智能车控制电路对检测信号的要求及信号调理电路设计分析

磁导航组是即将举办的2010年第五届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛中首次引入，新赛制规定，在赛道中心线下铺设漆包线，其中通有f=20 kHz，I=100 mA的交变电流，频率为（20±2）kHz，电流为50～150 mA，要求电磁组不允许通过获取道路的光学信息进行路径检测，只能通过检测漆包线周围的磁场来引导小车沿着载流线行驶。从工作频率、输出信号的大小、器件成本、磁场强度等方面综合考虑，最适合用于磁导航赛道检测的传感器就是感应线圈。检测线圈安装在智能车体上后，智能车前进过程中线圈与导航载流线之间的空间方位决定了线圈输出的感应电动势，再配接适当的信号调理电路，将检测线圈输出的电信号经过放大、检波等处理，最终转换为智能车单片机能接收的信号，为智能车提供导航依据，这是磁导航智能车能够正确寻道、高速行进的重要基础性工作。而到目前为止，磁导航的检测研究还很少，本文将对检测线圈配接的信号调理电路进行探讨。

1 检测线圈中的感应电动势

由于比赛用车的尺度远小于赛道长度，可将载流导线近似看作无限长直导线。载流长直导线周围的磁感应线是以导线为轴的同心圆环，B的方向为电流i的右螺旋切向，距离导线a的P点磁感应强度

　　

式中μ0为真空磁导率，i为直导线中的交变电流，以正弦电流激励（若为非正弦波，可看作是一系列正弦波的线性迭加），i=Ipsin2πft，故B为交变磁场，通过放置在导线周围的检测线圈将交变磁场转化为感应电动势。

假设在载流导线正上方竖直放置面积为S，匝数为N的矩形检测线圈，此时磁感应强度与线圈平面垂直，以线圈中心P点处的磁感应强度可估算出通过线圈的磁通量φ

式（4）表明，当线圈绕制成型后，线圈匝数Ⅳ和面积S已确定。检测线圈输出的感应电动势还与激励电流的幅值，Ip和频率f成正比。赛制规定的激励电流频率为（20±2）kHz，变化不超过10％。但电流范围50～150 mA，变化可达3倍，这将对线圈输出的感应电动势产生很大影响。

若取N=20，μ0=4π×10-7N／A2，S=O．002 m2，f=20 kHz，Ip=150 mA，a=0．03m，则可估算出感应电动势的幅值E=5 mV，但这只是一个数量级估算，实际上，若线圈偏离载流导线，或载流导线中的激磁电流减小，或采用尺寸更小的检测线圈时，感应电动势的幅值将迅速减小。

在小车寻道前进过程中，小车和固定在小车上的检测线圈总会左右偏离载流导线，检测电路的任务就是要随时判断出小车与载流线赛道的相对位置，以便根据小车偏离赛道的程度和小车的速度控制小车上舵机的转向角度。而要实现小车与载流线赛道的相对定位，就必须在小车上排列多个相同的检测线圈，与此对应，每个检测线圈都配接相同的信号调理电路，只有位于载流线赛道正上方的线圈对应的电路输出信号最大。

也就是说，小车与载流线赛道的相对位置由多路检测线圈中输出信号的相对最大值决定，而与每个检测线圈输出的信号大小无直接关系，找出各路线圈中感应电动势的最大值，就可知赛道在该线圈下方。尽管激励电流频率和幅值的变化会显著影响线圈输出的感应电动势，但这些因素对所有检测线圈的影响相同，上述“找最大” 实现赛道定位的思路则不受影响，从而提高检测电路对赛道的适应性。

2 智能车控制电路对检测信号的要求

检测线圈输出的感应电动势必须经过放大和必要的处理，最后提供给智能车的单片机进行A／D转换采样，以获取赛道的位置信息。智能车的单片机A／D输入端需要O～5 V之间的单极性电压，对此，可以为单片机提供两种不同的信号类型，单片机采用不同的方式采样。

方式1：将检测线圈输出的频率20 kHz、大约毫伏级的信号进行放大，放大倍数约1 000倍（60 dB），然后进行幅度检波转换为直流电压。单片机对每路检测信号只采样一次就可知道信号大小，巡回采集多路电压进行比较，通过“找最大”就能实现赛道定位。

方式2：直接采集放大后的20 kHz信号（迭加在直流偏置电压上），但要求单片机的A／D采集速率远大于20 kHz，单片机连续采集多个周期的电压，根据信号的周期性从采集的数据中找出最大值和最小值，根据二者的差值获得交流信号的峰峰值。此方式中，单片机对每路信号要快速采样很多次才能获取该路信号的大小。同样，要巡回采集多路电压，通过“找最大”实现赛道定位。