《電子技術(shù)應(yīng)用》
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成就電子電路設(shè)計高手(15),電子電路設(shè)計之設(shè)計案例介紹(下)

2020-08-25
來源:21ic

電子電路設(shè)計內(nèi)容通常較多,想要了解大部分電子電路設(shè)計知識點(diǎn),需要時間和實(shí)踐。為幫助大家增進(jìn)對電子電路設(shè)計的認(rèn)識,本文將對電子電路設(shè)計的設(shè)計案例予以介紹。

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一、采用LED模擬調(diào)光的機(jī)器視覺辨認(rèn)系統(tǒng)電路設(shè)計指南

具體電路設(shè)計

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)光的一個補(bǔ)充,這個調(diào)光比和前述機(jī)器視覺辨認(rèn)的要求差距較大。針對上述情況,本文重新對線性恒流電路進(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; 同時使用高精度的D /A 來控制電流輸出,得到一個較高的模擬調(diào)光比。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)。

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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 降壓芯片來搭建可變降壓電路,LM5010 是一個恒定導(dǎo)通時間的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,芯片內(nèi)部的開關(guān)會固定的導(dǎo)通一段時間,導(dǎo)通時間與輸入電壓和Ron有關(guān), 之后開關(guān)會關(guān)斷265ns 或直至FB 腳上電壓下降到2. 5V 以下。電路通過(R1 + R2) /R2·VFB來設(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,我們同時監(jiān)測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,多余的電壓就會由三極管和采樣電阻承擔(dān),當(dāng)這個電壓經(jīng)過放大后大于FB 腳的閾值時,LM5010 延長開關(guān)關(guān)斷時間,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)計值少或者在對LED 進(jìn)行調(diào)光時,前端輸出的電壓能夠更合理的匹配燈串電壓。

機(jī)械手視覺系統(tǒng)外圍電路設(shè)計攻略

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)計時按照DSP 管腳的功能。

PWM 管腳:DSP 的每個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,但是都是成對輸出的,對于本控制器需要的獨(dú)立的輸出,每個事件管理器只有3 路,一個DSP 有兩個事件管理器,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 的加速器信號調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,在設(shè)計電路時將這兩種電路設(shè)計在一起,并制成印刷電路板,焊板時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:

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二、機(jī)械手視覺系統(tǒng)外圍電路設(shè)計攻略

I\O 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,根據(jù)其功能將其設(shè)計成開關(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)計用的光耦PC817,比較適合DSP 使用。當(dāng)DSP 輸出高電平時繼電器吸合,CNETA1 和CNETA2 兩腳導(dǎo)通繼電器電路圖見圖:

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繼電器電路圖

QEP 電路:DSP 的每個時間管理器都有一個正交編碼器脈沖(QEP)電路。當(dāng)QEP電路被使能時可以對CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2(對于EVA 模塊)引腳上的正交編碼輸入脈沖進(jìn)行解碼和計數(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,由于一個伺服電機(jī)控制器需要控制4 臺伺服電機(jī),所以碼盤信號使用74153 芯片選擇輸入,同時碼盤的每路信號都有正負(fù)兩根線通過運(yùn)放放大后再到74153 選擇后輸入DSP,碼盤選擇電路見圖:

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碼盤選擇電路

機(jī)器視覺系統(tǒng)中PWM/電壓輸出電路、I\O 口電路與QEP 電路設(shè)計,使得開發(fā)人員可以通過電路介紹將數(shù)字技術(shù)與攝像頭、傳感器、電機(jī)和其他外設(shè)集成來輕松構(gòu)建 3D 點(diǎn)云。整個機(jī)器人車現(xiàn)在可以完成所需功能,同時也完全符合視覺設(shè)計要求,達(dá)到了相應(yīng)技術(shù)指標(biāo),為將來的批量生產(chǎn)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ),市場潛力巨大。

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

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。同時選用 LM1881視頻同步信號分離芯片提取視頻信號中的行同步和場同步信號,連入s12的脈沖捕捉通道。通過捕捉信號觸發(fā)AD模塊工作,采集存儲視頻數(shù)據(jù)。

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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)動電機(jī),通過PWM信號控制。選用Freescale公司的MC33886全橋驅(qū)動芯片,通過兩路半橋?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,電機(jī)驅(qū)動電流會隨著負(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)自動重啟。在整個系統(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)計了一個基于視覺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,無需存儲器擴(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。

機(jī)器視覺照明穩(wěn)定燈照明電路設(shè)計

電路原理:由Q1,Q2和U1組合的磁滯振蕩器,可用來穩(wěn)定燈的照明。在操作時,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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