厚度都很薄。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 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 I和磁感应强度 和磁感应强度B B有关，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。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。第33页/共56页第三十四页，共56页。2.1.3 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

41、尔片、四根引线和壳体组成。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 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 两根引线上施加(shji)(shji)激励电压或电流，称为激励电极（控 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。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。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 3）霍尔式转速传感器的结构）霍尔式转速传感器的结构 图 图2.7 2.

42、7是三种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的输入轴 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 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 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 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 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。辨率。第34页/共56页第三十五页，共56页。2.1.3

43、2.1.3 测速传感器测速传感器图2.7 三种不同(b tn)结构的霍尔式转速传感器 图2.7 三种不同结构(jigu)的霍尔式转速传感器第35页/共56页第三十六页，共56页。2.1.3 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机械位移、转角或速度变化转换成 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 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 大特点是非接触式，此外还具有(jyu)(jyu)精度高、响应快、可 精度高、响应快、可靠性高等特点。靠性高等特点。

44、光电编码器采用光电方法，将转角和位移转换为各种代码 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 形式的数字脉冲，如图2.8 2.8所示光电式脉冲编码器，在发光元 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 件和光电接收元件中间，有一个直接装在旋转轴上的具有(jyu)(jyu)相当数量的透光扇形区的编码盘，在光源经光学系统 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，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

45、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。生与之对应的电脉冲信号。第36页/共56页第三十七页，共56页。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 光电式脉冲(michng)(michng)编码器结构 编码器结构第37页/共56页第三十八页，共56页。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量级。如进一步采用光学分解技术(jsh)，可获得更多位的光电编

46、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。第38页/共56页第三十九页，共56页。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(shdio)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。第39页/共56页第四十页，共56页。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

47、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(yqin)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。第40页/共56页第四十一页，共56页。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 第41页/共56页第四十二页，共56页。2.2.1 2.2.1 电源电源(dinyu

48、n)(dinyun)系统系统 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 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 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(di(di nxng)nxng)电路设计。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电源变压器、整流滤波器电路及稳压电路组成，如图 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 2.9所

49、示。所示。图 图2.9 2.9 直流稳压电源电路 直流稳压电源电路第42页/共56页第四十三页，共56页。2.2.1 2.2.1 电源电源(dinyun)(dinyun)系统系统 电源变压器的作用是将 电源变压器的作用是将220 V 220 V的交流电压 的交流电压(diny)(diny)变 变成整流电路所需要低压的交流电压 成整流电路所需要低压的交流电压(diny)(diny)。整流电路。整流电路的作用是将交流电压 的作用是将交流电压(diny)(diny)变换成脉动的直流电压 变换成脉动的直流电压(diny)(diny)，它主要有半波整流和全波整流等方式，通常，它主要有半波整流和全波整流等

50、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 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 管有1N4007 1N4007和 和1N5148 1N5148等，桥堆有 等，桥堆有RS210 RS210等。滤波电路的 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 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、见的有滤波、滤波、型滤波等电路，常选用的是滤波 型滤波等电路，常选用的是滤波电路。其中各参量的关系为 电路。其中各参量的关系为(2.8)(2.8)式中，为变压器的变比。式中，为变压器的变比。第43页/共56页第四十四页，共56页。2.