电子设计

1 数字压缩的必要性

 数字信号有很多优点，但当模拟信号数字化后其频带大大加宽，一路6MHz的普通电视信号数字化后，其数码率将高达167Mbps，对储存器容量要求很大，占有的带宽将达80MHz左右，这 样将使数字信号失去实用价值。数字压缩技术很好地解决了上述困难，压缩后信号所占用的频带大大低于原模拟信号的频带。因此说，数字压缩编码技术是使数字信号走向实用化的关键技术之一，表4－1列出了各种应用的码率。
　

有线电视网中数字压缩技术主要包括用于会议电视系统的H.261压缩编码，用于计算机静止图像压缩的JPEG和用于活动图像压缩的MPEG数字压缩技术。

2 图像压缩编码的可能性

 从信息论观点来看，图像作为一个信源，描述信源的数据 是信息量(信源熵)和信息冗余量之和。信息冗余量有许多种，如空间冗余，时间冗余，结构冗余，知识冗余，视觉冗余等，数据压缩实质上是减少这些冗余量。可见冗余量减少可以减少数据量而不减少信源的信息量。从数学上讲，图像可以看作一个多维函数，压缩描述这个函数的数据量实质是减少其相关性。另外在一些情况下，允许图像有一定的失真，而并不妨碍图像的实际应用，那么数据量压缩的可能性就更大了。

3 图像压缩编码方法的分类

 编码压缩方法有许多种，从不同的角度出发有不同的分类方法，比如从信息论角度出发可分 为两大类：
 (1)冗余度压缩方法，也称无损压缩，信息保持编码或熵编码。具体讲就是解码图像和压缩 编码前的图像严格相同，没有失真，从数学上讲是一种可逆运算。
 (2)信息量压缩方法，也称有损压缩，失真度编码或熵压缩编码。也就是讲解码图像和原始图像是有差别的，允许有一定的失真。
 应用在多媒体中的图像压缩编码方法，从压缩编码算法原理上可以分类为：
 (1)无损压缩编码种类
·哈夫曼编码
 ·算术编码
 ·行程编码
 ·Lempel zev编码
 (2)有损压缩编码种类
 ·预测编码：DPCM，运动补偿
 ·频率域方法：正文变换编码(如DCT)，子带编码
 ·空间域方法：统计分块编码
 ·模型方法：分形编码，模型基编码
 ·基于重要性：滤波，子采样，比特分配，矢量量化
 (3)混合编码
 ·JBIG，H261，JPEG，MPEG等技术标准
 衡量一个压缩编码方法优劣的重要指标是：
 (1)压缩比要高，有几倍、几十倍，也有几百乃至几千倍；
 (2)压缩与解压缩要快，算法要简单，硬件实现容易；
 (3)解压缩的图像质量要好。
 最后要说明的是选用编码方法时一定要考虑图像信源本身的统计特征；多媒体系统(硬件和 软件产品)的适应能力；应用环境以及技术标准。

 4 压缩编码方法简介

   压缩编码的方法有几十种之多，并在编码过程中涉及较深的的数学里理论基础问题，在此仅介绍 几种常用的压缩编码方法，主要是从物理意义上作一定的解释，读者如对数据压缩专题感兴趣的话，请参看讲座结束后所附的参考资料。
4.1 莫尔斯码与信源编码
 莫尔斯码即电报码，其精华之处在于用短码来表示常出现的英文字母，用长码来表示不常出 现的字母，以减小码率。这种方法非常有效，故延用至今。电视信号经过变换后，例如经差值脉冲编码后，发现前后像素幅度差值小的概率大，而差值大的概率小，因此可用短码表示概率大的信号，而用长码来代表概率小的信号，从而达到压缩码率的目的。
4.2 差值脉冲编码
 电视图像基本上是由面积较大的像块(如蓝天、大地、服装等)组成。虽然每个像块的幅值各不相同，但像块内各样值的幅度是相近的或相同的，幅值跃变部分相应于像块的轮廓，只占整幅图像的很小一部分。帧间相同的概率就更大了，静止图像相邻帧间的相应位置的像素完全一样，这意味着前后像素之差或前后帧间相应位置像素之差为零或差值小的概率大，差值 大的概率小。这就是差值编码的基本想法，其原理框图见图4－1(a)。发端将当前样值和前一 样值相减所得差值经量化后进行传输，收端将收到的差值与前一个样值相加得到当前样值。在这个原理图中，输出的当前样值是输出的前一样值加上收到的差值，由于在当前差值中包 括当前的量化误差，而输出的前一样值又包括前一样值的量化误差，这就造成了量化误差的积累。因此实用电路为图4－1(b)。这时输入当前样值不是与输入的前一样值相减，而是与输 出的前一样值相减，因此在差值中已经包含了前一样值的量化误差的负值，在与输出的前一 个样值相加时，这部分量化误差被抵消，只剩下当前的量化误差，这就避免了量化误差的积累。
　

