下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
前文中介绍了智能汽车电路的供电与驱动原理，下面来介绍控制信号传递过程中的电平转换与隔离。单片机中的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。想要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体可以归结为两类，一类为电平的变化，另一类为强弱电的隔离。
在智能汽车硬件设计中，常用的芯片及传感器都为TTL电平。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。而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的单片机输出的控制信号转换为5V的TTL电平。下面来介绍用于信号电平转换和增强驱动能力的芯片。
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和保护单片机的目的。下面先来了解一下74HC244（见图2.3.1）。
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。
图2.3.2为74HC244内部逻辑电路图。
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2000 V。
MM EIA/JESD22-A115-A超过200 V。
可选多种封装类型。
温度范围为-40～+85℃和-40～+125℃。
图2.3.1 74HC244D(SOP-20)
图2.3.2 74HC244内部逻辑电路图
基于上述特点，74HC244为单向缓冲，适用于增强单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，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742HC244的示例电路。
图2.3.3 74HC244驱动示例电路
如图2.3.6所示，该示例方案用于K60芯片的驱动。其中PTD5、PTD6为K60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2.1.25中BTN7971电动机驱动方案的两路控制信号。由图中可以看到，74HC244为5V供电，从而可以将K60输出的3.3V控制信号转换为5V信号，实现控制信号的电平转换。
由于74HC245为双向缓冲，所以可以用于双向数据通信。在智能汽车制作过程中，常用于数字摄像头与单片机之间的数据通信。常用的数字摄像头如OV7620等，其供电电压为5V。若想使用K60等3.3V的单片机作控制器，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，则选择双向通信的74HC245。实物图如图2.3.4所示。
图2.3.4 74HC245(SOP-20)
74HC245是一款高速CMOS器件，74HC245引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC245 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）用于实现轻松级联，而发送/接收端（DIR）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。
图2.3.5为74HC245内部逻辑电路图。
图2.3.5 74HC245内部逻辑电路图
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2000 V。
MM EIA/JESD22-A115-A超过200 V。
温度范围为-40～85℃和-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，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。
如图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端接入，A端输出。从而在使用中不需要切换DIR引脚的电平来变换信号的传递方向。74HC245供电为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的输入与输入是左右侧交替的，在一些情况下会影响布线的合理性。
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做出一个解释。
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。按其导电沟道的类型，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系列还同TTL电平兼容，扩大了应用范围。
图2.3.6 74HC245缓冲示例电路
CD代表标准的4000系列CMOS电路，我国生产的CMOS电路系列为“CC4000B”，详细特性比较如表2.3.1所示。
表2.3.1 74系列芯片特性比较
舵机控制技术已经十分成熟，即脉宽调制（PWM）技术。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受到一定的波动。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。针对这个情况，要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有电的连接而引起干扰，特别是低压控制电路与外部高压电路之间。光耦合器一般由三部分组成：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。
在舵机隔离电路中，推荐使用的光耦合器型号为TLP181，示意图和外形图分别如图2.3.7和图2.3.8所示。其工作频率不高，但是足够隔离舵机的控制信号。S3010舵机的控制PWM频率为50～200Hz，而SD-5型号舵机的控制PWM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2.3.8所示为TLP181的原理图。
图2.3.7 TLP181(SOP-4)
图2.3.8 TLP181原理图
图2.3.9给出TLP181的工作电路。如图所示，SERVO为单片机输出的PWM控制信号，经过光耦之后输出为PWM5out。通过光耦将控制信号与执行器之间实现了隔离。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，对于智能汽车信号传递电路的设计是必不可少的。
图2.3.9 TLP181隔离示例电路