機(jī)器視覺(jué)電子電路設(shè)計(jì)圖集錦 —電路圖天天讀（82）

　　TOP1 信號(hào)燈的線性LED驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)攻略

　　電路說(shuō)明：本應(yīng)用筆記介紹了一款線性LED 驅(qū)動(dòng)方案，用于驅(qū)動(dòng)6串LED 信號(hào)燈，每串包含4只串聯(lián)LED。每串LED 負(fù)載具有獨(dú)立的陽(yáng)極接點(diǎn)，陰極連接在一起。該電路采用汽車電池供電，　最低電壓為10V，最高電壓為28V，能夠?yàn)槊看甃ED 提供350mA 電流。由于使用共陰極架構(gòu)，檢流電阻必須放置在LED 串的陽(yáng)極端。LED 驅(qū)動(dòng)器（MAX16836）電流檢測(cè)輸入端的最大共模電壓限制在4V，因此，檢流電阻兩端的電壓必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，以地為參考，以符合驅(qū)動(dòng)器的要求。一對(duì) PNP 晶體管把LED 檢流電阻的電壓轉(zhuǎn)換成以GND 為參考的電壓，送入MAX16836電流檢測(cè)引腳。下式提供了R1、R2、R3和R4 （電路圖中U1部分）的計(jì)算。

　　圖1. 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)原理圖

　　當(dāng)LED 串的電壓處于最小值（7.6V），而輸入電壓處于最大值（28V）時(shí)，LED 驅(qū)動(dòng)電路功耗最大，大于7W。僅通過(guò)電路板散熱很難耗散如此大的熱量，所以，在高輸入電壓情況下，必須使用低占空比（低至25%）的調(diào)光信號(hào)驅(qū)動(dòng) UNIVERSAL DIM 輸入，以降低驅(qū)動(dòng)器的功耗。

　　解讀NCV70522汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)電路

　　由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)有時(shí)可能會(huì)堵轉(zhuǎn)。一旦電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電子控制單元（ECU）將失去前照燈位置的跟蹤信息并作出不恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，滋生極嚴(yán)重的安全問(wèn)題，所以AFS 應(yīng)用中堵轉(zhuǎn)檢測(cè)是必不可少的。通?？梢酝ㄟ^(guò)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）來(lái)判斷電機(jī)堵轉(zhuǎn)與否。BEMF 因電機(jī)速度、負(fù)載及供電電壓的不同而變化。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片無(wú)BEMF 輸出，但包含內(nèi)置堵轉(zhuǎn)檢測(cè)算法?？蛻魞H可以在寄存器里設(shè)定固定的堵轉(zhuǎn)認(rèn)定臨界值，這表示在真實(shí)道路條件下所有設(shè)定值都必須在工作之前“離線”預(yù)設(shè)，而不能適配真實(shí)工作條件。NCV70522微步步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器透過(guò)SLA 引腳提供BEMF 輸出，這表示它能實(shí)時(shí)進(jìn)行停轉(zhuǎn)檢測(cè)計(jì)算，并根據(jù)不同條件來(lái)調(diào)節(jié)檢測(cè)等級(jí)。

　　NCV70522是一款微步步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于雙極型步進(jìn)電機(jī)。這芯片通過(guò)I/O 引腳及SPI 接口連接至外部微控制器。NCV70522輸出電流有多種選擇。它根據(jù)“NXT”輸入引腳上的脈沖信號(hào)以及方向寄存器［DIRCTRL］或“DIR”輸入引腳的狀態(tài)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)下一個(gè)微步。這器件提供從滿步到32微步的細(xì)分、由SPI 寄存器SM［2:0］來(lái)選擇的7種步進(jìn)模式。NCV70522包含SLA 的輸出，可以用于堵轉(zhuǎn)檢測(cè)算法及根據(jù)電機(jī)的BEMF 來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和速度計(jì)算。典型應(yīng)用電路圖如圖所示。

　　當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)候，微控制器就會(huì)初始化，NCV70522復(fù)位。這些動(dòng)作完成時(shí)，線圈電流及步進(jìn)模式將被設(shè)定。然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將啟用。NXT 脈沖將被發(fā)送實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)速等于NXT 脈沖頻率乘以步進(jìn)細(xì)分模式的值。

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　　TOP2 解讀兩種機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方案

　　機(jī)器人行走電路由驅(qū)動(dòng)電路和直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)電路兩個(gè)單元構(gòu)成。電路通過(guò)運(yùn)用555構(gòu)成的多諧振蕩電路，同步計(jì)數(shù)器74LS196，七段譯碼器 74LS248，雙JK觸發(fā)器等基本單元電路，通過(guò)上述基本電路的級(jí)聯(lián)組合，構(gòu)成機(jī)器人行走電路。電路有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走與后退，通過(guò)調(diào)節(jié)阻值的大小而控制行走的時(shí)間，時(shí)間在數(shù)碼顯示管顯示。利用三極管的導(dǎo)通和截止控制機(jī)器人的行走方向，從而滿足設(shè)計(jì)電路的要求。

