全国大学生智能汽车竞赛硬件篇(二)—电磁信号采集部分

对于智能车硬件的整体框架主要由5部分组成:电磁信号采集与处理部分、电机驱动部分、电源管理部分、主控部分、其他部分(停车模块等)

1、电磁信号采集部分

这一部分对于电磁组别至关重要,对与摄像头组别依然可以保留2路作为出赛道的检测。

第一步 LC谐振电路

智能车比赛选择 20kHz 的交变磁场作为路径导航信号,根据麦克斯韦理论以及根据 LC 谐振电路检测小信号的原理,选取工字电感和电容搭建 LC 谐振电路进行信号采集。

全国大学生智能汽车竞赛硬件篇(二)—电磁信号采集部分_第1张图片
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由公式可知,为了使检测到的信号的输出幅值变大,应考虑两点:
第一,输出越大,R0 就要越大,为了配合信号源的输出频率 20KHz,电感越大,电感的阻抗越高,
第二,谐振的频率要在 20KHz 附近,
经过粗略计算后,本系统使用 10mH 和 6.8nF的电感和电容(计算为6.33nf,市面上只有6.8nf),但这只是大致范围,在实际选用中应对电感和电容值进行精确测量,使得到的频率尽量靠近 20kHz,并做到对称

两个方案:一、买一堆电感、电容,挨个测,找相近的,当时我们买了200个,测了20个相近的(这个看脸),一个电感单个0.2元左右,校正电容单个0.5元左右。二、买别人配好的,这个价格就比较高了,3联—5联价格在50—200不等),当然这个对车辆的影响并不是很大,只要两个电感差的不是太离谱就行,使用方案一,至少车辆在2.7米/秒(整圈平均速度)都不用考虑采用方案二

第二步 信号的放大

由于三极管放大存在温漂较大,且静电现象严重等问题,故采用集成运放芯片。信号处理模块中可采用运放采用芯片 LM358(2路)OPA2350(2路)、OPA4377(4路)。

运放的选择:
OPA2350UA:

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OPA4377

全国大学生智能汽车竞赛硬件篇(二)—电磁信号采集部分_第3张图片
运放的选择
评价集成运放性能的优劣,应看其综合性能。
SR为转换率,单位为V/ms,其值越大,表明运放的交流特性越好;
Iib为运放的输入偏置电流,单位是nA;VOS为输入失调电压,单位是mV。
Iib和VOS值越小,表明运放的直流特性越好。
所以,对于放大音频、视频交流信号的电路,选SR(转换速率)大的运放比较合适;
对于处理微弱的直流信号的电路,选用精度比较的高的运放比较合适(既失调电流、失调电压及温飘均比较小)。
没有特殊要求的场合,尽量选用通用型集成运放,这样既可降低成本,又容易保证货源。
当一个系统中使用多个运放时,尽可能选用多运放集成电路,例如LM324、LF347等都是将四个运放封装在一起的集成电路。

在智能车比赛中,如果是初期验证方案或校赛,应使用LM324、LM358等通用型集成运放,单价在0.5-1元左右,经济实惠,好用不贵;后期完善可使用OPA2350、OPA4377等精密型运放,单价在6-15元不等。

第三步 信号的检波

使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号,然后再通过单片机的 AD 采集获得正比于感应电压幅值的数值。
使用两个二极管进行倍压检波,可以获得正比于交流电压信号峰峰值的直流信号。为了能够获得更大的动态范围, 倍压检波电路中的二极管推荐使用开启电压较小的肖特基二极管。

肖特基二极管的选择:

可使用:SS14、1N5819HW-7-F(这个开启电压450mv@1A,比SS14小一点)。

SS14:

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1N5819HW-7-F:

全国大学生智能汽车竞赛硬件篇(二)—电磁信号采集部分_第5张图片

后接电压跟随器以稳定输出和带负载能力。

电压跟随器选择:

可直接采用与运放同一芯片的另一路使用,也可以接一个通用运放。

最终电路图:

OPA4377

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OPA2350(加电压跟随器)

这个图是引用第十三届华科三轮电磁的运放图
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文中涉及知识:LC谐振选频、运放器、倍压检波、肖特基二极管、电压跟随器

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