4.3 预测编码
 预测编码利用像素的相关性，可进一步减小差值。
 从前面的分析可以看出，如果差值编码中小幅度出现的机会增加，由于其对应的码长较短， 总数码率会进一步减小。如果能猜出下一个样值，那么差值就会是零，当然这种情况是没有意义的，因为若预先知道下一样值，就不需要进行通信了。但可以肯定，如果我们不仅利用 前后样值的相关性，同时也利用其它行、其它帧的像素的相关性，用更接近当前样值的预测值与当前样值相减，小幅度差值就会增加，总数码率就会减小，这就是预测编码的方法。预 测编码的电路与差值编码类似，或者说差值编码就是以前一样值为预测值的预测编码，又称为一维预测。如果用到以前行的像素或以前帧的像素，则称为二维或三维预测。在美国国际电话电报公司(ITT)生产的数字电视机芯片中有一个视频存储控制器芯片VMC2260就用了二维预测编码，预测器用了三个像素作为下一个像素的预测值，即预测值等于1/2前一像素加1/4 上一行相应像素再加上1/4上一行相应的前一像素。这样不仅利用了前一像素的相关性，也利用了上一行相应像素的相关性，这样做要比差值编码有更大的码率压缩。如果再用上前一 帧的像素会进一步降低数码率。但为了得到前一帧的像素必须要使用帧存储器，造价比较高。只用到帧内像素的处理称为帧编码(Intraframe Coding)，用到前后帧像素的处理称为帧 间编码(Interframe Coding)。要得到较大的码率压缩就必须使用帧间编码。JPEG是典型的帧内编码方案，而MPEG是帧间编码方法。前者大多用于静止图像处理，而后者主要用于对运 动图像的处理。  
4.4 哈达玛特变换
 这是一种有效地去除噪波的方法，噪波的存在往往容易和小幅度变化的信号相混淆，利用多帧平均的方法，对于静止图像，各帧相同，平均的结果其值不变，对于噪波，多帧平均趋于零。
 但如果图像中有运动，多帧平均就会造成运动模糊，故不能简单地进行平均，需要根据运动的大小来调节反馈量，即调节平均的程度，做到运动自适应降噪。
 大多数情况下是利用帧差信号来判断图像中是否有运动，如果帧差小于一定值，就可视为是因噪波引起的，可取较大的反馈量；如果帧差大于一定值，就可视为图像中有运动。
 但在许多情况下，仅从幅度的大小来判断是杂波还是图像是很困难的，如移动的云，近摄的 绿草地等图像信号所得到帧差信号也很小，所以BKU-904采用二维哈达玛特变换(Hadamard Transform)来区分是噪波还是图像信号。先将输入值按4×2分成小块，分别进行实时快速哈 达玛特变换(FHT)。
 图像经变换后，转换成相应成分的系数，这些系数分别代表直流分量；水平方向细节和色度 分量等；垂直方向细节；斜方向细节及色度分量等，而噪波变换后均匀散在各系数中。这样就更有效地区分出信号和噪波，从而达到更有效地进行自适应降噪的目的。  
4.5 离散余弦变换
   离散余弦变换(Discrete cosine Transform)简称DCT。任何连续的实对称函数的傅里叶变换 中只含余弦项，因此余弦变换与傅里叶变换一样有明确 的物理量意义。DCT是先将整体图像分成N×N像素块，然后对N×N像素块逐一进行DCT变换。 由于 大多数图像的高频分量较小，相应于图像高频成分的系数经常为零，加上人眼对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化，因此传送变换系数所用的数码率要大大小于传送图像 像素所用的数码率。到达接收端后再通过反离散余弦变换回到样值，虽然会有一定的失真，但人眼是可以接受的。
 N代表像素数，一般N=8，8×8的二维数据块经DCT后变成8×8个变换系数，这些系数都 有 明确的物理意义：U代表水平像素号，V代表垂直像素号。如当U=0，V=0时，F(0，0)是原 64个 样值的平均，相当于直流分量，随着U、V值增加，相应系数分别代表逐步增加的水平空间频 率分量和垂直空间频率分量的大小。
4.6 量化(Q)
 严格说DCT本身并不能进行码率压缩，因为64个样值仍然得到64个系数，如图4－2所示。这里 给出了一个8×8像块的具体例子，经DCT变换后，比特数增加了。在这个例子中样值是8比特 ，从0~225得到的即直流分量的最大值是原来256的64/8倍，即0~2047，交流分 量的范围是-1024~1023。只是在经过量化后，特别是按人眼的生理特征对低频分量和高频分 量设置不同的量化，会使大多数高频分量的系数变为零。一般说来，人眼对低频分量比较敏感，而对高频分量不太敏感。因此对低频分量采用较细的量化，而对高频分量采用较粗的量 化。
　

 所谓量化，即根据不同的要求，设置不同的量化等级，从而降低数码率。 
4.7 游程长度编码
    读出数据和表示数据的方式也是减少码率的一个重要因素。读出的方式可以有多种选择 ，如 水平逐行读出、垂直逐列读出、之字型读出和交替读出等，其中之字型读出(Zig－Zag) 是最常用的一种。由于经DCT变换以后，系数大多数集中在左上角，即低频分量区，因此之 字型读出实际上是按二维频率的高低顺序读出系数的，这样一来就为游程长度编码(Runleng th Encoding)创造了条件。所谓游程长度编码是指一个码可同时表示码的值和前面几个零， 这样就可以把之字型读出的优点显示出来了。因为之字型读出在大多数情况下出现连零的机会比较多，尤其在最后，如果都是零，在读到最后一个数后只要给出“块结束”(EOB)码，就可以结束输出，因此节省了很多码率。
 游程长度指的是由字构成的数据流中各个字符连续重复出现而形成字符串的长度。 基本的游程编码就是在数据流中直接用三个字符来给出上述三种信息，其数据结构如图4－3 所示。
　

 SC表示有一个字符串在此位置，X代表构成串的字符，CC代表串的长度。
 游程编码和哈夫曼编码等属于统计编码。  
4.8 霍夫曼编码
    霍夫曼编码是可变字长编码(VLC)的一种。 Huffman于1952年提出一种编码方法，该方法完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短的码字，有时称之为最佳编码，一般就叫作Huffman编码。下面引证一个定理，该定 理保证了按字符出现概率分配码长，可使平均码长最短。
 定理：在变字长编码中，如果码字长度严格按照对应符号出现的概率大小逆序排列，则其平 均码字长度为最小。
 现在通过一个实例来说明上述定理的实现过程。设将信源符号按出现的概率大小顺序排列为 ： 

 给概率最小的两个符号a6与a7分别指定为“1”与“0”，然后将它们的概率相加再与原来的 a1~a5组合并重新排序成新的原为：
　

 对a5与a′6分别指定“1”与“0”后，再作概率相加并重新按概率排序得
U″：（0.26 0.20 0.19 0.18 0.17）…
 直到最后得 U″″：（0.61 0.39）
 分别给以“0”，“1”为止，如图4－4所示。}
 霍夫曼编码的具体方法：先按出现的概率大小排队，把两个最小的概率相加，作为新的概率 和剩余的概率重新排队，再把最小的两个概率相加，再重新排队，直到最后变成1。每次相 加时都将“0”和“1”赋与相加的两个概率，读出时由该符号开始一直走到最后的“1”， 将路线上所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的顺序排好，就是该符号的霍夫曼编码。 
　