　　電路原理系統(tǒng)框圖

　　方案一 電路圖

　　555構(gòu)成多諧振蕩電路產(chǎn)生方波信號(hào)，74LS196構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，74LS248控制七段共陰極數(shù)碼管顯示電路顯示，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)滿產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)雙JK觸發(fā)器，雙JK觸發(fā)器在觸發(fā)信號(hào)的作用下輸出發(fā)生高低電平跳變，觸發(fā)器發(fā)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)兩端壓差發(fā)生正負(fù)跳變，直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)和后退。電路中各個(gè)開關(guān)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)方向和時(shí)間。

　　方案二 電路圖

　　74LS123構(gòu)成的定時(shí)器產(chǎn)生矩形波信號(hào)，用74HC161和與非門74HC03構(gòu)成加十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，74LS248控制七段共陰極數(shù)碼管顯示電路顯示，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)滿產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)雙JK觸發(fā)器，雙JK觸發(fā)器在觸發(fā)信號(hào)的作用下輸出發(fā)生高低電平跳變，通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路改變電機(jī)兩端電壓方向，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。電路中開關(guān)也可是電機(jī)制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)。

　　機(jī)器人行走電路工作原理

　　555構(gòu)成的多諧振蕩電路產(chǎn)生方波信號(hào)接到74LS196時(shí)鐘端觸發(fā)74LS196加計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并通過(guò)74LS248驅(qū)動(dòng)七段共陰極數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)。加計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)滿十，通過(guò)74HC20與非門產(chǎn)生下降沿信號(hào)驅(qū)動(dòng)雙JK觸發(fā)器使JK觸發(fā)器構(gòu)成的T‘觸發(fā)器輸出取非，從而驅(qū)動(dòng)三極管構(gòu)成的開關(guān)電路，通過(guò)各個(gè)三極管的導(dǎo)通與截止來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)兩端的壓差的正負(fù)跳變，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)與后退。其中，通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)單刀五擲開關(guān)可以改變多諧電路輸出方波周期，來(lái)調(diào)節(jié)小車的前進(jìn)與后退的時(shí)間。多諧振蕩電路產(chǎn)生方波信號(hào)接入到74196時(shí)鐘端，驅(qū)動(dòng)74196進(jìn)行加計(jì)數(shù)。圖中 74196接成了10進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)滿十時(shí)通過(guò)74HC20與非門接入到清零端進(jìn)行清零。由于計(jì)數(shù)到10時(shí)，便會(huì)立刻清零，不會(huì)在數(shù)碼管上顯示，所以此時(shí)信號(hào)很弱，不可以作為觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)JK觸發(fā)器，JK觸發(fā)器觸發(fā)信號(hào)是計(jì)數(shù)到9時(shí)，通過(guò)74HC20輸出下降沿信號(hào)觸發(fā)。數(shù)碼顯示電路通過(guò)，74LS248驅(qū)動(dòng)的七段共陰極數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

　　MSP430F2274單片機(jī)設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)電路

　　隨著人們對(duì)汽車輔助駕駛系統(tǒng)智能化要求的提高和汽車電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，新型的倒車?yán)走_(dá)應(yīng)能夠連續(xù)測(cè)距并顯示障礙物距離，并具有通信功能，能夠把數(shù)據(jù)發(fā)送到汽車總線上去。以往的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)使用的元器件較多，功能也較簡(jiǎn)單。本文介紹的基于新型高性能超低功耗單片機(jī)MSP430F2274的倒車?yán)走_(dá)可以彌補(bǔ)以往產(chǎn)品的不足。

　　系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距原理。超聲波測(cè)距儀器一般由發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理器三部分組成。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，超聲波接收器接收遇到障礙物反射回來(lái)的反射波，準(zhǔn)確測(cè)量超聲波從發(fā)射到遇到障礙物反射返回的時(shí)間，根據(jù)超聲波的傳播速度，可以計(jì)算出障礙物距離。作為一種非接觸式的檢測(cè)方式，超聲波具有空氣傳播衰減小、反射能力和穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)。超聲波測(cè)距具有在近距離范圍內(nèi)有不受光線和雨雪霧的影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)。高性能的單片機(jī)結(jié)合超聲波測(cè)距，可以實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大、使用方便的倒車?yán)走_(dá)。TI 公司的16位單片機(jī)MSP430F2274功耗極低，片上資源豐富，同時(shí)利用JTAG 接口技術(shù)，可以對(duì)片上閃存方便的編程，便于軟件的升級(jí)，非常適合作為倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的微控制器。

