智能车设计课件第2章学习教案.pptx

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1、会计学 1智能(zh nn)车设计课件第2章第一页，共55页。2.1 传感器系统12.2 电路设计2 思考题3第第22章章 智能汽车设计智能汽车设计(shj)(shj)基础基础硬件硬件第1页/共55页第二页，共55页。2.1 2.1 传感器系统 传感器系统(xtng)(xtng)在工程上，系统中各种物理量都必须转换成一定(ydng)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(ydng)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2页/共55页第三页，共55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

2、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 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 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 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、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

3、路、辅助电路等，将转换元件输出的电信号进行放大 辅助电路等，将转换元件输出的电信号进行放大(fngd)(fngd)或运算调制。因此，传感器的组 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 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 2.1所示。随着半导 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 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。在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。第3页/共55页第四页，共5

4、5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4页/共55页第五页，共55页。2.1 2.1 传感器系统传感器系统(xtng)(xtng)智能汽车设计中涉及到的传感器主要 智能汽车设计中涉及到的传感器主要(zh(zh yo)yo)有三种：光电式传感器、图像传感器和测速传感 有三种：光电式传感器、图像传感器和测速传感器。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5页/共55页第六页，共55页。2.1.1 2.1.1 光电式传感器 光电式传感器 光电

5、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 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 时，先将被测量(cling)(cling)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 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 为相应的电量变化，从而实现非电量的测量(cling)(cling)。光电式传感器的核心（敏感元。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。件）是光电器件，光电器件的基础是光电效应。第6页/共55页第七页，共55页。2.1.1 2.1

6、.1 光电式传感器 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，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(tiozh)，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7页/共55页第八页，共55页。2.1.1 2.1.1 光

7、电式传感器 光电式传感器图2.2 光电式传感器的基本(jbn)组成第8页/共55页第九页，共55页。2.1.1 2.1.1 光电式传感器 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 一个 个(y(y)阴 阴极 极和 和一 一个 个(y(y)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

8、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

9、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 影响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空式光电管。响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空式光电管。第9页/共55页第十页，共55页。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 特性来描述。其中，伏安特性、光照

10、特性和光谱特性是选择光电器件的主要指标。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 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 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 称为 为光 光电 电管 管的伏安特性。它是应用 的伏安特性。它是应用(yngyng)(yngyng)光电式传感器参数的主要依据。光电式传感器参数的主要依据。第10页/共55页第十一页，共55页。2.1.1 2.1.1 光电式传感器光电式传感

11、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，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照 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。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 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，它们有不同的红限频率因此它们可用于不同的 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，即使照射在阴极上的入射光的频率高于

12、红限频率，并且强度 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(qingd)(qingd)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 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，这就是光电管的光谱特性。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。第11页/共55页第十二页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器图 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

13、 车路 路径 径识 识别 别(shbi)(shbi)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

14、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 感器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。第12页/共55页第十三页，共55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 图像(t xin)(t xin)传感器的分类 传感器的分类 CCD CCD图 图像 像(t(t xin)xin)传 传感

15、感器 器从 从结 结构 构上 上可 可以 以分 分为 为两 两类 类：一 一类 类是 是用 用于 于获 获取 取线 线图 图像 像(t(t xin)xin)的 的，称 称为 为线 线阵 阵CCD CCD；另 另一 一类 类是 是用 用于 于获 获取 取面 面图 图像 像(t(t xin)xin)的 的，称 称为 为面阵 面阵CCD CCD。（1 1）线阵）线阵CCD CCD图像 图像(t xin)(t xin)传感器 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

16、 像(t(t xin)xin)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(t(t xin)xin)的 的输 输出 出，就必须用行扫描的方法来实现。就必须用行扫描的方法来实现。第13页/共55页第十四页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器（2 2）面阵）面阵CCD CCD图像传感器 图像传感器 面阵 面阵CCD CCD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，能检测二维平面图像。由于传输与读