 例如a7从左至右，由U至U″″，其码字为0000；
 a6按践线将所遇到的“0”和“1”按最低位到最高位的顺序排好，其码字为0001…
 用霍夫曼编码所得的平均比特率为：Σ码长×出现概率
 上例为： 0.2×2+0.19×2+0.18×3+0.17×3+0.15×3+0.1×4+0.01×4=2.72 bit
 可以算出本例的信源熵为2.61bit，二者已经是很接近了。 
4.9 运动估计的运动补偿编码
    这是一种帧间编码的方法，其原理是利用帧间的空间相关性，减小空间冗余度。 帧间编码为什么可以减小冗余度，这是因为两帧之间有很大的相似性。如果将前后两帧相减 (移动物体作相应位移)得到的误差作编码所需比特要比帧内编码所需的比特少，帧间差集中在零附近，可以用短的码字传送。
 实现帧间编码的方法是运动估计和运动补偿。用图4－5来说明这个过程。
　

 当前帧在过去帧的窗口中寻找匹配部分，从中找到运动矢量；
 根据运动矢量，将过去帧位移，求得对当前帧的估计；
 将这个估计和当前帧相减，求得估计的误差值；
 将运动矢量和估计的误差值送到接收端去。
 接收端根据收到的运动矢量将过去帧作位移(也就是对当前帧的估计)，再加上接收到的误差 值，就是当前帧了。
　

图4－7 运动估计的全局搜索块匹配实际上，在做运动估计和运动补偿时，是以16×16的块(称宏块)逐个进行的，如图4－6所示，这是将当前帧划分为N×N(16×16)的块。对每一块在过去帧中范围为 的范围内进行搜索，以求得最优匹配，从而得到运动矢量的估值(dx,dy)。衡量匹配好坏 的准则可以是均方误差最小准则。搜索方法可以是全局搜索法，即对搜索范围内的每一点都 计算均方误差，选最小值即对应最优匹配，如图4－7所示。

 5 JPEG标准

    JPEG是Joint Photographic Experts Group的缩写，主要用于计算机静止图像的压缩，在用于活动图像时，其算法仅限于帧内，便于编辑。

  采用JPEG标准可以得到不同压缩比的图像，在使图像质量得到保证的情况下，可以从每个像 素24bit减到每个像素1bit甚至更小。

  JPEG标准所根据的算法是基于DCT(离散余弦变换)和可变长编码。系统框图如图4－8所示， 从图中可见，JPEG的关键技术有变换编码、量化、差分编码、运动补偿、霍夫曼编码和游程编码等。

  图4－8 JPEG系统框图 6 H.261标准 JPEG算法的原理是利用单帧内的空间相关性，减小空间冗余度，这种方式称为帧内编码。我 们知道电视图像(包括各种活动图像)各个连续帧之间也有很大的相关性，称为时间相关性。

  为了进一步提高图像压缩比，要设法减小时间冗余度，这种编码方式称为帧间编码。H.261 是用于会议电视的国际标准，既采用了帧内编码，又采用了帧间编码，因此它的压缩比大致 是JPEG的三倍。 H.261标准用于音象业务的码率是p×64kbps(p=1，2…，30)。用于电视电话时p=1或2，用 于电视会议时p≥6。这种标准具有最小延迟实时对话的能力。

  图4－9是H.261编码器的原理框图。从编码器中看到，它有一个和解码器一样的过程，解出的图像放在运动补偿 预测器(存储器)中形成过去帧，它的输出和当前帧一起加到“运动估计”，求得的运动矢 量一方面经VLC送到复用器中去，另一方面加到运动补偿预测器中，使之产生估计帧(对当前 帧)，它和当前帧相减即求得差值，这个差值经DCT和Q、VLC也送到复用器中去。

 图4－9 H.261编码器的原理框图 在进行帧间编码时，编码器和解码器必须使用相同的预测器，否则两者会脱轨。为了获得重 建图像，被量化以后的系数要用一个反量化器和反余弦变换(IDCT)来处理，为防止编码器和 解码器慢慢漂移分离，必须对误差的平均值加以严格规定，即使如此，仍然要周期地使用帧 内编码，使解码器处于一个已知状态。

  运动补偿单元使帧间差最小，从而减少所需传输码率。搜索窗的大小在水平和垂直方向上都是±15个采样值。通常只对亮度信号作运动估计，但运动补偿不仅作用于亮度，也作用于色 度(亮度象素位移的一半)。

  图4－10画出了解码器的框图。被压缩的数据送入缓冲器，然后作可变长度解码，解码器余下的 部分相似于编码器的后端，仅有的区别是不再需要运动估计。运动矢量和其它附带的信息是 直接从可变长解码器的输出得到的。

  在编码器的输出端有缓冲器(Buffer)，这是因为编码过程产生的比特率不是 恒定的，它取决于运动序列中各点的图像统计特征。在图像的“简单”部分允许节省一些比 特，而在“复杂”的部分要多花一些比特。对于每一个编码图像，比特的数目也允许变更。 但是在传输网络中的数据的比特率又必须是恒定的，所以在视频编码器的输出端必须有数据缓冲器来提供平滑的作用。相反的，在解码器要以非恒定的速率来利用接收到的信息，所以 也要包含一个解码器的缓冲器。 图4－10 H.261的解码器框图 在传输中，帧频的长期平均值是CIF的标准值，但是在短的时间间隔内帧频会有一定变化。

注：CIF和QCIF帧频是每秒30帧。
   
　

H.261的一幅图像是由块(Block)组成宏块(Macroblock)，宏块组成图像组(GO B)，图像组组 成图像，如图4－11所示。 两种格式的码率为：CIF：15~2Mbps QCIF：128kbps 7 MPEG- 1和MPEG-2标准 MPEG(Moving Picture Expert Group)意思是“运动图像专家组”。这个专家组的任务 是为了对数字存储媒质、电视广播、通信等方面的运动图像和伴音给出一种通用的编码 方法 。符合这种编码方法的运 MPEG用句法规定了一个层次性的结构，共分六层。这六层是图像序列(Video Sequence)-图像组(Group of Picture)-图像(Picture)-宏块条(Silce)- 宏块(Macroblock )-块(Block)。 一个图像包含亮度阵列和色度阵列。在MPEG- 1中亮度和色度的格式是4∶2∶0，而在MPEG-2 中，除这一格式外，还允许有4∶2∶2及4∶4∶4。
 六个层次有其不同的功能，如表4－3所示。

