【正文】 器件辨認的電信號。 主要單元電路的設(shè)計 檢測部分的單元電路設(shè)計 （ 1） 軌跡 檢測電路的設(shè)計 題目要求小車在直道區(qū)和彎道區(qū)要沿著黑線行駛，但由于小車不可能始終保持一定的方向，必然會偏離黑 色軌道，從而導致小車沖出軌道。小車右偏時的狀態(tài)與左偏狀態(tài)相反。在三極管的基極 B 和發(fā)射極 E 接一個 F 的電容，減少電路中的“ 毛刺”，以減輕電路的干擾。電感諧振測量電路如圖 所示，電容 C C C外測電感 L2和反相器 U1A構(gòu)成了 LC振蕩回路，運放 LM393實現(xiàn)了正弦波的整形功能，為了提高電路的帶負載能力，在輸出加上了一級反相器。 由上式可知線圈外徑大時，傳感器敏感范圍大，線 性范圍相應(yīng)的也增大，但靈敏度降低。 。線圈薄時，靈敏度高。它們與傳感器的線圈的形狀和尺寸有關(guān)。 （ 2）金屬探測電路的設(shè)計 在小車行駛的軌道上放著 1～ 3塊金屬片，在彎道區(qū)的 C點上也有一塊金屬片，要求小車在行駛過程中對軌道上的金屬片個數(shù)計數(shù)，檢測到 C點上的金屬片后停車 。 一體化 紅外發(fā)射接收 IRT中的發(fā)射二極管導通，發(fā)出紅外光 77 線，經(jīng)反射物體反射到接收管上，使接收管的集電極與發(fā)射極間電阻變小，輸入端電位變低， 圖 光電檢測電路 輸出端為高電平，三極管導通，集電極 C為低電平，再經(jīng)斯密特反相器后為高電輸入到 89C51單片機的 INT0端口。在本設(shè)計中采用了兩個光電傳感器，分別安裝在車底的中部的左右兩端。 智能控制部分：系統(tǒng)中控制器件根據(jù)由傳感器變換輸出的電信號進行邏輯判斷，控制小車的電機、顯示數(shù)碼管、蜂鳴器以及發(fā)光二極管，完成了小車的自動尋跡行駛、探測金屬、躲避障礙物、尋找光源、顯示路程等各項任務(wù)。 2. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng)硬件的基本組成部分 本題是一個光、機、電一體的綜合設(shè)計 ,在設(shè)計中運用了檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)和電子技術(shù)。通過光電傳感器所得的信息， AT89C51計算出路程，確定小車進入彎道區(qū)，并與 AT89C2051 通信，使電機加速，提高轉(zhuǎn)彎的力矩。 系統(tǒng)的基本框圖如圖 。 （ 10）狀態(tài)標志模塊 狀態(tài)標志模塊的設(shè)計要求是在小車檢測到金屬時發(fā)出光聲信號。由于本系統(tǒng)的控制器是由單片機構(gòu)成的，其內(nèi)部有很好的定時系統(tǒng)，因此系統(tǒng)使用 AT89C51內(nèi)置的定時器 /計數(shù)器實現(xiàn)該模塊功能。 數(shù)碼管是采用 BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。但由于只需顯示時間和路程這樣的數(shù)字，信息量比較少，且由于液晶是以點陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大，控制器的資源占用較多，其成本也偏高。 （ 8）顯示模塊 74 在小車運行過程中，系統(tǒng)需要對運行的時間和路程作 必要的顯示。 圖 繼電器式電機驅(qū)動電路 方案二：采用三極管組成的開關(guān) PWM電路。對 于電機驅(qū)動電路有下面的幾種方案。同時為提高傳感器的方向性，在二極管感應(yīng)平面的前端固定一根 2cm長的塑料筒， 光源檢測 72 實物示意圖 如圖 。光源探測模塊的功能主要是引導小車朝光源行駛，使小車具有追蹤光源的功能。表 ，從表中可以看出，中間的傳感器起到預(yù)判的作用，在小車輕微偏離時，可以調(diào)整車輪小幅度偏轉(zhuǎn)，一旦小車速度過快，嚴重偏離軌道時，調(diào)整小車大幅度偏轉(zhuǎn)，小車的穩(wěn)定度和速度得到了保證。