智能车大赛数据学习教案.pptx

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1、会计学 1智能车大赛(d si)数据第一页，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 智能汽车智能汽车(qch)(qch)设计基础设计基础硬件硬件第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规格的信号（电信号或气压信号）才能被检测、采集和显示(xinsh)。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，传感器由敏感元件和转换元件组成

2、。敏感元件能够随着被测量的变化而引起某种 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输或测量的 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 电信号部分，具体(jt)(jt)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 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、辅助电路等，将 号一般都很微弱，为方便传输、转换、处理及显示，通常

3、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、转换元件、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、转换元件、信号调理转换电路和辅助电路，如图 信号调理转换电路和辅助电路，如图2.1 2.1所示。随着半导体器件与集成技术的发展，传感器的信 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同一芯片上，安装在传感器的壳体里。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。第3页/共55页第四页，共55页。2.1 2.1 传感器

4、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有三种 智能汽车设计中涉及到的传感器主要有三种(sn zh(sn zh n n)：光电式传感器、图像传感器和：光电式传感器、图像传感器和测速传感器。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 光电式传感器是利用光电器件把

5、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 变化转换为相应的电量变化，从而(cng r)(cng r)实现非电量的测量。光电式传感 实现非电量的测量。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6页/共55页第七页，共55页。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结构简单

6、，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(rnhu)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，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 光电式传感器 光电式传感器图2.2 光电式传感器的基本(j

7、bn)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(yunl(yunl)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

8、 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

9、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，所 所以 以一 一般 般都 都采 采用 用真 真空 空式光电管。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 性来 来描 描述 述(mio(mio sh)sh)。

10、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 特性是选择光电器件的主要指标。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 的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电式传感器参数的主要依据。关系称为光电管的伏安特性。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器（2 2）光

11、电管的光照特性）光电管的光照特性(txng)(txng)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 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 的光照特性(txng)(txng)。光照特性。光照特性(txng)(txng)曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）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。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(txng)(txng)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 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

12、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 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 度相同，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 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(txng)(txng)。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

13、 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

14、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(kud)(kud)），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 像传感器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。传感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图像传感器的分类 图像传感器的分类 CCD CCD图

15、 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 的，称 称为 为线 线阵 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。（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(shch)(sh

16、ch)，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(shch)(shch)，就 就必 必须 须用 用行 行扫描的方法来实现。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，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

17、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 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 图像器件的性能(xngnng)(xngnng)参数包括灵敏度、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，分辨率、信噪比、光谱响应、动态范围和暗电流等，CCD CCD器件性能 器件性能(xngnng)(xngnng)的优劣可由上述参数来衡量。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 xin)传感器传感器（1 1）光电转换）光电转换(z

18、hunhun)(zhunhun)特性 特性 CCD CCD图像传感器的光电转换 图像传感器的光电转换(zhunhun)(zhunhun)特性如图 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 轴表示输出信号幅值，表示输出信号幅值，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15页/共55页第十六页，共55页。2.1.2 2.1.2 图像图像(t xin)(t xin)传感器传感器 由图 由图2.3

19、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 光量的增加而增加。曝光量等于光强乘以积分时间(shjin)(shjin)，即，即(2.1)(2.1)式中，为光强；为积分时间 式中，为光强；为积分时间(shjin)(shjin)，即起始脉冲的周期。暗电荷输出为无光照射时，即起始脉冲的周期。暗电荷输出为无光

20、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 图像传感器的灵敏度或称为量子效率，标志(biozh)(biozh)着器件光敏区的光电转换效率，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 用在一定光谱范围内单位曝光量下器件输出的电流或电

21、压表示。实际上，图2.3 2.3中 中CCD CCD光电转 光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度，即 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，输出信号幅度完全一样。实际上，由于半导体材料 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素影响，在均匀光照下，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 xin)传感器 传感器（3 3

22、）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 极限分辨率。一黑一白两个线条(xintio)(xintio)称为一个 称为一个“线对 线对”，透过对应光的亮度为，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 一明一暗。而极限分辨率是指人眼能够分辨的最细线条(xintio)(xintio)数，通常用每毫米 数，通常用每毫米线对数（线对数（1 P/mm 1 P/mm）来表示。）来表示。调制传递函数。每毫米长度上所包含的线对数称为空间频

23、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。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，定义调制度 所示，定义调制度 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

24、 件传 传递 递输 输出 出后 后，通 通常 常(tngchng)(tngchng)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