　　TOP3 MSP430F2274單片機(jī)設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)電路

　　系統(tǒng)的主控電路圖如圖2所示。本系統(tǒng)中選用的MSP430F2274片內(nèi)有32Kb 閃存和1Kb RAM，因此無(wú)須外擴(kuò)存儲(chǔ)器。外接的32.768kHz 晶振作為CPU 關(guān)閉狀態(tài)Basic-TImer 的時(shí)鐘源，同時(shí)也作為系統(tǒng)的車載時(shí)鐘使用。超聲波發(fā)送模塊電路如圖3所示，由超聲波產(chǎn)生和發(fā)射兩部分組成。超聲波的產(chǎn)生方法有兩種：硬件發(fā)生法和軟件發(fā)生法。常用的硬件發(fā)生法常采用如下方案：超聲波由CD4011構(gòu)成的振蕩器振蕩產(chǎn)生，經(jīng)升壓變換推動(dòng)超聲波換能器而發(fā)射出去，振蕩器的起振和停振由單片機(jī)來(lái)控制。本設(shè)計(jì)采用軟件發(fā)生法，因?yàn)橥ㄟ^(guò)軟件發(fā)生法既可以減少硬件的復(fù)雜程度，降低系統(tǒng)的成本，又具有靈活性強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)利用 MSP430F2274單片機(jī)的定時(shí)器功能來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的PWM（40Hz）脈沖波，并通過(guò)I/O 端口P2.3輸出到超聲波發(fā)射部分。在超聲波發(fā)射電路中CD4049一共包括了6個(gè)非門，圖3中線路僅使用了3個(gè)，為了防止干擾或被靜電擊穿導(dǎo)致整個(gè) CD4049損壞，把沒(méi)有使用的那一側(cè)的3個(gè)非門串起來(lái)做接地處理。當(dāng)控制端輸出一系列固定頻率脈沖時(shí)，在壓電陶瓷型超聲波發(fā)射換能器UCM-40-T 上就固定頻率的加正電壓和反電壓，發(fā)出大功率的超聲波，所得到的波形比其他方式效果更理想。

　　超聲波接收電路如圖4所示。這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的一個(gè)難點(diǎn)。壓電陶瓷型超聲波接收器UCM-40-R 接收反射的超聲波轉(zhuǎn)換為40kHz 毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)放大、處理、才能用于觸發(fā)單片機(jī)中斷。一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)微弱，由于反射條件不同，需要放大倍數(shù)的范圍大約是 100～5000，另一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲎杩馆^大，需要高輸入阻抗的多級(jí)放大電路，而高輸入阻抗容易接收干擾信號(hào)。通常采用兩種方案：一是采用運(yùn)算放大器組成多級(jí)選頻放大電路；二是采用專用的集成前置放大器。第一種方案容易產(chǎn)生自激振蕩，要使接收電路達(dá)到很好靈敏度和抗干擾效果，電路的調(diào)試是較困難的。本系統(tǒng)采用專用的集成電路前置放大器CX20106，它由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增益，在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過(guò)載。調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻 R3，將它的濾波器的中心頻率設(shè)置在40kHz，達(dá)到了很好的效果。當(dāng)接收到與濾波器中心頻率相符的信號(hào)時(shí)，其輸出引腳7輸出一個(gè)低電平，而輸出引腳7直接接到MSP430F2274的P2.2上，以觸發(fā)中斷。

　　TOP4 報(bào)警模塊采用簡(jiǎn)單的聲光報(bào)警電路

　　報(bào)警模塊采用簡(jiǎn)單的聲光報(bào)警電路，如圖5所示。先設(shè)定一個(gè)臨界值，當(dāng)車尾與障礙物的距離小于設(shè)定的最小距離時(shí)，紅色指示燈閃亮，綠色指示燈熄滅。單片機(jī)向其端口發(fā)出PWM 脈沖，隨著距離的減小，通過(guò)控制PWM 脈沖的占空比使閃光和蜂鳴的頻率加劇，以此來(lái)提示駕駛員。

　　通信接口電路如圖6所示。采用美信的MAX3232芯片，外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需要5個(gè)0.1μF 。該電路把單片機(jī)串口輸出信號(hào)隔離變換成RS-232信號(hào)發(fā)送到汽車總線上，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的通信。

