智能車磁導(dǎo)航中的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
方式1：將檢測(cè)線圈輸出的頻率20 kHz、大約毫伏級(jí)的信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)約1 000倍(60 dB)，然后進(jìn)行幅度檢波轉(zhuǎn)換為直流電壓。單片機(jī)對(duì)每路檢測(cè)信號(hào)只采樣一次就可知道信號(hào)大小，巡回采集多路電壓進(jìn)行比較，通過“找最大”就能實(shí)現(xiàn)賽道定位。
方式2：直接采集放大后的20 kHz信號(hào)(迭加在直流偏置電壓上)，但要求單片機(jī)的A／D采集速率遠(yuǎn)大于20 kHz，單片機(jī)連續(xù)采集多個(gè)周期的電壓，根據(jù)信號(hào)的周期性從采集的數(shù)據(jù)中找出最大值和最小值，根據(jù)二者的差值獲得交流信號(hào)的峰峰值。此方式中，單片機(jī)對(duì)每路信號(hào)要快速采樣很多次才能獲取該路信號(hào)的大小。同樣，要巡回采集多路電壓，通過“找最大”實(shí)現(xiàn)賽道定位。
為了實(shí)現(xiàn)小車與載流線賽道的準(zhǔn)確定位，采用多個(gè)檢測(cè)線圈是必然的選擇．賽制規(guī)定。最多可使用16個(gè)檢測(cè)傳感器。比較上述兩種方式，方式2的信號(hào)處理電路無需檢波功能，但占用單片機(jī)大量的工作時(shí)間，因此，方式1是合理的選擇。
3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
由前面的分析可見，信號(hào)調(diào)理電路的任務(wù)和工作條件是：1)帶寬和增益，對(duì)20 kHz、毫伏級(jí)的信號(hào)放大約1 000倍，且動(dòng)態(tài)范圍較大；2)供電電源，車載電池供電，使用單電源放大電路，電池額定電壓為7．2 V；3)信號(hào)轉(zhuǎn)換，對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行幅度檢波。
使用分立元件搭建電路雖然能實(shí)現(xiàn)該功能，但電路復(fù)雜，調(diào)試不方便，并且電路性能會(huì)隨電池電壓的波動(dòng)而變化。常見的通用運(yùn)放如OP07、LM324、LM358等，對(duì)于20 kHz信號(hào)無法滿足帶寬和增益的要求，同時(shí)，其輸出擺幅較小。近年來出現(xiàn)的一些新的集成運(yùn)算放大器能很好地承擔(dān)上述任務(wù)。如OPA228系列運(yùn)放、MAX445l系列運(yùn)放。特別是MAX4451雙運(yùn)放，-3 dB帶寬達(dá)210 MHz，可以在+4．5～+11 V單電源條件下工作，輸出擺幅大，具有軌到軌輸出，開環(huán)增益大于50 dB，使用兩級(jí)放大外加負(fù)反饋完全能勝任。實(shí)際電路如圖1所示。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/180510.htm
智能車是靠電池驅(qū)動(dòng)的，隨著工作時(shí)間持續(xù)，電池電壓必然下降。由于運(yùn)放MAX4451的共模抑制比極高，典型值CMRR=95 dB，所以在單電源條件下可正常工作，并且，電池電壓的波動(dòng)基本不影響運(yùn)放的工作性能。
圖1中L1是檢測(cè)線圈。R1、R2分壓為運(yùn)放提供輸入偏置電壓，適當(dāng)調(diào)節(jié)R2可改變放大器的輸入偏置電壓。由于第2級(jí)放大電路的增益設(shè)定為(R5／R4)=30倍，可根據(jù)檢測(cè)線圈L1輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，適當(dāng)選擇R3改變第1級(jí)的放大倍數(shù)，從而使總增益滿足要求。引入R7是為了降低第1級(jí)放大電路的直流增益，從而提高靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性。但R7的引入降低了第1級(jí)電路的交流放大能力，故接人C4=0．47μF實(shí)現(xiàn)交流旁路。VD1、R6和C3構(gòu)成幅度檢波電路，VD4選擇壓降較小的高頻鍺二極管，檢波電路的時(shí)間常數(shù)τ=R6C3一般選擇為激磁電流(f=20 kHz)周期的3～5倍，C3的容量越大，輸出到單片機(jī)A／D端的直流電壓中的20 kHz波紋越小，但C3的容量過大將導(dǎo)致電路響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)智能車與賽道的偏離反應(yīng)遲鈍．C3的實(shí)際取值應(yīng)在此估算的基礎(chǔ)上通過測(cè)試確定。