17、出方式不同，面阵图像传感器有许多类型，常见 面阵图像传感器有许多类型，常见(chn jin)(chn jin)的 的传输方式有行传输、帧传输和行间传输三种。传输方式有行传输、帧传输和行间传输三种。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、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，CCD CCD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。第14页/共55页第十五页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t

18、 xin)传感器传感器（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 轴表示输出 示输出(shch)(shch)信号幅值，信号幅值，QSAT QSAT表示饱和输出 表示饱和输出(shch)(shch)电荷，电荷，QDARK QDARK表示暗电 表示暗电荷输出 荷输出(shch)(shch)，ES ES表示饱和曝光量。表示饱和曝光量。图2.3 CCD光电转换(zhunhun)特性第15页/共55页第十六页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t

19、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，输 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，并不随曝 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 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，即起始脉冲的周期。暗电荷输出为无光照射 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

20、(zhosh)(zhosh)时 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16页/共55页第十七页，共55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，用在一定 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或电压表示。实际上，图 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2.3 2.3中 中CCD CCD光电转换特性曲 光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度，即 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，输出信号幅度完全一样 器件受均匀光照时，输出信号幅度完全一样(yyng)(yyng)。实际上，由于半。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，导体材料不均匀和工艺条件因素影响，在均匀光照下，CCD CCD器件的输出幅度出现不均匀现象。器件的输出幅度出现不均匀现象。第17页/共55页第十八页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xi

22、n)传感器传感器（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：极限分辨率。一黑一白两个线条称为一个 极限分辨率。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一暗。，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（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（1 P/mm 1 P/mm）来表）来表示。示。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 调制传递函数。每毫米长度上所包含

23、的线对数称为空间频率，其单位是1 P/mm 1 P/mm。设调。设调幅波信号的最大值为 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，如图2.4 2.4所示，定义 所示，定义(dngy)(dngy)调制度 调制度 M M 为 为 第18页/共55页第十九页，共55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19页/共55页第二十页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器 调 调幅 幅波 波信 信号 号通 通过 过器 器件 件传 传递 递输

24、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 义为 为：在 在各 各个 个空 空间 间频 频率 率下 下，

25、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(shr)(shr)信 信号 号的 的调 调制度的比值，即 制度的比值，即(2.5)(2.5)式中，式中，为空间频率。为空间频率。第20页/共55页第二十一页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器 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减小到某一值时，图像就不能够清晰分

26、辨，该值对应的空间频率为图像传感器能分 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。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 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 的信号电荷数并

27、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(xngchng)(xngchng)散粒噪声，又称为白噪声。散粒噪声，又称为白噪声。第21页/共55页第二十二页，共55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两部分：其一是耗尽层热激发产生的，可用泊 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，特别是在某些单元位 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。由于器件工作时各个信号电荷包的积分地点不 置上形成暗

28、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的电荷量不等，于 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 是形成很大的背景起伏，这就是常称的固定(gdng)(gdng)图像噪声的起因。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、界面态俘获引 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，噪声 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。最小。第22页/共55页第二

29、十三页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像 图像(t xin)(t xin)传感器 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2

30、.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(din(din pn)pn)（如 如0.3 0.3 V V），并 并保 保持 持一 一段 段时

31、 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 冲，它 它是 是扫 扫描 描换 换行的标志。行的标志。第23页/共55页第二十四页，共55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 然后扫描新的一行，如此(rc)(rc)下去，直到扫描完该场的信号，接着会出现一段场消隐 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

32、复合消隐脉冲（简称消隐脉冲），在这些消隐脉冲中，有一个消 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 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 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 25帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描 帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描50 50场图像。场图像。第24页/共55页第二十五页，共55页。2.1.2 2

33、.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25页/共55页第二十六页，共55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(sh x)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(sh x)参数，以供参考。第26页/共55页第二十七页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像 图像(t xin)(t

34、 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 摄像头的时序参数 时序参数第27页/共55页第二十八页，共55页。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案：霍 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。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、位移 霍尔传感器是基于霍尔效应原理，将电流、磁场、位移(wiy

35、)(wiy)、压力、压差转速等被测量转换成电动势输出的一种传、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 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、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）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 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。化等优点。第28页/共55页第二十九页，共