　　鍵盤和顯示電路如圖7所示，由鍵盤和液晶顯示兩部分組成。其中鍵盤采用獨(dú)立式按鍵，有3個(gè)按鍵，一個(gè)設(shè)置鍵、一個(gè)上翻鍵、一個(gè)下翻鍵。可以進(jìn)行報(bào)警值、工作方式、時(shí)鐘等各個(gè)參數(shù)的設(shè)置。液晶顯示電路采用ZJM12864BSBD 這款低功耗的點(diǎn)陣圖形式LCD，顯示格式為128點(diǎn)（列）&TImes;64點(diǎn)（行），具有多功能指令，容易使用，可實(shí)時(shí)的顯示時(shí)鐘、距離和報(bào)警提示信息，方便直觀。采用模塊化設(shè)計(jì)，程序由主程序、測(cè)距子程序和鍵盤顯示子程序、時(shí)鐘顯示子程序等多個(gè)模塊組成，調(diào)試過(guò)程中對(duì)其中每個(gè)功能模塊和子程序逐一調(diào)試，在每個(gè)子程序都完成指定的功能后，再進(jìn)行綜合調(diào)試。

　　基于RFID 技術(shù)的汽車安全防盜系統(tǒng)

　　射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。汽車安全防盜系統(tǒng)采用射頻識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID 技術(shù)采用射頻傳輸，可以透過(guò)外部材料讀取芯片數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)非接觸操作。通信數(shù)據(jù)使用加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)、管理及通信。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子芯片集成度的提高，RFID 系統(tǒng)成本也在不斷地降低，加快了智能化在汽車電子行業(yè)中的推廣與應(yīng)用。智能汽車安全防盜系統(tǒng)由輪胎發(fā)射模塊、遙控鑰匙模塊和基站模塊組成。對(duì)RFID 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，收發(fā)頻率大小決定了射頻識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別距離、電路實(shí)現(xiàn)的難易程度以及硬件設(shè)計(jì)成本。在汽車安全防盜設(shè)計(jì)中，125 kHz 等低頻（LF）頻段用于近距離、低速度，數(shù)據(jù)量要求較少的汽車引擎防盜系統(tǒng)的識(shí)別；434 MHz 等超高頻（UHF）頻段則用于遠(yuǎn)距離的射頻通信系統(tǒng)（汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)）的識(shí)別。

　　輪胎模塊電路

　　輪胎模塊由輪胎狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集與發(fā)射電路組成，如圖2 所示。

　　輪胎模塊電路采用FREESCALE公司的智能嵌入式傳感器MPXY8300.該系列傳感器集成了該公司的低功耗S08 核，內(nèi)含512 字節(jié)RAM和16 KB Flash，同時(shí)還集成了低功耗電容式壓力、溫度傳感器和單通道的低頻輸入接口。其RF發(fā)射支持315 MHz 和434 MHz 兩種載波頻率，并可通過(guò)編程配置使寄存器為幅移鍵控（ASK）或頻移鍵控（FSK）調(diào)制方式。它還集成了電荷泵功能，當(dāng)電池電壓較低時(shí)，可提高RF 發(fā)射部分供電電壓，從而使其仍能達(dá)到一定的R F 發(fā)射強(qiáng)度。MPXY8300 是一款將壓力溫度傳感器、8 位微控制器（MCU）、RF 發(fā)射器和雙軸（XY）加速器全部集成到一個(gè)片上的系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）。MPXY8300 壓力測(cè)量范圍：轎車100~800 kPa，卡車100~1 400 kPa，溫度測(cè)量范圍：-40~125 ℃。

　　TOP5 剖析智能汽車安全防盜視覺(jué)系統(tǒng)電路

　　鑰匙模塊電路

　　鑰匙模塊芯片采用NXP 公司生產(chǎn)的PCF7961。PCF7961是一個(gè)基于低功耗8位MRKII架構(gòu)的精簡(jiǎn)指令集（RISC）處理器，它集成了UHF發(fā)射器與LF頻收發(fā)器的芯片。這種芯片能夠完成射頻發(fā)射和應(yīng)答器低頻通信認(rèn)證，適合于機(jī)動(dòng)車輛遙控防盜裝置。它采用快速相互鑒別算法，使用隨機(jī)數(shù)字、密鑰和口令，具有靈敏度高（遠(yuǎn)距離）和鑒別時(shí)間短（39 ms）的特點(diǎn)。PCF7961 還提供了出廠時(shí)已經(jīng)固化了的32 位身份識(shí)別碼（ID）。圖3 是鑰匙模塊的電路原理圖。

