第2章-硬件.优秀PPT.ppt
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1、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限限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运运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
2、感器等)和限制电路板中的功能电路设计。测速传感器等)和限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,系统中各种物理量都必需转换成在工程上,系统中各种物理量都必需转换成确定规格的信号(电信号或气压信号)才能被检确定规格的信号(电信号或气压信号)才能被检测、采集和显示。所谓传感器,即是将被测量依测、采集和显示。所谓传感器,即是将被测量依据确定的物理或化学原理转换成某种
3、规定的输出据确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,传感器由敏感元件和转换元件组成。敏感元件能通常,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更而引起某种易被测量的信号的变更,而够随着被测量的变更而引起某种易被测量的信号的变更,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。除此之外,由于转换元件的输出信号一
4、般都很微弱,为理。除此之外,由于转换元件的输出信号一般都很微弱,为便利传输、转换、处理及显示,通常有信号调理转换电路、便利传输、转换、处理及显示,通常有信号调理转换电路、协助电路等,将转换元件输出的电信号进行放大或运算调制。协助电路等,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、信号调因此,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协助电路,如图理转换电路和协助电路,如图2.12.1所示。随着半导体器件与所示。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
5、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。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
6、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号转换成电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。光电式传感器工作时,先将被测量转换为光量号的装置。光电式传感器工作时,先将被测量转换为光量的变更,然后通过光电器件再把光量的变更转换为相应的的变更,然后通过光电器件再把光量的变更转换为相应的电量变更,从而实现非电量的测量。光电式传感器的核心电量变更,从而实现非电量的测量。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。(敏感元件)是光电器件,光电器件的基础是光电效应。武汉科技大学信息
7、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结构简洁,响应速度快,牢靠光电式传感器的结构简洁,响应速度快,牢靠性较高,能实现参数的非接触测量,因此广泛地应性较高,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,然后输出确定形式的电信号。在测量光学量时,量,然后输出确定形式的电信号。在测量光学量时,光电器件是作为敏感元件运用;而测量其他物理量光电器件是作为敏感元件运用;而测量其他物理量时,它是作为转
8、换元件运用。光电式传感器由光路时,它是作为转换元件运用。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及电路两大部分组成,光路部分实现被测量信号对光量的限制和调制,电路部分完成从光信号到电信光量的限制和调制,电路部分完成从光信号到电信号的转换。图号的转换。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
9、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 光电管有真空光电管和充气光电管两类,两者在结构上比较相像,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,其上涂有光电放射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形,置于玻璃管的中心。当光照在阴极上时,中心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。充气光电管的灵敏度好,但其稳定性较差、惰性大,简洁受温度影响。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,所以一般都接受真空式光电管。武汉科技大学信息科学与工程学院2.1.1 2.1.1 光电式
10、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,伏伏安特性、光照特性和光谱特性是选择光电器件的主要指标。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 在在确确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的伏伏安安特特性性。它它是是应应用光电式传感器参数的主要依据。用光电式
11、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)光电管的光照特性 当光电管的阳极和阴极之间所加电压确定时,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。(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,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红限频率,并且强度相同,随着入射光频率的不同,阴极放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。武汉科技大学信息科学与工程学
12、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特特别别常常见见。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得得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得得、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
13、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 CCDCCD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两两类类:一一类类是是用用于于获获得得线线图图像像的的,称称为为线线阵阵CCDCCD;另另一一类类是是用用于于获获得得面面图图像像的的,称为面阵称为面阵CCDCCD。(1 1)线阵)线阵CCDCCD图像传感器图像传感器 对对于于线线阵阵C
14、CDCCD,它它可可以以干干脆脆接接收收一一维维光光信信息息,而而不不能能干干脆脆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维图像的输出,就必需用行扫描的方法来实现。二维图像的输出,就必需用行扫描的方法来实现。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,面阵图像传感器有很多类型,常
15、见的传输方式有行传输、阵图像传感器有很多类型,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 CCD CCD图像器件的性能参数包括灵敏度、辨别率、图像器件的性能参数包括灵敏度、辨别率、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图像传感器的光电转换特性如图
16、2.32.3所示。图中所示。图中x x轴表示曝光量,轴表示曝光量,y轴表示输出信号幅值,轴表示输出信号幅值,QSAT表示饱和输表示饱和输出电荷,出电荷,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 由图由图2.32.3可以看出,输出电荷与曝光量之间有一个线性工可以看出,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
17、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)灵敏度和灵敏度不匀整性 CCD图像传感器的灵敏度或称为量子效率,标记着器件光敏区的光电
18、转换效率,用在确定光谱范围内单位曝光量下器件输出的电流或电压表示。事实上,图2.3中CCD光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度,即 (2.2)志向状况下,CCD器件受匀整光照时,输出信号幅度完全一样。事实上,由于半导体材料不匀整和工艺条件因素影响,在匀整光照下,CCD器件的输出幅度出现不匀整现象。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)辨别率 辨别率是用来表示辨别图像中明细细微环节的实力的。它通常有两种不同的表示方式:极限辨别率。一黑一白两个线条称为一个“线对”,透过对应光的亮度为一明一暗。而极限辨别率是指人眼能够辨别的最细线条数,通常用每毫米线对数(
19、1 P/mm)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率,其单位是1 P/mm。设调幅波信号的最大值为 最小值为 ,平均值为 ,振幅为 ,如图2.4所示,定义调制度 M 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
20、示示CCD传传感感器器的的辨辨别别率率,一一般般接接受受调调制制传传递递 函函 数数(Modulation Transfer Function,MTF)来来表表示示。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,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)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 MTF能够客观地反映能够客观地反映CCD器件对于不同频率的目标成像的清晰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,程度。随着空间频率
21、的增加,MTF值减小。当值减小。当MTF减小到某一值时,减小到某一值时,图像就不能够清晰辨别,该值对应的空间频率为图像传感器能辨别的图像就不能够清晰辨别,该值对应的空间频率为图像传感器能辨别的最高空间频率。最高空间频率。(4)CCD的噪声的噪声 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、匀整连续发光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看成是独立、匀整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确定不变,而是生的随机过程。单位时间内光产生的信号电荷数并非确定
22、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,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。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匀整分布,的,可用泊松分布描述;其二是复合产生中心非匀整分布,特殊是在某些单元位置上形成暗电流尖峰。由于器件工作特殊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
23、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缘由有:转移损失引起的噪声、界转移噪声产生的主要缘由有: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。输出结构接面态俘获引起的噪声和体态俘获引起的噪声。输出结构接受浮置栅放大器,噪声最小。受浮置栅放大器,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
24、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2.52.5),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凹凹凸凸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更更状状况况。当当扫扫描描完完一一行行,视视频频信信号号
25、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”叫做行同步脉冲,它是扫描换行的标记。叫做行同步脉冲,它是扫描换行的标记。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。
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