2.3　信号传递电路的设计

前文介绍了智能汽车电路的供电与驱动原理，下面介绍控制信号传递过程中的电平转换与隔离。单片机在程序运行过程中一边获取从传感器发送来的数据，一边向执行器发送控制信号。在信号传递过程中可能会存在电路单元之间的干扰，造成信号失真，严重时可能引起单片机复位，影响智能汽车的正常运行。要想避免此类问题的产生，就要对信号传递电路进行优化设计。在智能汽车硬件系统中，信号传递过程中常见的问题大致可以归为两类，一类为电平的变化，另一类为强弱电的隔离。

2.3.1　电动机控制信号的电平转换与隔离

在智能汽车硬件设计中，常用的芯片及传感器都为TTL电平。当主控单片机与传感器通信时，若使用5V供电的单片机，则可以直接连接获取数据；若使用3.3V的单片机则需要电平转换保证数据稳定。但是，当单片机与执行器相连接时，由于单片机的输出电流有限，对于一些对电流有要求的执行器单元无法正常驱动，无论是5V还是3.3V的单片机都需要加入驱动芯片来提高单片机的带负载能力，同时还能将3.3V的单片机的输出控制信号转换为5V的TTL电平。下面介绍用于信号电平转换、增强驱动能力的芯片。

74HC244　三态缓冲器/线驱动器 用于电动机驱动信号的输出

在电动机驱动信号的传输中，推荐使用74HC244来实现提高驱动能力、保护单片机的目的。下面先了解一下74HC244（见图2.3.1）。

1.74HC244 概述

74HC244是一款高速CMOS器件，74HC244引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。

74HC244是8路正相缓冲器/线路驱动器，具有三态输出。该三态输出由输出使能端1OE和2OE控制。任意 n OE上的高电平将使输出端呈现高阻态。

74HC244与74HC240逻辑功能相似，只不过74HC244带有正相输出。

2.74HC244 特性

图2.3.2所示为74HC244内部逻辑电路。

74HC244的特性如下：

⊙8路总线接口；

⊙正相三态输出；

⊙兼容JEDEC标准no.7A；

⊙ESD保护；

⊙HBM EIA/JESD22-A114-C超过2000V；

⊙MM EIA/JESD22-A115-A超过200V；

⊙可选多种封装类型；

⊙温度范围为-40～85℃和-40～125℃。

基于上述特点，74HC244为单向缓冲，适用于增强单片机驱动信号的电平调节。在智能汽车制作过程中，使用74HC244可以将3.3V的单片机输出的PWM信号转换为5V信号；同时增强其驱动能力。与此同时，基于该芯片单向传输的特点，当信号在传递过程中受到干扰时，还能有效保护单片机不受影响，大大提高了智能汽车运行的稳定性。图2.3.3给出74HC244驱动的示例电路。

该示例方案可用于K60芯片的驱动，其中，PTD5、PTD6为K60芯片输出的电动机控制信号，对应驱动后的信号为N3、N9。这里两路控制信号对应图2.2.7中BTN7971电动机驱动方案的两路控制信号。由图可以看出，由于74HC244为5V供电，从而可以将K60输出的3.3V控制信号转换为5V控制信号，实现控制信号的电平转换。

2.3.2　传感器数据信号的电平转换

1.74HC245 双向缓冲 用于摄像头信号采集

由于74HC245为双向缓冲，可以用于双向数据通信。在智能汽车制作过程中，74HC245常用于数字摄像头与单片机之间的数据通信。常用的数字摄像头包括OV7620等，其供电电压为5V。若想使用K60等3.3V的单片机作为控制器，就需要将5V供电摄像头发送的数据经过电平转换后传送给单片机，而数字摄像头可以通过I ² C协议写入SCCB，对摄像头进行初始化设置，因而要选择双向通信的74HC245，其实物照片如图2.3.4所示。

1）74HC245 概述

74HC245是一款高速CMOS器件，其引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。

74HC245的8路收发器在发送和接收两个方向上都具有正相三态总线兼容输出。74HC245的输出使能端（OE）可实现轻松级联，而发送/接收端（DIR）可用于控制方向。OE控制输出使得总线被有效隔离。