　　基站模塊電路

　　基站模塊主要由射頻接收電路、低頻收發(fā)電路、主控芯片MCU、LIN 接口以及人機(jī)接口組成。射頻接收電路采用FREESCALE 公司的UHF 射頻接收芯片MC33596，完成信號(hào)解調(diào)和數(shù)據(jù)曼切斯特解碼后，將數(shù)據(jù)傳送到基站主控芯片MC9S08DZ60，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（RKE 數(shù)據(jù)解密）和指令執(zhí)行。低頻收發(fā)器采用NXP公司生產(chǎn)的PJF7992.PJF7992集成了所有必需的功能方便讀寫應(yīng)答器，基站微處理器通過(guò) PJF7992 帶有的LIN串行接口控制PJF7992 和應(yīng)答器之間的通訊?；局骺匦酒捎肍 RE E SC A L E 公司生產(chǎn)的MC9S08DZ60，它可以通過(guò)SPI 串行總線對(duì)射頻接收芯片MC33596 參數(shù)進(jìn)行配置與通信。MC9S08DZ60 內(nèi)部集成了2 個(gè)SCI（LIN）模塊，可通過(guò)一路LIN 總線實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻收發(fā)芯片PJF7992 的控制，另一路LIN總線實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）與門控相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳送命令。在汽車安全防盜系統(tǒng)中加入LIN總線接。

　　提出了一種基于RFID 技術(shù)的汽車安全防盜視覺(jué)系統(tǒng)，在試驗(yàn)臺(tái)上完成了相關(guān)的功能調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了輪胎壓力監(jiān)測(cè)，遙控門鎖和發(fā)動(dòng)機(jī)防盜鎖止功能等，在系統(tǒng)中加入了LIN 總線接口，可使該系統(tǒng)能夠與汽車內(nèi)部其他電子控制系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)與控制信息，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性與安全性、節(jié)約了系統(tǒng)空間、降低了生產(chǎn)成本，將會(huì)在汽車電子領(lǐng)域具有較廣的應(yīng)用前景。

　　解讀視覺(jué)疲勞消除器系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　電路工作原理

　　該視覺(jué)疲勞消除器電路由脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)分頻器和LED顯示電路組成，如圖所示。

　　電路中，脈沖發(fā)生器電路由時(shí)基集成電路IC 1、電阻器R1、R2、二極管VD1和電容器Cl、C2組成；計(jì)數(shù)分頻器電路由十進(jìn)制計(jì)數(shù)／脈沖分配器集成電路IC2和二極管VD2 - VD11組成；LED顯示電路由電阻器R3 - R6和發(fā)光二極管VLl一V L4組成。脈沖發(fā)生器通電工作后，從ICl的3腳輸出振蕩信號(hào)，作為IC2的計(jì)數(shù)脈沖。IC2通電復(fù)位后，在輸人脈沖的作用下，其YO一Y9端依次循環(huán)輸出高電平，驅(qū)動(dòng)VL1一VM按一定規(guī)律循環(huán)不停地發(fā)光。當(dāng)IC2的YO端、Y4端和Y7端輸出高電平時(shí)，VLI被點(diǎn)亮；在Y1端、Y6端輸出高電平時(shí)，V L2被點(diǎn)亮；在Y2端、Y5端和Y9端輸出高電平時(shí)，V L3被點(diǎn)亮。在Y3端和Y8端輸出高電平時(shí)，V L4被點(diǎn)亮。

　　發(fā)光二極管 VLI一VL4的發(fā)光順序?yàn)閂Ll-VL2-L3-VL4-VLl-VL3-VL2-VL1-VL4-VL3-VLl-VL2不停地循環(huán)。將4只發(fā)光二極管（VLI一V拼）分別安裝在一平面的上、下、左、右相互對(duì)稱的位置上（上、下或左、右相對(duì)應(yīng)的兩只發(fā)光二極管的距離為30mm左右）。當(dāng)用眼疲勞時(shí)，眼睛隨著發(fā)光二極管的亮滅不停地轉(zhuǎn)動(dòng)（使用時(shí)，眼睛與發(fā)光二極管的距離為25 - 30cm），即可達(dá)到消除視力疲勞、預(yù)防近視的目的。

　　元器件選擇

　　Rl一R6選用1/4W碳膜電阻器或金屬膜電阻器。C1和C2選用獨(dú)石電容器或滌綸電容器。VD1一VD11均選用1 N4148型硅開關(guān)二極管。VU一VL4均選用Φ5mm或Φmm的綠色高亮度發(fā)光二極管。IC 1選用NE555型時(shí)基集成電路；IC2選用CD4017型十進(jìn)制計(jì)數(shù)／脈沖分配器集成電路。