此外，按常理，R1=R2分壓為運(yùn)放提供輸入偏置應(yīng)該為電源電壓VCC的一半，約3．6 V。但由于VD1、R6和C3構(gòu)成的是正半周峰值包絡(luò)檢波電路，檢測(cè)線圈L1的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，檢波電路輸出的直流電位越高。如前所述，線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)受多種因素影響變化范圍較大，為增大此電路的輸出擺幅，選擇R1=20 kΩ，R2=5．1kΩ，使運(yùn)放同相端的輸入偏置電壓降低到約1．8 V，以降低檢波電路輸出端的初始直流電
位，增大電路的動(dòng)態(tài)范圍。
4 結(jié)論
上述電路能滿足磁導(dǎo)航智能車對(duì)信號(hào)檢測(cè)的要求。電路調(diào)節(jié)方法：靜態(tài)條件下，調(diào)節(jié)R2使檢波電路輸出電壓約為1V；動(dòng)態(tài)條件下，當(dāng)豎直放置的檢測(cè)線圈距離賽道載流線最近，且激磁電流為150 mA時(shí)，調(diào)節(jié)R3使檢波電路輸出電壓接近但不超過5 V，以滿足單片機(jī)A／D端采集電壓的要求。
由于檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)隨著線圈與賽道載流線之間距離增大而迅速減小，為提高賽道檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性．使用一個(gè)檢測(cè)線圈是不行的。實(shí)際上，可以在小車的前端平行放置多個(gè)豎直檢測(cè)線圈，每個(gè)檢測(cè)線圈都配接相同的信號(hào)調(diào)理電路，智能車上的單片機(jī)必須快速巡回采集每個(gè)調(diào)理電路的輸出電壓，找出輸出電壓最大值，就可判斷出的賽道載流線就在該路檢測(cè)線圈的正下方。
單片機(jī)巡回采集各個(gè)調(diào)理電路的輸出電壓時(shí)，只需要比較哪一路輸出電壓最大，就能實(shí)現(xiàn)尋道，并不關(guān)心具體電壓的數(shù)值。這種“找最大”方法的優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)調(diào)理電路的輸出電壓與賽道激磁頻率((20±2)kHz)、激磁電流(50～150 mA)有關(guān)，但激磁頻率和激磁電流對(duì)各路檢測(cè)電壓的影響是相同的，上述“找最大”方法始終能夠根據(jù)輸出電壓的相對(duì)最大值判斷出賽道位置，這就使得尋道檢測(cè)電路對(duì)賽道有很好的適應(yīng)能力。
多個(gè)檢測(cè)線圈也可以采用水平放置的方式，配接電路相同。但不難看出，若檢測(cè)線圈水平放置在載流導(dǎo)線正上方時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零；檢測(cè)線圈位于載流導(dǎo)線上方的一側(cè)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大；檢測(cè)線圈位于載流導(dǎo)線上方的一側(cè)，且偏離較遠(yuǎn)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小。此時(shí)，智能車上的單片機(jī)應(yīng)該快速巡回采集每個(gè)調(diào)理電路的輸出電壓，找出輸出電壓最小值，就可判斷出賽道載流線就在該路檢測(cè)線圈的正下方。
評(píng)論