所谓4∶2∶0是指在垂直方向每隔一行去除一行色度信号。

7.2 MPEG-1和MPEG-2中三种类型图像
MPEG在利用块匹配运动补偿来减小时间冗余度时，不仅用上一帧的图像预测当前图像， 而且也使用下一帧图像预测当前图像，即双向预测，这是和H.261标准有重要区别的地方。 因此 ，MPEG-1和2中有三种类型图像，即I、B、P三种，如图4－12所示。
　

   I帧是帧内编码，P帧是正向预测，如图4－13所示，通过正向预测得到的图。B帧是双向预测图 ，如图4－14所示。由于B帧不能作其他图像的基准，所以对B帧编码校粗(步长较大)，需要比特数比预测图P少。
　

7.3 MPEG- 1的视频压缩编码
MPEG-1中视频编码的关键压缩技术和H.261一样，仍是DCT、运动补偿和Huffman编码。编码 器和解码器的原理框图也和H.261没有区别。
 MPEG-1的信源输入格式是SIF(Source Input Format)。CCIR601格式的信源要转换成SIF后进入MPEG- 1编码器，解码器输出也是SIF格式，显示时要经内插，扩充为CCIR601格式。PAL/NT SC都作如此处理。SIF格式如表4－4所示。

图4－15所示为MPEG-1视频编码器。图中和H.261不同的部分是有二组运动补偿和存储器，并有相应的转换开关。这是因为MPEG- 1有B图像要处理。开关有4种状态，‘0’是针对帧内 编码，“2”或“3”是用上一帧图像(经S2的虚线a/c)或用下一帧图像(经S2的实线 d/b) ，“4”是用了上一帧和下一帧两幅图像(经S2的实线b和实线c)，这时候要相应产生2 个运 动矢量。
　

7.4 MPEG- 2视频压缩编码
 研究制定MPEG标准是为了使应用于数字存储媒体、电视广播、通信等方面的运动图像和伴音 有一种通用的编码方法。使用这个标准意味着运动图像可以作为一种计算机数据来处理 ，并且能够存储在各种各样的存储器中，也可以在现有的或未来的网络中传送和接收，还可以在现在的或将来的广播信道中广播。
 这个标准的应用很广泛，覆盖了从电视电话到高清晰度电视。
 (1)划分为不同的“Profile”和“Level”(“类”和“级”)。由于想使这个标准适用于各种不同的应用，而各种应用在码率、分辨力、图像质量和服务方面要求又各不相同，所以希望这个标准要有通用性。在这个标准产生的过程中，考虑了各种应用的不同要求，开发了必要的算法，并且把它们集中成为一种单一的句法。正因为如此，这个标准使得各种不同应用的码 流之间可以灵活地相互改变。
 既要使句法有通用性，又不能要求具体的解码器全面满足整个句法的需要，那样具体的解码器就太复杂了。为了解决通用性和特殊性的矛盾，设想将整个ISO/IEC的句法分成子集，这样分的子集就称为Profile，我们称之为“类”。这个“类”规定的子集还觉得太大，有必要再分得细一些。例如图像的尽寸有小的，有大的，大的可大到 ，实际上不会有一个解码器能够处理这么大的动态范围的图像，因此，在Profile中又规定了“level”，称为级。
 ISO/IEC13818-2(即MPEG-2视频)规定了5个类和4个级如表4－5所示。
　

注：Main Profile(主类)：图像质量合乎一定要求，允许有一定损伤，不具有可分级性；
 Simple Profile (简化类)：如Main Profile相同，只是不用B帧，这是为了节约RAM；
 SNR Scalable Profile(信噪比可选类）：比Main Profile改进之处是信噪比可分级；
 Spatially Scalable Profile（空间尺寸可选类）：空间分辨率方面也可分级；
 HIgh Profile(高质量类)：支持4∶2∶2并全面可分级(宏块的组成是：4个Y块+2个Cb块 +2个Cr块)；
 Low Level(低级)：类似H.261中的CIF格式；
 Wain Level(主级)：相应于普通电视；
 High 1440 Level(高1440级)：大致相当于具有每行1440个采样的HDTV；
 High Level(高级)：大致相当于每行1920个采样的HDTV。
 MPEG-2格式经常用级和类的缩写表示，如：MP＠ML是指主类和主级，目前用于普通数字电视 、卫星、电缆、广播的DVB标准就是用这一格式。
 (2)MPEG-2的编解码器和MPEG-1的异同。
 ①MPEG-1只处理逐行扫描的电视图像而MPEG-2既处理逐行扫描也处理隔行扫描，因此编码器中要有场/帧决策的功能；
 ②DCT有二种： 帧DCT或场DCT；
 ③运动估计有四种：场预测、帧预测、双场预测和16×8的运动补偿；
 ④压缩编码方式均采用运动检测补偿、DCT、量化、霍夫曼编码、游程编码和VLC等。 
7.5 MPEG-2系统 

 MPEG-2系统的作用如图4－16所示。它有以下几个任务：
 (1)对音频、视频、数据、控制等基本比特流起系统复用的作用。
 (2)提供用于恢复时间基准的时间标志，缓冲器初始化和管理，音频和视频的解码时间，显示时间。
 (3)给解码器提供一种信息(PSI)，使之更容易和更迅速地找到所需节目。
 (4)给误差恢复，有条件接入，随机接入，数字存储控制提供支持。
 视频或音频编码器的输出被打成PES(Packetised Elementary Streanis)，然后在PS复用器中被组合成PS(Program Stream)或在TS复用器中被组成成TS(Transport Strea m)，前者用于相对无误差的环境，后者用于有噪声媒质。