74HC245与74HC640逻辑功能相似，但74HC245具有原码（正相）输出。

2）74HC245 特性

图2.3.5为74HC245内部逻辑电路。74HC245特性如下：

⊙8路双向总线接口；

⊙正相三态输出；

⊙可选多种封装类型；

⊙兼容JEDEC标准no.7A；

⊙ESD保护；

⊙HBM EIA/JESD22-A114-B超过2000V；

⊙MM EIA/JESD22-A115-A超过200V；

⊙温度范围为-40～85℃或-40～125℃。

从图2.3.5可以看出，通过DIR引脚可以控制数据通信方向。只要在通信过程中根据数据传递方向的需求给DIR引脚相应的电平就能实现双向数据通信。

光电组的线性CCD传感器和电磁组的LC选频振荡电路都是通过AD来采集数据的，线性CCD可以通过AD直接采集数据，LC选频振荡电路可以通过放大器的放大倍率调节来匹配合适的电压。一般情况下光电组和电磁组都不需要74HC245对输入信号进行电平转换；而摄像头的数据量较大，通过74HC245转换电平后输入单片机能最大限度地保证信号的稳定。

图2.3.6给出74HC245的示例电路。在图2.3.6所示的电路中，将74HC245用于OV7620数字摄像头的信号输入，其中B2、B3用于I ² C协议的写入设置。为了方便使用，将配置信号由B端输入、A端输出，这样在使用过程中不需要切换DIR引脚的电平就能变换信号的传递方向。74HC245供电电压为3.3V，这是为了将摄像头输送的TTL电平信号转换为3.3V电平信号给单片机接收。

在一些特殊场合，为了布线的合理性，更多地选用74HC245作为缓冲芯片，因为其输入和输出都在单独的一侧；而74HC244的输入和输出是左右侧交替的，在一些情况下会影响布线的合理性。

2.74LS系列、74HC系列、CD系列芯片的区别

常用的74系列逻辑芯片及CD系列芯片的区别在这里给大家给出一个解释。

74LS是TTL电路的一个系列，TTL电路以双极型晶体管为开关元件，所以称为双极型（电子和空穴）集成电路。

74HC是CMOS电路，CMOS电路是MOS电路中的主导产品。MOS电路以绝缘栅场效应晶体管为开关元件，所以又称为单极型集成电路。按导电沟道的类型划分，MOS电路可分为PMOST、NMOS和CMOS电路。CMOS电路沿着4000A—4000B/4500B（统一称为4000B）—74HC—74HCT系列高速发展。HCT系列还与TTL电平兼容，扩大了应用范围。

CD代表标准的4000系列CMOS电路，我国生产的CMOS电路系列为CC4000B。各系列芯片详细特性比较如表2.3.1所示。

2.3.3　舵机控制信号的隔离

舵机控制技术［脉宽调制（PWM）技术］已经十分成熟。然而，在舵机实际工作过程中，其供电电流较大；而且在调整过程中随着负载的变化供给舵机的电压和电流也会发生一定的波动。若舵机输入的控制信号（PWM）由单片机直接输出，上述干扰就可能会影响单片机的工作，轻者会引起单片机复位，严重的情况下会导致单片机击穿烧毁。针对这种情况，可使用光电耦合器来实现信号的隔离。

下面介绍一下光电耦合器（简称光耦）。简单说，耦合器隔离电路使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，其作用主要是防止因为电的连接而引起干扰，特别是在低压控制电路与外部高压电路之间。光电耦合器一般由3个部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出，这就完成了“电—光—电”的转换，从而起到输入、输出、隔离作用。由于光电耦合器输入/输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而其具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光电耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

TLP181 低速光电耦合器 用于舵机信号输出隔离

在舵机隔离电路中，推荐使用的光电耦合器型号为TLP181，其外形示意和原理分别如图2.3.7和图2.3.8所示。TLP181工作频率不高，但是足够隔离舵机的控制信号。S3010舵机的PWM控制信号频率为50～200Hz，而SD-5型舵机的PWM控制信号频率为50～300Hz。在这个频段使用TLP181完全可以胜任隔离工作，且价格相对低廉。

图2.3.9给出TLP181的工作电路。图中SERVO为单片机输出的PWM控制信号，经过光耦之后的输出为PWM5out。通过光耦将控制信号与执行器之间实现隔离。从原理图中还可以看到，光耦还可以实现电平转换的作用，即光耦转换后输出信号的电平为光耦的供电电平。由此可见，光耦可以同时实现信号的隔离和电平的转换两种功能，因此光耦对于智能汽车信号传递电路是必不可少的。