且這些紅外光子的能量的大 ?。醇t外光還必須滿足一定的波長范圍），必須滿足一定的要求，才能激發(fā)束縛電子，起激發(fā)作用。 熱探測器是利用所接收到的紅外輻射 后，會引起溫度的變化，溫度的變化引起電信號輸出，且輸出的電信號與溫度的變化成比例，當紅外線被黑線吸收是、 71 時，溫度會減小，電壓變低，而紅外線沒有被吸收時，電壓不變，單片機可以根據(jù)電壓的變化來判斷路面的狀態(tài)。 （ 5）路 面軌跡檢 測模塊 路面檢測模塊實現(xiàn)小車跟隨黑色軌道行駛，在行駛的途中不能超出軌道。受鼠 標的工作原理啟發(fā)，采用透射式光電傳感器。 在本設(shè) 計中，采用 高靈敏度、高可靠性、高穩(wěn)定性、耐高、低溫度、耐濕度、耐沖擊、發(fā)射頻率為 40kHz的超聲波傳感器判斷障礙物的距離。 應(yīng)用單片機發(fā)射和接收超聲波傳感器信號 的方框圖 如圖 。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時，入射角等于反射角 。如圖 ，單片機控制信號在延時后控制激光發(fā)射器發(fā)射激光束，同時開始計時，當接收器將接收的信號反饋給單片機時停止計時 。對于測距傳感器的選擇有以下幾種方案。當被測物體與線圈的接近時，導體產(chǎn)生的感應(yīng)磁場使線圈的 電感變化 L，從而引起 LC回路失諧 ，振幅下降，輸出電壓 u變小。 調(diào)幅法：調(diào)幅電路如圖。它是將線圈的電感 L隨外作用變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流變化。電渦流傳感器的探測部分是由空心線圈構(gòu)成的，當線圈有振蕩電流通過時，空心線圈產(chǎn)生一個交變的磁場 H1，當有金屬導體進入線圈的磁場范圍時，金屬導體內(nèi)部便產(chǎn)生感應(yīng)電流，即，渦流 I2，該渦流又產(chǎn)生一個新的感應(yīng)磁場 H2， H2和 H1的方向相反，它會削弱原磁場 H1，從而使線圈的阻抗、 Q值和 L的值發(fā)生改變。 圖 單片機控制的方框圖 （ 2） 金屬探測模塊 金屬探測模塊主要用于跑道中金屬塊的探測。基于以上分析擬定方案二，小車 單片機控制的方框圖 如圖 。 FPGA采用并行的輸入輸出方式 ，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。 圖 小車的基本模塊方框圖 各模塊方案選擇和論證 根據(jù)題目要求，控制器主要用于各個傳感器信號的接收和辨認、控制小車的電機的動作、控制顯示車速與運行的時間以及小車在停車時發(fā)出的聲光信號等。 1. 系統(tǒng)方案選擇和論證 設(shè)計要求 （注：設(shè)計要求與第 1章 ，本書為節(jié)省篇幅，略） 66 系統(tǒng)基本方案 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為控制部分和信號檢測部分。 電機 控制核心采用 AT89C2051單片機，控制系統(tǒng)與電路用光 電耦合器 完全隔離以避免干擾。個別指標由于時間有限只完成相應(yīng)的軟件和硬件設(shè)計，整體調(diào)試還未能全部完成。 頻率誤差 由式 ()可知，若忽略標頻 fosc的誤差，則等精度 測頻可能產(chǎn)生的相對誤差為 ： ％100f ff xe xxc ???? () 其中， fxe 為被測信號頻率的準確值 。 （ 2）數(shù)字式移相信號發(fā)生器的相位誤差 ① 相位量化誤差 :由于波形是通過一系列有限的離散采樣點表示的，這就不可避免地引被測量 預(yù)置值 實測值 誤差（ %） 相位差（ 186。 相位 差測量 測量相位差：先將數(shù)字式移相信號發(fā)生器的 A B兩輸出端與相位測量儀的 A B兩輸入端連接，然后設(shè)置撥碼盤，按下置數(shù)開關(guān)，相位測量儀的數(shù)碼管顯示頻率，接著撥撥動開關(guān)，調(diào)到置相檔，設(shè)置撥碼盤，按下置數(shù)開關(guān)，相位測量儀的兩數(shù)碼管顯示相位差和頻率。 