 FROM: http://blog.ednchina.com/XIE2099/138774/message.aspx

QCIF全称Quarter common intermediate format。QCIF是常用的标准化图像格式。在H.323协议簇中，规定了视频采集设备的标准采集分辨率。QCIF = 176×144像素。
CIF是常用的标准化图像格式（Common Intermediate Format）。在H.323协议簇中，规定了视频采集设备的标准采集分辨率。CIF = 352×288像素
CIF格式具有如下特性：
(1) 电视图像的空间分辨率为家用录像系统(Video Home System，VHS)的分辨率，即352×288。
(2) 使用非隔行扫描(non-interlaced scan)。
(3) 使用NTSC帧速率，电视图像的最大帧速率为30 000/1001≈29.97幅/秒。
(4) 使用1/2的PAL水平分辨率，即288线。
(5) 对亮度和两个色差信号(Y、Cb和Cr)分量分别进行编码，它们的取值范围同ITU-R BT.601。即黑色=16，白色=235，色差的最大值等于240，最小值等于16。
下面为5种CIF 图像格式的参数说明。参数次序为“图象格式 亮度取样的象素个数(dx) 亮度取样的行数 (dy) 色度取样的象素个数(dx/2) 色度取样的行数(dy/2)”。
sub-QCIF 128×96 64 48
QCIF        176×144 88 72
CIF           352×288 176 144
4CIF         704×576 352 288（即我们经常说的D1）
16CIF       1408×1152 704 576
目前监控行业中主要使用QCIF（176×144）、CIF（352×288）、HALF D1（704×288）、D1
（704×576）等几种分辨率，CIF录像分辨率是主流分辨率，绝大部分产品都采用CIF分辨率。目前市场接受CIF分辨率，主要理由有四点：1、目前数码监控要求视频码流不能太高；2、视频传输带宽也有限制；3、使用HALF D1、D1分辨率可以提高清晰度，满足高质量的要求，但是以高码流为代价的。在现阶段，出现了众多D1的产品，但市场份额非常小；4、采用CIF分辨率，信噪比在32db以上，一般用户是可以接受的，但不是理想的视频图像质量。目前业内人士正在尝试用HALF D1来寻求CIF、D1之间的平衡。但随着单块硬盘的容量达到750GB甚至1000GB，而国内的大部分DVR已经可以做到连接8块1000GB的硬盘，故D1逐渐会变成时常的主流。
DCIF分辨率是什么？
经过研究发现一种更为有效的监控视频编码分辨率（DCIF），其像素为528×384。DCIF分辨率的是视频图像来历是将奇、偶两个HALF D1，经反隔行变换，组成一个D1（720*576），D1作边界处理，变成4CIF（704×576），4CIF经水平3/4缩小、垂直2/3缩小，转换成528×384.528×384的像素数正好是CIF像素数的两倍，为了与常说的2CIF（704*288）区分，我们称之为DOUBLE CIF，简称DCIF。显然，DCIF在水平和垂直两个方向上，比Half D1更加均衡。
为什么选用DCIF分辨率？
数字化监控行业对数字监控产品提出两项要求：首先要求数据量低，保证系统能够长时间录像和稳定实时的网络传输；其次要求回放图像清晰度高，满足对细节的要求。而DCIF分辨率在目前的软硬件平台上，能很好的满足以上两项要求。
Half D1分辨率已被部分产品采用，用来解决CIF清晰度不够高和D1存储量高、价格高昂的缺点。但由于他相对于CIF只是水平分辨率的提升，图像质量提高不是特别明显，但码流增加很大。
经过对大量视频信号进行测试，基于目前的视频压缩算法，DCIF分辨率比Half D1能更好解决CIF清晰度不够高和D1存储量高、价格高昂的缺点，用来解决CIF和4CIF，特别是在512Kbps码率之间，能获得稳定的高质量图像，满足用户对较高图像质量的要求，为视频编码提供更好的选择。
CIF清晰度不够高和D1存储量高、价格高昂的缺点分辨率，静态回放分辨率理论上最高可达360TVline的图像质量，超过模拟监控中标准VHS磁带录像机280TVline的图像水平，达到公安部安防行业视频标准二级和三级项目的清晰度要求，满足绝大部分视频监控的要求。
什么是D1？
做闭路电视监控系统这一行久了，大家都以为D1是硬盘录像机显示、录像、回放的分辨率，实际上不是的，D1是数字电视系统显示格式的标准，共分为以下5种规格：
D1：480i格式（525i）：720×480（水平480线，隔行扫描），和NTSC模拟电视清晰度相同，行频为15.25kHz，相当于我们所说的4CIF（720×576）
D2：480P格式（525p）：720×480（水平480线，逐行扫描），较D1隔行扫描要清晰不少，和逐行扫描DVD规格相同，行频为31.5kHz
D3：1080i格式（1125i）：1920×1080（水平1080线，隔行扫描），高清放松采用最多的一种分辨率，分辨率为1920×1080i/60Hz，行频为33.75kHz
D4：720p格式（750p）：1280×720（水平720线，逐行扫描），虽然分辨率较D3要低，但是因为逐行扫描，市面上更多人感觉相对于1080I（实际逐次540线）视觉效果更加清晰。不过个人感觉来说，在最大分辨率达到1920×1080的情况下，D3要比D4感觉更加清晰，尤其是文字表现力上，分辨率为1280×720p/60Hz，行频为45kHz
D5：1080p格式（1125p）：1920×1080（水平1080线，逐行扫描），目前民用高清视频的最高标准，分辨率为1920×1080P/60Hz,行频为67.5KHZ。
其中D1 和D2标准是我们一般模拟电视的最高标准，并不能称的上高清晰，D3的1080i标准是高清晰电视的基本标准，它可以兼容720p格式，而D5的1080P只是专业上的标准，并不是民用级别的，上面所给出的60HZ只是理想状态下的场频，而它的行频为67.5KHZ，目前还没有如此高行频的电视问世，实际在专业领域里1080P的场频只有24HZ，25HZ和30HZ。
需要指出的一点是，D端子是日本独有的特殊接口，国内电视几乎没有带这种接口的，最多的是色差接口，而色差接口最多支持到D4，理论上肯定没有HDMI（纯数字信号，支持到1080P)的最高清晰度高，但在1920：1080以下分辨率的电视机上，一般也没有很大差别。
国内主流的硬盘录像机（DVR，Digital Video Recording）采用什么分辨率？怎样计算硬盘容量？
国内主流的硬盘录像机采用两种分辨率：CIF和4CIF（D1），分为两种型号。
硬盘录像机常见的路数有1路、2路、4路、8路、9路、12路和16路。最大可以连接8块2000GB的硬盘，总容量可高达1.6TV（可续目前市面上最大的硬盘只有1000GB），如果采用CIF分辨率，通常计算硬盘录像机的录像的硬盘容量为180MB~250MB/小时，通常情况下取值200MB/小时；如果是D1的分辨率每小时录像需要的硬盘容量为720MB~1000MB/小时，通常情况下为了减少硬盘的容量可以按照500MB/小时计算，帧率智能设置比25fps少一些，码流也要少一些！相信大家可以计算出一台装满8块500GB的16路硬盘录像机可以录像多长时间了吧？