36、55页。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 金属或半导体薄片(bo pin)(bo pin)置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向 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 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(bo pin)(bo pin)为型半 为型半导体，磁场方向垂直于薄片 导体，磁场方向垂直于薄片(bo pin)(bo pin)，磁感应强度为。在薄片，磁感应强度为。在薄片(bo pin)(bo pi

37、n)左右两端通以电 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 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 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。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。第29页/共55页第三十页，共55页。2.1.3 2.1.3 测速传感器 测速传感器图

38、2.6 霍尔效应(xioyng)原理图第30页/共55页第三十一页，共55页。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 这时，在半导体前后两个端面(dunmin)(dunmin)之间（即 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，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 相应的电势就称为霍尔电势。利用霍尔效应制成的传。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍尔传感器，感元件称为霍尔传感器，的大小正比于控制电流和磁 的大小正比于控制电流和磁感应强度，即 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，

39、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)第31页/共55页第三十二页，共55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 可以(ky)(ky)看出，霍尔电势 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 和磁感应强度 度，灵敏度，灵敏度 表示在单位磁

40、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 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 越大越好，元件的厚度d d越薄，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 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 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，因此霍尔式传感器可 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。用来探测磁场和电流，由此可测量压力、振动等。第32页/共55页第三十三页，共55页。2.1.3 2.1

41、.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，由霍尔片、四根引线和壳 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 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 四根引线，其中(qzhng)(qzhng)两根引线上施加激励电压或 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 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 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

42、。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 2.7是三种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的 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 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 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应的脉冲，检测出单位时间的脉冲 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。根据磁性转盘上小磁铁数目多少，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

43、传感器测量转速的分辨率。就可以确定传感器测量转速的分辨率。第33页/共55页第三十四页，共55页。2.1.3 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(sn zhn)不同结构的霍尔式转速传感器第34页/共55页第三十五页，共55页。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机械位移、转角或速度变化转换成电 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 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

44、是非接触式，此外还具有精度高、响应快、可靠性高等 特点是非接触式，此外还具有精度高、响应快、可靠性高等(godng)(godng)特点。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 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 式的数字脉冲，如图2.8 2.8所示光电式脉冲编码器，在发光元件和 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相当数量 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 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

45、透光区的码盘上时，转动码盘，在码盘的另一侧就 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 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。冲信号。第35页/共55页第三十六页，共55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36页/共55页第三十七页，共55页。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-

46、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，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(fngsh)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37页/共55页第三十八页，共55页。2.1.3 2.1.3 测速传感器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(zoshng)影响可能造成计数积累误差。该方案的优

47、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38页/共55页第三十九页，共55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(xyo)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39页/共55页第四十页，共55页。2.2 2.2 电路设计电

48、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40页/共55页第四十一页，共55页。2.2.1 2.2.1 电源电源(dinyun)(dinyun)系统系统 在智能车设计中，电源 在智能车设计中，电源(dinyun)(dinyun)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 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 个环节。本节将介绍直流稳压电源(dinyun)(dinyun)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。的基本原理和三端固定式正压集成稳压器的典型电路设

49、计。1 1直流稳压电源 直流稳压电源(dinyun)(dinyun)的基本原理 的基本原理 直流稳压电源 直流稳压电源(dinyun)(dinyun)电路一般由电源 电路一般由电源(dinyun)(dinyun)变压器、整流滤波器电路及稳压电路组成，如图 变压器、整流滤波器电路及稳压电路组成，如图2.9 2.9所示。所示。图 图2.9 2.9 直流稳压电源 直流稳压电源(dinyun)(dinyun)电路 电路第41页/共55页第四十二页，共55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

50、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 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 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。流等方式，通常由整流二极管构成的整流桥堆来执行。常见 常见(chn jin)(chn jin)的整流二极管有 的整流二极管有1N4007 1N4007和 和1N5148 1N5148等，等，桥堆有 桥堆有RS210 RS210等。滤波电路的作用是将脉动直流中的纹 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