測試方法：低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波，輸入到相位測量儀的輸入端 A和 B，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器改變輸出信號的頻率，可通過數(shù)碼管顯示測量儀的實測頻率。相位測量儀頂層映射原理圖如圖 所示。在計數(shù)過程中繼續(xù)判斷第二路輸入信號的上升沿是否到達，如果到達則將計數(shù)結(jié)果保存并且繼續(xù)計數(shù)，直到第一路信號的下降沿到來后停止計數(shù)。調(diào)相和調(diào)頻通過撥盤碼進行頻率和相位的預(yù)置。 x=0:step:2*pi。每個計數(shù)器中的 CEN 輸入端為時鐘使能端控制時鐘輸入。 VHDL 在描述數(shù)字系統(tǒng)時，可以使用前后一致的語義和語法跨越多層次，并且使用跨越多個級別的混合描述模擬該系統(tǒng)。 圖 數(shù)字式移相信號發(fā)生器 正弦波 A/B 信號發(fā)生部分電原理圖 54 （ 9）數(shù)字式移相信號發(fā)生器 電源 /濾波電路 數(shù)字式移相信號發(fā)生器 電源 /濾波電路與低頻數(shù)字式相位測量儀電 源 /濾波電路相同，如圖 。圖中， 1. U4（ AD7520）和運放 U8A把來自 FPGA幅度數(shù)據(jù) U40~U49轉(zhuǎn)化為 AD7524 的基準電壓，從而實現(xiàn)數(shù)控調(diào)壓，步進為 10Mv。 （ 7） 數(shù)字式移相信號發(fā)生器顯示 /按鍵 /開關(guān)部分 數(shù)字式移相信號發(fā)生器顯示 /按鍵 /開關(guān)部分如圖 。存儲器內(nèi)存儲了正弦波在一個時域周期 360個采樣點，量化級數(shù)為 256。 （ 5） 數(shù)字式移相信號發(fā)生器方框圖 數(shù)字式移相信號發(fā)生器方框圖如 圖 。 D/AC輸出電壓 VDAC作為幅度控制的 D/AC的參考電壓輸入，依據(jù)： V D A CVREF NKNKV ???＝ou t 式（ ） 其中： K為一常系數(shù)， N 為 D/AC 的輸入數(shù)據(jù)。由式（ 222）可得分頻系數(shù) k＝ ，進行四舍五入得： k＝ 139。 （ 2）頻率調(diào)節(jié)的實現(xiàn) 直接數(shù)字頻率合成（ Direct Digital Frequency Synthesis， 即 DDFS， 一般簡稱 DDS）是從相位概念出發(fā)直接合成所需要波形的一種新的頻率合成技術(shù)。 正弦波信號的產(chǎn)生 （ 1）正弦波的合成 對一個幅度為 1 的正弦波的一個周期進行 1024 點采樣，用 Matlab 計算得到每一點對應(yīng)的幅度值，然后量化成 8 位二進制數(shù)據(jù)存放在 ROM 中，理論上，采樣的點數(shù)及量化的位數(shù)越多，合成的波形精確度越高，但是， DAC7520 的位數(shù)為 10 位，量化等級最高為 1024，其量化誤差已能達到要求，對于查正弦表的舍入誤差也可忽略，故不再細分。這種處理方式的實質(zhì)是 ： 將數(shù)據(jù)地址的偏移量映射為信號間的相位值。 數(shù)字移相原理 50 隨電子技術(shù)的發(fā)展而興起的數(shù)字移相技術(shù)， 這是 目前移相技術(shù)的潮流。兩路 信號的相位不同，便存在相位差，簡稱相差。 圖 . 6低頻數(shù)字式相位測量 儀顯示部分電原理圖 49 （ 5）低頻數(shù)字式相位測量儀按鍵開關(guān)電路 低頻數(shù)字式相位測量儀按鍵開關(guān)電路 如圖 。 5. U8A（ LM393）是檢查過峰。 48 4. S1 為按鍵。 2. U5A（ TL082）， D D9（ IN4148）、 C C10， D10（ 3DJ7J）等組成峰值保持電路。 