FROM: http://www.jsa-cctv.com/suport/2008/0511/article_48_1.html

*霍尔传感器简介

from：2008-04-24  人教网 江苏省洪泽中学 程如林

摘要：本文简略介绍霍尔传感器的工作原理、分类及其简单应用。

关键词：霍尔效应 霍尔元件 霍尔传感器 分类 特性 应用

霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

一、霍尔效应霍尔元件 霍尔传感器

（一）霍尔效应

如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为U_H的霍尔电压，

它们之间的关系为 。

式中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

（二）霍尔元件

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

（三）霍尔传感器

由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图2所示，是其中一种型号的外形图。

二、霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

（一）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

（二）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

三、霍尔传感器的特性

（一）线性型霍尔传感器的特性

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图3所示，可见，在B₁～B₂的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

（二）开关型霍尔传感器的特性

如图4所示，其中B_OP为工作点“开”的磁感应强度，B_RP为释放点“关”的磁感应强度。

当外加的磁感应强度超过动作点B_op时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点B_op以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点B_RP时，传感器才由低电平跃变为高电平。B_op与B_RP之间的滞后使开关动作更为可靠。

另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图5所示。

当磁感应强度超过动作点B_op时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到B_RP时，才能使电平产生变化。

四、霍尔传感器的应用

按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。

（一）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如：

1．电流传感器

由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。

2．位移测量

如图7所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。

如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图8所示，是按这一原理制成的力传感器。

（二）开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。

1．测转速或转数

如图9所示，，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

2．各种实用电路

开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，价格便宜，因此获得极为广泛的应用。下面列举两个实用电路加以说明：

电路1  防盗报警器

如图10所示，将小磁铁固定在门的边缘上，将霍尔传感器固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态时，磁铁靠近霍尔传感器，输出端3为低电平，当门被非法撬开时，霍尔传感器输出端3为高电平，非门输出端Y为低电平，继电器J吸合，J_a闭合，蜂鸣器得电后发出报警声音。

电路2  公共汽车门状态显示器

使用霍尔传感器，只要再配置一块小永久磁铁就很容易做成车门是否关好的指示器，例如公共汽车的三个门必须关闭，司机才可开车。电路如图11所示，三片开关型霍尔传感器分别装在汽车的三个门框上，在车门适当位置各固定一块磁钢，当车门开着时，磁钢远离霍尔开关，输出端为高电平。若三个门中有一个未关好，则或非门输出为低电平，红灯亮，表示还有门未关好，若三个门都关好，则或非门输出为高电平，绿灯亮，表示车门关好，司机可放心开车。

参考文献：

[1]成辉．传感器的理论与设计基础及其应用．北京：国防工业出版社，1999

[2]霍尔传感器及应用电路．北京电子报1994合订本P．381

*  霍尔传感器的使用要点

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。
（1）电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管（指磁补偿式），一般情况下，2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。
（2）电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟。
（3）电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器；当被测电压高于电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值1/2以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的办法。
（4）绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和1.5KV及以下直流系统中，6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交流系统和2.5KV及以下直流系统中，注意不要超压使用。
（5）在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。
（6）在大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则铁心产生较大剩磁，是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。
（7）传感器抗外磁场能力为：距离传感器5～10cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离应大于5～10cm。
（8）为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用图1－10介绍的简易典型稳压电源。
（9）传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟。
（10）原边电流母线温度不得超过85℃，这是ABS工程塑料的特性决定的，用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。

from：网络

1.光电编码器的工作原理
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
1.1增量式编码器
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
1.2绝对式编码器
绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。
绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：
1.2.1可以直接读出角度坐标的绝对值；
1.2.2没有累积误差；
1.2.3电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。
1.3混合式绝对值编码器
混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。
2. 光电编码器的应用电路
2.1 EPC－755A光电编码器的应用
EPC－755A光电编码器具备良好的使用性能，在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。因此，我们在研制汽车驾驶模拟器时，对方向盘旋转角度的测量选用EPC－755A光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路型，输出分辨率选用360个脉冲/圈，考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。图2给出了光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电路，鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成，计数电路用3片74LS193组成。

当光电编码器顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B输出波形90°，D触发器输出Q(波形W1)为高电平，Q(波形W2)为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过(波形W3)，送至双向计数器74LS193的加脉冲输入端CU，进行加法计数；此时，下面与非门关闭，其输出为高电平(波形W4)。当光电编码器逆时针旋转时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90°，D触发器输出Q(波形W1)为低电平，Q(波形W2)为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平(波形W3)；此时，下面与非门打开，计数脉冲通过(波形W4)，送至双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD，进行减法计数。
汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时，其最大旋转角度均为两圈半，选用分辨率为360个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲数为900个；实际使用的计数电路用3片74LS193组成，在系统上电初始化时，先对其进行复位(CLR信号)，再将其初值设为800H，即2048(LD信号)；如此，当方向盘顺时针旋转时，计数电路的输出范围为2048～2948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为2048～1148；计数电路的数据输出D0～D11送至数据处理电路。
实际使用时，方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动，由于存在量化误差，工作较长一段时间后，方向盘回中时计数电路输出可能不是2048，而是有几个字的偏差；为解决这一问题，我们增加了一个方向盘回中检测电路，系统工作后，数据处理电路在模拟器处于非操作状态时，系统检测回中检测电路，若方向盘处于回中状态，而计数电路的数据输出不是2048，可对计数电路进行复位，并重新设置初值。
2.2 光电编码器在重力测量仪中的应用
采用旋转式光电编码器，把它的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连。重力测量仪中补偿旋钮的角位移量转化为某种电信号量；旋转式光电编码器分两种，绝对编码器和增量编码器。
增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高 。一般只需要三条码道，这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义，而是产生计数 脉冲。它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但 是两道扇区相互错开半个区。当码盘转动时，它的输出信号是相位差为90°的A相和B相脉冲 信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数 系统提供一个初始的零位信号）。从A，B两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。由图3（a）可见，当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时 ，A道脉冲比B道滞后π/2。图3（b）是一实际电路，用A道整形波的下沿触发单稳态 产生的正脉冲与B道整形波相‘与’，当码盘正转时只有正向口脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。因此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘 的转动方向和相对角位移量。通常，若编码器有N个（码道）输出信号，其相位差为π/ N，可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2。图3电路的缺点是有时会产生误记脉冲造成误差， 这种情况出现在当某一道信号处于‘高’或‘低’电平状态，而另一道信号正处于‘高’和 ‘低’之间的往返变化状态，此时码盘虽然未产生位移，但是会产生单方向的输出脉冲。例如，码盘发生抖动或手动对准位置时（下面可以看到，在重力仪测量时就会有这种情况）。

