智能車(chē)磁導航中的信號調理電路設計
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方式1：將檢測線(xiàn)圈輸出的頻率20 kHz、大約毫伏級的信號進(jìn)行放大，放大倍數約1 000倍(60 dB)，然后進(jìn)行幅度檢波轉換為直流電壓。單片機對每路檢測信號只采樣一次就可知道信號大小，巡回采集多路電壓進(jìn)行比較，通過(guò)“找最大”就能實(shí)現賽道定位。
方式2：直接采集放大后的20 kHz信號(迭加在直流偏置電壓上)，但要求單片機的A／D采集速率遠大于20 kHz，單片機連續采集多個(gè)周期的電壓，根據信號的周期性從采集的數據中找出最大值和最小值，根據二者的差值獲得交流信號的峰峰值。此方式中，單片機對每路信號要快速采樣很多次才能獲取該路信號的大小。同樣，要巡回采集多路電壓，通過(guò)“找最大”實(shí)現賽道定位。
為了實(shí)現小車(chē)與載流線(xiàn)賽道的準確定位，采用多個(gè)檢測線(xiàn)圈是必然的選擇．賽制規定。最多可使用16個(gè)檢測傳感器。比較上述兩種方式，方式2的信號處理電路無(wú)需檢波功能，但占用單片機大量的工作時(shí)間，因此，方式1是合理的選擇。
3 信號調理電路設計
由前面的分析可見(jiàn)，信號調理電路的任務(wù)和工作條件是：1)帶寬和增益，對20 kHz、毫伏級的信號放大約1 000倍，且動(dòng)態(tài)范圍較大；2)供電電源，車(chē)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)信號轉換，對放大后的信號進(jìn)行幅度檢波。
使用分立元件搭建電路雖然能實(shí)現該功能，但電路復雜，調試不方便，并且電路性能會(huì )隨電池電壓的波動(dòng)而變化。常見(jiàn)的通用運放如OP07、LM324、LM358等，對于20 kHz信號無(wú)法滿(mǎn)足帶寬和增益的要求，同時(shí)，其輸出擺幅較小。近年來(lái)出現的一些新的集成運算放大器能很好地承擔上述任務(wù)。如OPA228系列運放、MAX445l系列運放。特別是MAX4451雙運放，-3 dB帶寬達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(kāi)環(huán)增益大于50 dB，使用兩級放大外加負反饋完全能勝任。實(shí)際電路如圖1所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/180510.htm
智能車(chē)是靠電池驅動(dòng)的，隨著(zhù)工作時(shí)間持續，電池電壓必然下降。由于運放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)基本不影響運放的工作性能。
圖1中L1是檢測線(xiàn)圈。R1、R2分壓為運放提供輸入偏置電壓，適當調節R2可改變放大器的輸入偏置電壓。由于第2級放大電路的增益設定為(R5／R4)=30倍，可根據檢測線(xiàn)圈L1輸出感應電動(dòng)勢的大小，適當選擇R3改變第1級的放大倍數，從而使總增益滿(mǎn)足要求。引入R7是為了降低第1級放大電路的直流增益，從而提高靜態(tài)工作點(diǎn)的穩定性。但R7的引入降低了第1級電路的交流放大能力，故接人C4=0．47μF實(shí)現交流旁路。VD1、R6和C3構成幅度檢波電路，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A／D端的直流電壓中的20 kHz波紋越小，但C3的容量過(guò)大將導致電路響應時(shí)間長(cháng)，對智能車(chē)與賽道的偏離反應遲鈍．C3的實(shí)際取值應在此估算的基礎上通過(guò)測試確定。
此外，按常理，R1=R2分壓為運放提供輸入偏置應該為電源電壓VCC的一半，約3．6 V。但由于VD1、R6和C3構成的是正半周峰值包絡(luò )檢波電路，檢測線(xiàn)圈L1的感應電動(dòng)勢越大，檢波電路輸出的直流電位越高。如前所述，線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢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 結論
上述電路能滿(mǎn)足磁導航智能車(chē)對信號檢測的要求。電路調節方法：靜態(tài)條件下，調節R2使檢波電路輸出電壓約為1V；動(dòng)態(tài)條件下，當豎直放置的檢測線(xiàn)圈距離賽道載流線(xiàn)最近，且激磁電流為150 mA時(shí)，調節R3使檢波電路輸出電壓接近但不超過(guò)5 V，以滿(mǎn)足單片機A／D端采集電壓的要求。
由于檢測線(xiàn)圈輸出的感應電動(dòng)勢會(huì )隨著(zhù)線(xiàn)圈與賽道載流線(xiàn)之間距離增大而迅速減小，為提高賽道檢測的靈敏度和準確性．使用一個(gè)檢測線(xiàn)圈是不行的。實(shí)際上，可以在小車(chē)的前端平行放置多個(gè)豎直檢測線(xiàn)圈，每個(gè)檢測線(xiàn)圈都配接相同的信號調理電路，智能車(chē)上的單片機必須快速巡回采集每個(gè)調理電路的輸出電壓，找出輸出電壓最大值，就可判斷出的賽道載流線(xiàn)就在該路檢測線(xiàn)圈的正下方。
單片機巡回采集各個(gè)調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)現尋道，并不關(guān)心具體電壓的數值。這種“找最大”方法的優(yōu)點(diǎn)是：信號調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各路檢測電壓的影響是相同的，上述“找最大”方法始終能夠根據輸出電壓的相對最大值判斷出賽道位置，這就使得尋道檢測電路對賽道有很好的適應能力。
多個(gè)檢測線(xiàn)圈也可以采用水平放置的方式，配接電路相同。但不難看出，若檢測線(xiàn)圈水平放置在載流導線(xiàn)正上方時(shí)，感應電動(dòng)勢為零；檢測線(xiàn)圈位于載流導線(xiàn)上方的一側時(shí)，感應電動(dòng)勢較大；檢測線(xiàn)圈位于載流導線(xiàn)上方的一側，且偏離較遠時(shí)，感應電動(dòng)勢減小。此時(shí)，智能車(chē)上的單片機應該快速巡回采集每個(gè)調理電路的輸出電壓，找出輸出電壓最小值，就可判斷出賽道載流線(xiàn)就在該路檢測線(xiàn)圈的正下方。
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