　　TOP6 機(jī)器視覺(jué)采集系統(tǒng)應(yīng)用電路揭秘

　　視覺(jué)導(dǎo)航又叫做圖像識(shí)別導(dǎo)航，它分為兩種方式：一種是有線式，另一種是無(wú)線式。無(wú)線式的視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)是利用CCD在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)攝取周圍環(huán)境的相應(yīng)的圖像資料，并與設(shè)定的運(yùn)行路徑在信息數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而確定AGV當(dāng)前地位置，進(jìn)而經(jīng)過(guò)控制模塊對(duì)小車的運(yùn)行路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)的決策。第一種即有線式視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)是根據(jù)AGV現(xiàn)場(chǎng)的具體地面或者路邊明顯路標(biāo)，經(jīng)過(guò)車載的攝像裝置（CCD）動(dòng)態(tài)地獲取路邊的圖像，再經(jīng)過(guò)車載的計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，進(jìn)而識(shí)別出路徑的相應(yīng)標(biāo)識(shí)線，并且判斷AGV與期望標(biāo)識(shí)線的距離和與標(biāo)識(shí)線的夾角，進(jìn)而通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制AGV的實(shí)際行駛路徑在與期望的路經(jīng)保持在允許的范圍內(nèi)即可。

　　有線視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：可以獲取較大容量的信息、具體路徑的設(shè)置與變化比較簡(jiǎn)單、系統(tǒng)具有較好的柔性等，而且具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可行性和比較廣闊的前景，是現(xiàn)今AGV的先進(jìn)的導(dǎo)航技術(shù)和重要發(fā)展方向。車載攝像裝置主要是由CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、光源等設(shè)備組成。攝像裝置采集信息的電路原理圖見下圖：

　　攝像頭采集電路圖

　　在視覺(jué)系統(tǒng)啟動(dòng)后，AGV的車載CCD攝像機(jī)就對(duì)小車前方的路徑進(jìn)行相應(yīng)的圖像采集，經(jīng)過(guò)圖像采集卡后，經(jīng)過(guò)處理后送到相應(yīng)的上位計(jì)算機(jī)。AGV的上位計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)對(duì)地面的信息進(jìn)行適當(dāng)圖像處理（主要包括閾值處理、掩膜、直方圖分析、圖像分割、邊緣檢測(cè)、區(qū)域增長(zhǎng)）與圖象分析（主要包括特征攝取、物體識(shí)別、位置大小和方向以及圖像其它物理特征的分析和較深度的信息處理），進(jìn)而形成相應(yīng)的控制指令，再傳到車載計(jì)算機(jī)（單片機(jī)），進(jìn)而控制AGV的相應(yīng)的動(dòng)作。視覺(jué)系統(tǒng)的工作原理的示意圖：

　　采用LED模擬調(diào)光的機(jī)器視覺(jué)辨認(rèn)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)指南

　　由于發(fā)光二級(jí)管技術(shù)的不斷發(fā)展，正逐步地應(yīng)用于信號(hào)、顯示、照明和機(jī)器視覺(jué)辨認(rèn)等各種領(lǐng)域。而常用的LED 亮度控制方式主要是模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光（ PWM）。比起現(xiàn)有的模擬調(diào)光，數(shù)字調(diào)光能取得一個(gè)更高的調(diào)光比和電流精度，應(yīng)用更為廣泛。在普通照明中，PWM 調(diào)光的開關(guān)頻率一般在幾百到幾千赫茲之間，可以有效的避免人眼可見的閃爍。但在機(jī)器視覺(jué)辨認(rèn)和工業(yè)檢驗(yàn)等領(lǐng)域，由于使用的高速攝像機(jī)和傳感器響應(yīng)速度速度比人眼快很多，因此在這些領(lǐng)域使用PWM調(diào)光必須增加開關(guān)頻率到幾十千甚至更高，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，而模擬調(diào)光卻沒(méi)有這方面的問(wèn)題。本文通過(guò)可變降壓和線性調(diào)光的兩級(jí)電路實(shí)現(xiàn)了高效、準(zhǔn)確、高動(dòng)態(tài)范圍的模擬調(diào)光輸出，并使用TI 的C2430 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出亮度調(diào)節(jié)和無(wú)線控制的功能，特別適合用于上述的機(jī)器視覺(jué)辨認(rèn)等高響應(yīng)速率的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　高動(dòng)態(tài)范圍模擬調(diào)光電路

　　常見的LED 恒流電路有以下兩種： 線性恒流電路和開關(guān)恒流電路。線性恒流電路通過(guò)監(jiān)控采樣電阻上的電壓，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)三極管的導(dǎo)通程度，控制電流，并將輸入電壓高于LED 串電壓的部分承擔(dān)。而開關(guān)恒流電路則在其不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出，同樣得到恒流的效果。相比而言，如果輸入電壓和燈串電壓差別較大時(shí)，在大電流下線性電路三極管的壓降會(huì)造成較大的功率損耗，導(dǎo)致較低的效率。

　　TOP7 采用LED模擬調(diào)光的機(jī)器視覺(jué)辨認(rèn)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)指南