图4是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。在这里，采用了有记忆功能 的D型触发器和时钟发生电路。由图4可见，每一道有两个D触发器串接，这样，在时钟脉 冲的间隔中，两个Q端（如对应B道的74LS175的第2、7引脚）保持前两个时钟期的输入 状态，若两者相同，则表示时钟间隔中无变化；否则，可以根据两者关系判断出它的变化方 向，从而产生‘正向’或‘反向’输出脉冲。当某道由于振动在‘高’、‘低’间往复变化 时，将交替产生‘正向’和‘反向’脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影 响（下面仪器的读数也将涉及这点）。由此可见，时钟发生器的频率应大于振动频率的可能 最大值。由图4还可看出，在原一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。例如，原每 圈脉冲数为1000的编码器可产生4倍频的脉冲数是4000个，其分辨率为0.09°。实际上 ，目前这类传感器产品都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起 ，所以只要加上细分与计数电路就可以组成一个角位移测量系统(74159是4-16译码器)。
3.应用中问题分析及改进措施
3.1应用中问题分析
光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场，在使用中暴露出许多缺陷，其有内在因素也有外在因素，主要表现在以下几个方面：
3.1.1发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移，导致接收装置不能可靠的接收到光信号，而不能产生电信号。例如；光电编码器应用在轧钢调速系统中，因光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上，光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴相连接，因电动机所带负载是冲击性负载，当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。经测定；过钢时光电编码器振动速度为2.6mm/s，这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。造成误发脉冲，从而导致控制系统不稳定或误动作，导致事故发生。
3.1.2因光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠的工作。如安装部位温度高、湿度大，导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。例如在连铸机送引锭跟踪系统，由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯，环境温度高而导致光电检测装置误发出信号或损坏，而引发生产或人身事故。
3.1.3生产现场的各种电磁干扰源，对光电检测装置产生的干扰，导致光电检测装置输出波形发生畸变失真，使系统误动或引发生产事故。例如；光电检测装置安装在生产设备本体，其信号经电缆传输至控制系统的距离一般在20—100米，传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆，但由于电缆的导线电阻及线间电容的影响再加上和其它电缆同在一起敷设，极易受到各种电磁干扰的影响，因此引起波形失真，从而使反馈到调速系统的信号与实际值的偏差，而导致系统精度下降。
3.2改进措施
3.2.1改变光电编码器的安装方式。光电编码器不在安装在电动机外壳上，而是在电动机的基础上制作一固定支架来独立安装光电编码器，光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度，两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接，以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。采用此方式后经测振仪检测，其振动速度降至1.2mm/s。
3.2.2合理选择光电检测装置输出信号传输介质，采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性，一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力，因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路的距离基本相等，两线对屏蔽网的分布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。
3.2.3利用PLC软件监控或干涉。在连铸生产的送引锭过程要求光电检测装置产生有时序性的电信号，同时，该信号与整个过程不同阶段相对应。如图5。

①送引锭过程启动前，光电信号1为“1”。
②送引锭过程启动后，在A阶段，辊道启动，引锭杆上送。当引锭杆挡住光电装置发射出的红外光时，光电信号为“0”；当红外光透过引锭杆中部2个小圆孔时，光电装置发出信号2和3，均为“1”。
③送引锭过程在B阶段，光电信号为“0”，辊道停下，引锭杆暂停上送，扇形10段压下，启动拉矫机和“同步1”，引锭杆继续上送。
④送引锭过程在C阶段，引锭杆上送，并不再挡住红外光，光电信号4为“1”，启动“同步2”，停下“同步1”，引锭杆继续上送。至此光电装置工作过程结束。
根据光检测电装置的工作过程，只要现场测定送引锭过程中各个光电信号发生的时间，结合送引锭过程与光电信号的关系，利用PLC应用程序中的相关数据，编制符合要求的PLC程序，将PLC程序输出信号输入至PLC的输入模块，替代原光电信号的输入信号。其程序框图如图6所示。

4.结语
光电检测装置本身是由电子元器件构成，它对安装环境有一定的技术要求，特别是在较恶劣环境下使用，要采取相应的保护措施，以使光电检测装置工作在其产品要求的技术条件下，才能发挥装置的技术性能。否则光电检测装置的使用寿命及其工作的可靠性都将受到不同程度的影响。结合光电检测装置在生产过程控制中的应用实践，在控制系统设计中；不宜采用光电检测装置的信号作为重要的控制信号，以避免光电装置突然损坏或工作不稳定（环境高温、湿度大、机械振动、外力碰创等）引起其它设备事故。在控制系统中应用PLC程序实适进行过程控制的监控或干涉，以克服了因系统中采用光电装置而存在的各种缺陷，是提高系统可靠性的有效途径。

来源：转载

在小车的前左、前右、右方各放置障碍物检测电路，当小车遇到障碍物时，可以由检测电路向单片机发出电压信号，使小车能够根据信号的不同做出相应的反应，从而实现避开障碍物。

采用红外避障传感器E18-D80NK。这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。

该光电传感器为NPN常开型反射式传感器，自发自收。工作电压为5V，工作电流为100mA。有效测量距离为0－80cm。可以通过调节传感器后面的旋丝进行距离调整。易于装配，使用方便，可以很方便的实现小车的避障等功能。

