学做智能车,挑战飞思卡尔之2 硬件

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2.1 传感器系统
通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。 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， 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 输或测量的电信号部分， 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， 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、 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，将转换元件输出的电信号进行放大或运算调制。 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、 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2.1所示。 2.1所示 理转换电路和辅助电路，如图2.1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、 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。 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。
智能汽车设计基础---硬件 第2章 智能汽车设计基础--硬件
第2章
智能汽车设计基础—硬件 智能汽车设计基础—
从外观上看， 从外观上看，智能车系统主要表现为由一系 列的硬件组成，包括组成车体的底盘、轮胎、 列的硬件组成，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、 机装置、马达装置、道路检测装置、测速装置和 控制电路板等。 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、 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。 测速传感器等）和控制电路板中的功能电路设计。
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2.1.2
图像传感器
图像传感器在智能车设计中非常常见。 图像传感器在智能车设计中非常常见 。 智能车路径识 别模块中的摄像头的重要组成部分就是图像传感器。 别模块中的摄像头的重要组成部分就是图像传感器。图像传 感器又称为成像器件或摄像器件，可实现可见光、紫外线、 感器又称为成像器件或摄像器件，可实现可见光、紫外线、 X射线、近红外光等的探测，是现代视觉信息获取的一种基 射线、近红外光等的探测， 础器件。 因其能实现信息的获取、 础器件 。 因其能实现信息的获取 、 转换和视觉功能的扩展 （光谱拓宽、灵敏度范围扩大），能给出直观、真实、多层 光谱拓宽、灵敏度范围扩大） 能给出直观、真实、 次、多内容的可视图像信息，图像传感器在现代科学技术中 多内容的可视图像信息， 得到越来越广泛的应用。 得到越来越广泛的应用。
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2.1.1
光电式传感器
图2.2 光电式传感器的基本组成
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2.1.1
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 光电管有真空光电管和充气光电管两类， 光电管有真空光电管和充气光电管两类，两者在结构上 比较相似， 均由一个阴极和一个阳极构成， 比较相似 ， 均由一个阴极和一个阳极构成 ， 并且密封在 一只真空玻璃管内。 阴极装在玻璃管内壁上， 一只真空玻璃管内 。 阴极装在玻璃管内壁上 ， 其上涂有 光电发射材料。 阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形， 光电发射材料 。 阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形 ， 置于玻璃管的中央。 当光照在阴极上时， 置于玻璃管的中央 。 当光照在阴极上时 ， 中央阳极可收 集从阴极上逸出的电子， 在外电场作用下形成电流。 集从阴极上逸出的电子 ， 在外电场作用下形成电流 。 充 气光电管的灵敏度好， 但其稳定性较差、 惰性大， 气光电管的灵敏度好 ， 但其稳定性较差 、 惰性大 ， 容易 受温度影响。 在智能车的光电式传感器模块设计中， 受温度影响 。 在智能车的光电式传感器模块设计中 ， 由 于要求温度影响小和灵敏度稳定， 所以一般都采用真空 于要求温度影响小和灵敏度稳定 ， 式光电管。 式光电管。
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第2章 智能汽车设计基础—硬件 智能汽车设计基础—
1 2.1
传感器系统
2 2.2
电路设计
3
思考题
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2.1 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 一定规格的信号（电信号或气压信号） 一定规格的信号（电信号或气压信号）才能被检 采集和显示。所谓传感器， 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。 信号的装置或器件。
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2.1.1
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。 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， 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。 光电式传感器的核心（敏感元件） 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。 器件，光电器件的基础是光电效应。
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2.1.2
图像传感器
CCD图像传感器的分类 1．CCD图像传感器的分类 CCD图像传感器从结构上可以分为两类： 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 于获取线图像的，称为线阵CCD； 于获取线图像的，称为线阵CCD；另一类是用于获取 CCD 面图像的，称为面阵CCD。 面图像的，称为面阵CCD。 CCD （1）线阵CCD图像传感器 线阵CCD图像传感器 CCD 对于线阵CCD 它可以直接接收一维光信息， CCD， 对于线阵CCD，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， 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， 了得到整个二维图像的输出，就必须用行扫描的方 法来实现。 法来实现。
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2.1 传感器系统
图2.1 传感器组成方框图
图2.1 传感器组成方框图
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2.1
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 感器、图像传感器和测速传感器。 感器、图像传感器和测速传感器。 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
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2.1.1
光电式传感器
（2）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， 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。 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） 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。 的灵敏度。 （3）光电管的光谱特性 一般对于光电阴极材料不同的光电管， 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， 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红限频率， 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， 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， 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。
E = HTint
(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。 输出为无光照射时CCD的输出电荷。一只良好的CCD CCD的输出电荷 CCD传感 输出为无光照射时CCD的输出电荷。一只良好的CCD传感 应具有低的暗电荷输出。 器，应具有低的暗电荷输出。
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2.1.2
图像传感器
（2）面阵CCD图像传感器 面阵CCD图像传感器 CCD 面阵CCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列， CCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列 面阵CCD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。由于传输与读出方式不同， 面阵图像传感器有许多类型， 面阵图像传感器有许多类型，常见的传输方式有行 传输、帧传输和行间传输三种。 传输、帧传输和行间传输三种。 2．CCD图像传感器的特性参数 CCD图像传感器的特性参数 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、 CCD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，CCD器件 信噪比、光谱响应、动态范围和暗电流等，CCD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。
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2.1.2
图像传感器
（1）光电转换特性 CCD图像传感器的光电转换特性如图2.3所示 图像传感器的光电转换特性如图2.3所示。 CCD图像传感器的光电转换特性如图2.3所示。图中x 轴表示曝光量，y轴表示输出信号幅值，QSAT表示饱和输 轴表示曝光量， 轴表示输出信号幅值， 轴表示输出信号幅值 出电荷， 表示暗电荷输出， 表示饱和曝光量。 出电荷，QDARK表示暗电荷输出，ES表示饱和曝光量。
图2.3 CCD光电转换特性 光电转换特性
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2.1.2
图像传感器
由图2.3可以看出， 由图2.3可以看出，输出电荷与曝光量之间有一个线性工 2.3可以看出 作区域，在曝光量不饱和时，输出电荷正比于曝光量， 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， 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。 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
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2.1.1
光电式传感器
2．主要性能 光电器件的性能主要由伏安特性、 光照特性、 光电器件的性能主要由伏安特性 、 光照特性 、 光谱特 响应时间、 峰值探测率和温度特性来描述。 其中， 性 、 响应时间 、 峰值探测率和温度特性来描述 。 其中 ， 伏安特性、 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。 指标。 （1）光电管的伏安特性 在一定的光照射下， 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。它是 极所产生电流之间的关系称为光电管的伏安特性。 应用光电式传感器参数的主要依据。 应用光电式传感器参数的主要依据。
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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， 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， 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。 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 然后输出一定形式的电信号。在测量光学量时， 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； 光电器件是作为敏感元件使用；而测量其他物理量 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 及电路两大部分组成， 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， 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。 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， 号的转换。图2.2(a)所示为测量光量时的组成框图， 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。 图2.2(b)所示为测量其他物理量时的组成框图。