25、 为：在 在各 各个 个空 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。值减小。当 当

26、MTF MTF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 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。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 光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看成是独立、均匀(jnyn)(jnyn)连续发生的随机过程。单位时间内光产生 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

27、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 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。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 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

28、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 面(jimin)(jimin)态俘获引起的噪声和体态俘获引起的噪声。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。输出结构采用浮置栅

29、放大器，噪声最小。第22页/共55页第二十三页，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

30、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(din(din pn)pn)（如 如0.3 0.3 V V

31、），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 冲，它 它是扫描换行的标志。是扫描换行的标志。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号。其中

32、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 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续时间），该消隐脉冲又称为 他的消隐脉冲的持续时间），该消隐脉冲又称为(chn wi)(chn wi)场同步脉冲，标 场同步脉冲，标志着新的一场的到来。摄像头每秒扫描 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 帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描 每秒扫描50 50场图像。场图像。第24页

33、/共55页第二十五页，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控制。因此(ync)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.

34、2 图像 图像(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 摄像头的时序参数 的时序参数第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 在智能汽车设计中，测速传感器的设计主要(zhyo)(zhyo)有两种方案：有两种方案：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、位移、

35、压力、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感器。虽然转换率低、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补偿，但霍尔传感 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（从直流到微波）、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、寿命长、可靠性高，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。以及易于微型化和集成电路化等优点。

36、第28页/共55页第二十九页，共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 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 动势，这种物理现象称为霍尔效应。如图2.6 2.6所示，假设薄片为型半导体，磁场方向垂直于 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（称为控制电流），那么 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(n me)(n m

37、e)半导体中 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 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电子有所积累而带负电，前端面则（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。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

38、.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（即垂直于电流和磁场的 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，相应的电势就称为霍尔电势 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。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍尔传感器，。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍尔传感器，的大小正 的大小正比于控制 比于控制(kngzh)(kngzh)电流和磁感应强度，即 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

39、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效磁场 时，则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即 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 和磁感应强度 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 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

40、要求越大越好，元件的厚度 小，一般要求越大越好，元件的厚度d d越薄，越薄，就越大，所以霍尔元件的厚度都 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 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I I和磁感 和磁感应强度 应强度B B有关 有关(yugun)(yugun)，因此霍尔式传感器可用来探测磁场和电流，由此可测量，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。压力、振动等。第32页/共55页第三十三页，共55页。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

41、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 体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(bo pin)(bo pin)，从中引出四根引线，其中两根引线上施加激励电压或，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。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

42、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5

43、5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 三种不同(b tn)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 光电式脉冲(michng)(michng)编码器 编码器 光电式脉冲 光电式脉冲(michng)(michng)编码器可将机械位移、转角或速 编码器可将机械位移、转角或速度变化转换成电脉冲 度变化转换成电脉冲(michng)(michng)输出，是精密数控采用的 输出，是精密数控采用的检测传感器。光电编码器的最大特

44、点是非接触式，此外还 检测传感器。光电编码器的最大特点是非接触式，此外还具有精度高、响应快、可靠性高等特点。具有精度高、响应快、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代 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 码形式的数字脉冲(michng)(michng)，如图，如图2.8 2.8所示光电式脉冲 所示光电式脉冲(michng)(michng)编码器，在发光元件和光电接收元件中间，有 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的透光扇形区的编 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

45、统形成一束平行光投在透光和不透 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，在码盘的另一侧就形成光脉 光区的码盘上时，转动码盘，在码盘的另一侧就形成光脉冲 冲(michng)(michng)，脉冲，脉冲(michng)(michng)光照射在光电元件上就产 光照射在光电元件上就产生与之对应的电脉冲 生与之对应的电脉冲(michng)(michng)信号。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

46、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6.710-8 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(xngzh)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

47、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(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

48、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39页/共55页第四十页，共55页。2.2 2.2 电路设计电路设计 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 在智能(zh nn(zh nn)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 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

49、压电源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。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的交流电压变

50、成整流电路 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变 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 换(binhun)(binhun)成脉动的直流电压，它主要有半波整流和全 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。波整流等方式，通常由整流二极管构成的整流桥堆来执行。常见的整流二极管有 常见的整流二极管有1N4007 1N4007和 和1N5148 1N5148等，桥堆有 等，桥堆有RS210 RS210等。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 滤波电路的作用是将脉动直流中的纹波滤除获得纹