应用领域： 避障； 记数等

红外避障传感器实物图

红外避障单元电路

安装：小车前面安装两个，右边安装一个。

下面做简单判断:

利用金属接近开关传感器E3-D4NK可以检测到铁皮向单片机发送出信号，使单片机可以记录铁块的数目。

金属探测传感器实物图

电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体

产品参数如下：

工作电压：10-30VDC

工作电流：300mA

探测距离：4mm（毫米）

产品直径：10mm（毫米）

应用领域：
金属目标物的探测；可以应用在小车寻找铁块的设计中。

用TCRT5000型光电对管。TCRT5000是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。

TCRT5000采用DIP4封装，其具有如下特点：

l        塑料透镜可以提高灵敏度。

l        内置可见光过滤器能减小离散光的影响。

l        体积小，结构紧凑。

                                            图7 TCRT 5000简图

当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。

图8 循迹检测单元电路[注1]

三个检测单元X1,X2,X3分别位于黑线的中间、左侧、右侧，根据它们的输出信号判断小车的转向和直行。当检测白线时，输出低电平，黑线时，高电平。

方案一：L298集成驱动芯片电路

用L298驱动两台直流电机的电路。引脚6，11可用于PWM控制。如果机器人项目只要求直行前进，则可将5，10和7，12两对引脚分别接高电平和低电平，仅用单片机的两个端口给出PWM信号控制6，11即可实现直行、转弯、加减速等动作。

图5 L298直流电机驱动电路

用L298驱动两台直流电机电路如图所示，。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动两台直流减速电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。2，3，13，14四个脚连接直流减速电机。6，11脚接PWM信号（即E_nA，E_nB接控制使能端）控制电机的停转。四组光耦对输入、输出电信号起隔离作用。8脚接地。表4-1是L298N功能逻辑真值表图。

Ven为6，11脚。IN1=IN3，IN2=IN4.

IN1为5脚。 IN2为7脚。 IN3为10脚。 IN4为12脚。

表1 L298驱动电路真值表

由表1可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。

方案二：本设计采用晶体管作开关控制H桥的正反电流导通。直流电机驱动电路如下图所示

图6直流电机驱动电路

在图示情况下，晶体管Q1、Q2、Q3、Q4作H桥的四个导通开关，晶体管Q5、Q6起控制H桥导通开关的作用。电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10起稳定各晶体管工作状态的作用，在没有导通信号到来的时候保证各晶体管都处于完全断开状态。

系统接收到前进控制信号，F（前进信号）为高电平，晶体管Q5导通控制晶体管Q2、Q3导通，H桥形成正向电流回路，直流电机正转，同时点亮前进指示灯（LED1），驱动探测车前向行驶；系统接收到后退控制信号，B（后退信号）为高电平，晶体管Q6导通控制晶体管Q1、Q4导通，H桥形成正向电流回路，直流电机反转，同时点亮前进指示灯（LED2），驱动探测车后向行驶。同理，利用另以个相同的直流电机驱动电路实现探测车的左右转控制。

直流电机驱动电路最核心的部件是晶体管，晶体管的电气参数直接影响到驱动电路的工作性能，我们可以根据设计的需要选用合适的晶体管。本设计分别选用了S8550（PNP型）和S8050(NPN型)。

本简易智能电动车跷跷板分为电动车智能行驶和跷跷板两个主要部分，都以单片机为控制核心，根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器来探测信号。电动车采用前轮转动方向控制，后轮正向逆向行驶。整机使用双电源分别给电机部分、传感器和芯片部分供电。

其中电动车智能行驶部分可以进行自动循迹，变速行驶，记忆状态，车辆弯道寻迹运行，绕过障碍物行驶，准确进入车库并停车，实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号，以及测量全程时间、全程路程等功能。采用液晶显示板实时显示金属薄片相关信息以及全程时间和全程路程等，大幅度降低了功耗。

电动车跷跷板部分可以循迹上翘翘板和沿板行使，并找到跷跷板的水平位置。当跷跷板一端放有配重时，小车能自动行驶到与之相对的平衡位置，并随配重的移动中心调解重心。并能采用液晶显示或采用语音播报所测量的行程时间和距离。电动车具备前进、倒车、停车和刹车功能。

2007全国电子设计大赛F题

电动车跷跷板（F题）

一、任务

设计并制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。配重的位置可以在从始端开始的200mm～600mm范围内调整，调整步长不大于50mm；配重可拆卸。电动车从起始端A出发，可以自动在跷跷板上行驶。电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图1和图2所示。

二、要求

1.基本要求

在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：

（1）电动车从起始端A出发，在30秒钟内行驶到中心点C附近；

（2）60秒钟之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5秒钟，并给出明显的平衡指示；

（3）电动车从（2）中的平衡点出发，30秒钟内行驶到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B不大于50mm）；

（4）电动车在B点停止5秒后，1分钟内倒退回起始端A，完成整个行程；

（5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。

2.发挥部分

将配重固定在可调整范围内任一指定位置，电动车完成以下运动：

（1）将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点 300mm以外、90°扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够自动驶上跷跷板，如图3所示：

（2）电动车在跷跷板上取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上；

（3）将另一块质量为电动车质量10％～20％的块状配重放置在A至C间指定的位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上；

（4）电动车在3分钟之内完成（1）～（3）全过程。

（5）其他。

三、说明

（1）跷跷板长1600mm、宽300mm，为便于携带也可将跷跷板制成折叠形式。

（2）跷跷板中心固定在直径不大于50mm的半圆轴上，轴两端支撑在支架上，并保证与支架圆滑接触，能灵活转动。

（3）测试中，使用参赛队自制的跷跷板装置。

（4）允许在跷跷板和地面上采取引导措施，但不得影响跷跷板面和地面平整。

（5）电动车(含加在车体上的其它装置)外形尺寸规定为：长≤300mm，宽≤200mm。

（6）平衡的定义为A、B两端与地面的距离差d=∣dA-dB∣不大于40mm。

（7）整个行程约为1600mm减去车长。

（8）测试过程中不允许人为控制电动车运动。

（9）基本要求（2）不能完成时，可以跳过，但不能得分；发挥部分（1）不能完成时，可以直接从（2）项开始，但是（1）项不得分。

四、评分标准