　　具體電路設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)有的開關(guān)電源控制芯片也有提供模擬調(diào)光功能，但是調(diào)光比都很小，一般在幾十左右，是作為PWM 調(diào)光的一個(gè)補(bǔ)充，這個(gè)調(diào)光比和前述機(jī)器視覺(jué)辨認(rèn)的要求差距較大。針對(duì)上述情況，本文重新對(duì)線性恒流電路進(jìn)行了改進(jìn)，在這部分電路前增加了可變降壓電路， 用于匹配輸入電壓和LED 燈串電壓，提高效率; 同時(shí)使用高精度的D /A 來(lái)控制電流輸出，得到一個(gè)較高的模擬調(diào)光比。整個(gè)電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3，在AC /DC 電源的輸出總線上可以掛載多于一路的可調(diào)恒流電路，通過(guò)ZigBee 模塊進(jìn)行輸出電流控制，保證每一路輸出的電流準(zhǔn)確，可調(diào)。

　　電路分析：可變降壓電路的輸入使用AC /DC 電源提供的48V 總線，這部分電路根據(jù)后接的LED 顆數(shù)多少和輸出電流大小， 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出， 使其輸出電壓和LED 燈串電壓的差額保持較小的水平，從而減小大電流下三極管的損耗。這里使用LM5010 降壓芯片來(lái)搭建可變降壓電路，LM5010 是一個(gè)恒定導(dǎo)通時(shí)間的Buck 控制芯片。R1 和R2 組成電壓反饋電路，將輸出電壓進(jìn)行分壓后輸入至FB 腳上。每當(dāng)FB 腳上電壓低于2. 5V 時(shí)，芯片內(nèi)部的開關(guān)會(huì)固定的導(dǎo)通一段時(shí)間，導(dǎo)通時(shí)間與輸入電壓和Ron有關(guān)， 之后開關(guān)會(huì)關(guān)斷265ns 或直至FB 腳上電壓下降到2. 5V 以下。電路通過(guò)（R1 + R2） /R2·VFB來(lái)設(shè)定最大輸出電壓。另一方面，為了降低在三極管的功率損耗，我們同時(shí)監(jiān)測(cè)采集三極管和采樣電阻的壓降和， 并使用LM358 進(jìn)行正向放大后通過(guò)D2 輸入到FB 腳上。因此在三極管和采樣電阻上的壓降總和就不會(huì)大于Vdrop = （ VFB + VD2） × R3 / （ R3 + R4）。因此當(dāng)LED燈串上的電壓小于LM5010 的最大輸出電壓時(shí)，多余的電壓就會(huì)由三極管和采樣電阻承擔(dān)，當(dāng)這個(gè)電壓經(jīng)過(guò)放大后大于FB 腳的閾值時(shí)，LM5010 延長(zhǎng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)間，使輸出電壓下降，因此最終的Vout =Vled + Vdrop。從而在LED 顆數(shù)比設(shè)計(jì)值少或者在對(duì)LED 進(jìn)行調(diào)光時(shí)，前端輸出的電壓能夠更合理的匹配燈串電壓。

　　機(jī)械手視覺(jué)系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)攻略

　　機(jī)械手的三塊控制器的控制芯片都為2407DSP，雖然三塊控制器實(shí)現(xiàn)的功能不同，但在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)按照DSP 管腳的功能，設(shè)計(jì)外圍電路如下：

　　PWM 管腳：DSP 的每個(gè)事件管理器都有與比較單元相關(guān)的PWM 電路，能夠產(chǎn)生六路帶可編程死區(qū)和輸出極性的PWM 輸出，但是都是成對(duì)輸出的，對(duì)于本控制器需要的獨(dú)立的輸出，每個(gè)事件管理器只有3 路，一個(gè)DSP 有兩個(gè)事件管理器，可以獨(dú)立的輸出6 路PWM 波。液壓控制器需要6 路PWM 波驅(qū)動(dòng)電業(yè)比例閥，而伺服電機(jī)控制器需要4 路0-5V 的加速器信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在設(shè)計(jì)電路時(shí)將這兩種電路設(shè)計(jì)在一起，并制成印刷電路板，焊板時(shí)按每板的功能焊接即可，液壓控制器需要輸出PWM 波形，芯片用LM393 做比較器，此時(shí)電阻R19 和電容C71 不焊即可，但要有R21 上拉電阻，R17 和R18 將2 腳電壓分在1.7V 左右比較合適。伺服控制器需要輸出0-5V 電壓芯片用LM2904 做運(yùn)放用，焊電阻R19 和電容C17不用MOS 管、R21 和外接電源，也不用焊R17，直接將DSP 輸出0-3.3V 電壓放大到0-5V 輸出。PWM/電壓輸出電路圖見圖：