圖中，網(wǎng)絡(luò)名 B1~B B11~B18 相連的電阻的阻值為 150Ω ，其它均為 10KΩ 。為了提高輸入阻抗，故前面增加一級電壓跟隨器。 R2 R28 為上拉電阻，阻值可選 10KΩ 。 （ 1）通道輸入信號調(diào)整電路 考慮到用 FPGA 記脈沖數(shù)來測頻，所以要把雙極性的正弦波信號 A(U1)、 B(U2)通過過 46 零比較器，變成單極性的方波信號 A′(U1′)和 B′(U2′)。首先將同頻信號 A(U1)、 B(U2)經(jīng)運算放大器放大后，輸入到過零比較器中。滿足相位測量絕對誤差 ≤ 2186。在門控時間內(nèi)，時標信號通過主門進行計數(shù)顯示，可以得到被測相位的值。因此，數(shù)字式移位信號發(fā)生器與相位測量儀組成的系統(tǒng)可以完成：移相信號發(fā)生 →相位差測量→數(shù)字顯示相位差的功能。 相位測量儀設(shè)計的關(guān)鍵問題是：如何完成相位及頻率的測量。 方案二：采用發(fā)光二極管（ LED）顯示。 綜合考慮，選用方案一。其特點是電壓放大倍數(shù)低，帶負載能力差，但電路簡單。 濾波選擇方案 為使產(chǎn)生的信號平滑，采用濾波電路對波形的進行后級處理。第一級 D/A的輸出作為第二級 D/A的參考電壓，以此來控制信號發(fā)生器的輸出電壓。 42 因此選用第三種方案。1 個字誤差，并且測 試精度與計數(shù)器中記錄的數(shù)值 Nx有關(guān) ，且不便于 高頻信號 的 測 量。 為了保證測試精度，測周期法 僅適用于 低頻信號 的測量。 頻率測量方案 方案一： 采用測周期法 。但是采用模擬器件分散性大，產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定性較差、精 度低、抗干擾能力差、成本也比較高。 原理框圖如圖 。 圖 移相網(wǎng)絡(luò) 方案二：采用數(shù)字移相技術(shù)，其 核心是：先將模擬信號或移相角數(shù)字化，經(jīng)移相后再還原成模擬信號。 有源移相原理圖如圖 。 采用 阻容移相網(wǎng)絡(luò)的基本原理簡述如下： 由 RC 電路的原理可知，阻容移相網(wǎng)絡(luò)在不同頻率的正弦波電壓通過 RC 電路時，輸出端的電壓幅度和相位與輸入不同。 上述兩種方案從對硬件的要求而言，方案一在 FPGA芯片基礎(chǔ)上需要一片 CD4046 和一片 AD0809，而方案二則在 FPGA芯片基礎(chǔ)上只需要一片 LM393；從測量性能方面來說，在低頻率方面，方案一的相位差總共只能有 256個量級，而采用通過 FPGA記脈沖數(shù)的方法 測量的精度將遠遠高出此量級。 方案一：基于數(shù)字鑒相技術(shù)實現(xiàn)的方案 CD4046鑒相電路輸出經(jīng) AD0809 采樣后的數(shù)據(jù)送到 FPGA，經(jīng)過處理后，輸出到 LED顯示相位， 原理 方框圖如圖 。其中數(shù)字式移相信號發(fā)生器可以產(chǎn)生預(yù)置頻率的正弦信號，也可產(chǎn)生預(yù)置相位差的兩路同頻正弦信號，并能顯示預(yù)置頻率或相位差值 ；相位測量儀能對移相信號的頻率、相位差的測量和顯示。該測量儀包括數(shù)字式移相信號發(fā)生器和相位測量儀兩部分，分別完成移相信號的發(fā)生及其頻率、相位差的預(yù)置及數(shù)字顯示、信號的移相以及移相后信號相位差和頻率的測量與顯示等功能。） 1. 系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計要求 （注：設(shè)計 要求與第 1章 ，本書為節(jié)省篇幅，略） 方案比較 相位測量方案 相位測量方案 的關(guān)鍵問題是相位測量方法的選擇。將相位差值對應(yīng)的時間間隔作為 FPGA對 50MHz 的脈沖數(shù)的計數(shù)時間，從而得到正弦波的相位差為： ONn 360???? 其中