智能車控制電路對檢測信號的要求及信號調(diào)理電路設(shè)計分析

磁導(dǎo)航組是即將舉辦的2010年第五屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽中首次引入，新賽制規(guī)定，在賽道中心線下鋪設(shè)漆包線，其中通有f=20 kHz，I=100 mA的交變電流，頻率為（20±2）kHz，電流為50～150 mA，要求電磁組不允許通過獲取道路的光學(xué)信息進行路徑檢測，只能通過檢測漆包線周圍的磁場來引導(dǎo)小車沿著載流線行駛。從工作頻率、輸出信號的大小、器件成本、磁場強度等方面綜合考慮，最適合用于磁導(dǎo)航賽道檢測的傳感器就是感應(yīng)線圈。檢測線圈安裝在智能車體上后，智能車前進過程中線圈與導(dǎo)航載流線之間的空間方位決定了線圈輸出的感應(yīng)電動勢，再配接適當?shù)男盘栒{(diào)理電路，將檢測線圈輸出的電信號經(jīng)過放大、檢波等處理，最終轉(zhuǎn)換為智能車單片機能接收的信號，為智能車提供導(dǎo)航依據(jù)，這是磁導(dǎo)航智能車能夠正確尋道、高速行進的重要基礎(chǔ)性工作。而到目前為止，磁導(dǎo)航的檢測研究還很少，本文將對檢測線圈配接的信號調(diào)理電路進行探討。

1 檢測線圈中的感應(yīng)電動勢

由于比賽用車的尺度遠小于賽道長度，可將載流導(dǎo)線近似看作無限長直導(dǎo)線。載流長直導(dǎo)線周圍的磁感應(yīng)線是以導(dǎo)線為軸的同心圓環(huán)，B的方向為電流i的右螺旋切向，距離導(dǎo)線a的P點磁感應(yīng)強度

式中μ0為真空磁導(dǎo)率，i為直導(dǎo)線中的交變電流，以正弦電流激勵（若為非正弦波，可看作是一系列正弦波的線性迭加），i=Ipsin2πft，故B為交變磁場，通過放置在導(dǎo)線周圍的檢測線圈將交變磁場轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電動勢。

假設(shè)在載流導(dǎo)線正上方豎直放置面積為S，匝數(shù)為N的矩形檢測線圈，此時磁感應(yīng)強度與線圈平面垂直，以線圈中心P點處的磁感應(yīng)強度可估算出通過線圈的磁通量φ

式（4）表明，當線圈繞制成型后，線圈匝數(shù)Ⅳ和面積S已確定。檢測線圈輸出的感應(yīng)電動勢還與激勵電流的幅值，Ip和頻率f成正比。賽制規(guī)定的激勵電流頻率為（20±2）kHz，變化不超過10％。但電流范圍50～150 mA，變化可達3倍，這將對線圈輸出的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生很大影響。

若取N=20，μ0=4π×10-7N／A2，S=O．002 m2，f=20 kHz，Ip=150 mA，a=0．03m，則可估算出感應(yīng)電動勢的幅值E=5 mV，但這只是一個數(shù)量級估算，實際上，若線圈偏離載流導(dǎo)線，或載流導(dǎo)線中的激磁電流減小，或采用尺寸更小的檢測線圈時，感應(yīng)電動勢的幅值將迅速減小。

在小車尋道前進過程中，小車和固定在小車上的檢測線圈總會左右偏離載流導(dǎo)線，檢測電路的任務(wù)就是要隨時判斷出小車與載流線賽道的相對位置，以便根據(jù)小車偏離賽道的程度和小車的速度控制小車上舵機的轉(zhuǎn)向角度。而要實現(xiàn)小車與載流線賽道的相對定位，就必須在小車上排列多個相同的檢測線圈，與此對應(yīng)，每個檢測線圈都配接相同的信號調(diào)理電路，只有位于載流線賽道正上方的線圈對應(yīng)的電路輸出信號最大。

也就是說，小車與載流線賽道的相對位置由多路檢測線圈中輸出信號的相對最大值決定，而與每個檢測線圈輸出的信號大小無直接關(guān)系，找出各路線圈中感應(yīng)電動勢的最大值，就可知賽道在該線圈下方。盡管激勵電流頻率和幅值的變化會顯著影響線圈輸出的感應(yīng)電動勢，但這些因素對所有檢測線圈的影響相同，上述“找最大” 實現(xiàn)賽道定位的思路則不受影響，從而提高檢測電路對賽道的適應(yīng)性。

2 智能車控制電路對檢測信號的要求

檢測線圈輸出的感應(yīng)電動勢必須經(jīng)過放大和必要的處理，最后提供給智能車的單片機進行A／D轉(zhuǎn)換采樣，以獲取賽道的位置信息。智能車的單片機A／D輸入端需要O～5 V之間的單極性電壓，對此，可以為單片機提供兩種不同的信號類型，單片機采用不同的方式采樣。

方式1：將檢測線圈輸出的頻率20 kHz、大約毫伏級的信號進行放大，放大倍數(shù)約1 000倍（60 dB），然后進行幅度檢波轉(zhuǎn)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行比較，通過“找最大”就能實現(xiàn)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(xù)采集多個周期的電壓，根據(jù)信號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“找最大”實現(xiàn)賽道定位。