　　TOP8 機(jī)械手視覺(jué)系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)攻略

　　IO 口：DSP 的數(shù)字I/O 口模塊具有控制專用I/O 和復(fù)用引腳的功能，可以輸出輸入高低電平信號(hào)，根據(jù)其功能將其設(shè)計(jì)成開關(guān)量輸出，輸入，并用其控制繼電器，作為控的開關(guān)。開關(guān)量輸入只要用電阻分壓即可，開關(guān)量輸出使用光耦隔離，本設(shè)計(jì)用的光耦PC817，比較適合DSP 使用。當(dāng)DSP 輸出高電平時(shí)繼電器吸合，CNETA1 和CNETA2 兩腳導(dǎo)通繼電器電路圖見圖：

　　圖2 繼電器電路圖

　　QEP 電路：DSP 的每個(gè)時(shí)間管理器都有一個(gè)正交編碼器脈沖（QEP）電路。當(dāng)QEP電路被使能時(shí)可以對(duì)CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2（對(duì)于EVA 模塊）引腳上的正交編碼輸入脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)。正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率。伺服電機(jī)控制器需要使用QEP 電路，由于一個(gè)伺服電機(jī)控制器需要控制4 臺(tái)伺服電機(jī)，所以碼盤信號(hào)使用74153 芯片選擇輸入，同時(shí)碼盤的每路信號(hào)都有正負(fù)兩根線通過(guò)運(yùn)放放大后再到74153 選擇后輸入DSP，碼盤選擇電路見圖：

　　圖3 碼盤選擇電路

　　本文介紹了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中PWM/電壓輸出電路、IO 口電路與QEP 電路設(shè)計(jì)，使得開發(fā)人員可以通過(guò)電路介紹將數(shù)字技術(shù)與攝像頭、傳感器、電機(jī)和其他外設(shè)集成來(lái)輕松構(gòu)建 3D 點(diǎn)云。整個(gè)機(jī)器人車現(xiàn)在可以完成所需功能，同時(shí)也完全符合視覺(jué)設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，為將來(lái)的批量生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，市場(chǎng)潛力巨大。

　　智能視覺(jué)高速尋線機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　視頻采集模塊

　　由于單片機(jī)A/D速度限制，需要選用低分辨率的黑白攝像頭。因?yàn)榈头直媛室馕吨曨l單行掃描時(shí)間的增加，而黑白攝像頭意味著只需要單路A/D就可以完成視頻采集工作。選擇了Omvision生產(chǎn)的ov5116芯片為內(nèi)核的CMOS黑白攝像頭，分辨率為320×240，圖像刷新頻率50Hz。同時(shí)選用 LM1881視頻同步信號(hào)分離芯片提取視頻信號(hào)中的行同步和場(chǎng)同步信號(hào)，連入s12的脈沖捕捉通道。通過(guò)捕捉信號(hào)觸發(fā)AD模塊工作，采集存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)。

　　圖3 視頻采集電路原理圖

　　電機(jī)控制及電源

　　RS-380SH直流電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)PWM信號(hào)控制。選用Freescale公司的MC33886全橋驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)兩路半橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。這里的電機(jī)反轉(zhuǎn)并不為實(shí)現(xiàn)倒車，而主要用于車體減速。在進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流會(huì)隨著負(fù)載增大而瞬間放大，因此需要增大穩(wěn)壓能力，保證系統(tǒng)正常工作電壓，避免單片機(jī)自動(dòng)重啟。在整個(gè)系統(tǒng)中，有多種電壓需求，單片機(jī)和舵機(jī)為5V供電;CMOS攝像頭為 6～9V。因此，為了方便開發(fā)，這里選用最常用的7.2V充電電池組。只需在系統(tǒng)內(nèi)加入5V穩(wěn)壓芯片，提供5V電壓。

　　本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于視覺(jué)的以高速尋線為目的的行走機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)采用一塊高性能單片機(jī)，完成了從視頻采集到視頻處理，最終實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)向控制的一套尋線行走功能。系統(tǒng)輕便靈巧，無(wú)需存儲(chǔ)器擴(kuò)展和其他可編程器件配合，搭建費(fèi)用低。該方案在參加第一屆全國(guó)大學(xué)生智能車大賽中，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，取得了非常優(yōu)異的成績(jī)。

　　機(jī)器視覺(jué)照明穩(wěn)定燈照明電路設(shè)計(jì)

　　電路原理：由Q1，Q2和U1組合的磁滯振蕩器，可用來(lái)穩(wěn)定燈的照明。在操作時(shí)，全波電橋D3既可用于交流線中，或者是燈的未經(jīng)調(diào)節(jié)的直流電，又可用于為四CMOS斯密特觸發(fā)器供電的10V齊納二極管中。

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