本页介绍了如何组装机架式传感器融合测试装置的控制器布线板。传感器融合测试是兼容性测试套件 (CTS) 中相机图像测试套件（相机 ITS）的一部分。当多个传感器融合装置由单个主机控制时（例如在实验室环境中），您可以使用机架式传感器融合控制器。
机架式传感器融合控制器概览
传感器融合测试装置
传感器融合测试装置让手机在固定范围内移动，以进行可重现的测试。对着拍摄目标旋转手机，以便在不同位置拍摄图片。
测试装置将手机围绕摄像头轴中心旋转 90 度，并在大约 2 秒内将手机旋转回原位。图 1 显示了一部手机在传感器融合测试装置中移动。
图 1. 测试装置中的手机移动
伺服电机控制
测试装置中的模拟伺服电机是采用脉冲宽度调制 (PWM) 控制的位置伺服系统。图 2 显示了一个典型的位置控制示例。控制信号的周期为 20 毫秒。如果将脉冲宽度更改为最小宽度，电机移动会到空挡位置；如果将脉冲宽度更改为最大宽度，电机会逆时针旋转 90 度。
图 2. 典型的伺服控制说明
传感器融合控制器实现
为了通过主机控制伺服电机移动，传感器融合测试装置需要 USB 连接。测试装置控制器使用一个已连接 USB 的 CanaKit UK1104 继电器板，它具有四个继电器输出端。继电器板的输出端连接到 SparkFun WIG-13118 伺服触发器。CanaKit 板如下图 3 所示，SparkFun 板如图 4 所示。CanaKit 板由外部 12V 电源供电。SparkFun 伺服触发器的供电电压为 5V，因为伺服电机使用 5V 电源。SparkFun 伺服触发器可实现平稳移动。
图 3. CanaKit UK1104 USB 继电控制器（俯视图）
图 4. SparkFun WIG-13118 伺服控制器（俯视图）
传感器融合控制器实现采用焊接布线组装而成，以连接 CanaKit 板和 SparkFun 板。电路原理图如图 5 所示。4 根电线采用手动焊接，通道 1 上提供单个伺服控制输出端。SparkFun 伺服控制器所需的 5V VCC 不受 CanaKit 内部 12V 到 5V 调节器的控制。线路简单，可以实现较高产量。
图 5. 传感器融合控制器修订版 1，显示了单个传感器融合盒控制器
机架式传感器融合控制器
借助机架式实现，可以采用单个主机控制多个测试装置，从而降低了实验室成本。现有的 CanaKit 继电器板最多可以控制 4 个伺服触发器。机架式实现增加了外部调节器和旁路电容器，用于处理来自新增伺服触发器的额外电流负荷。原理图如图 6 所示。与图 5 中的单通道传感器融合控制器相比，除了伺服触发器之间的 VCC/GND 连接之外，机架式控制器还需要至少 10 根电线。虽然可以手工接线，但组装过程容易出错。因此，机架式实现改为采用自定义布线板。
传感器融合布线 PCB
为了缩短组装时间、提高产量和简化重新组装，我们采用自定义印刷电路板 (PCB) 在两块板之间布线，并提供一个安装基板。采用布线 PCB 完成互连，可以用压铆螺母柱将最终系统固定到一起，这样在拆卸时就不会损坏相关组件。
采用开源在线 PCB 设计工具设计的两层布线板可以在以下位置获得：https://easyeda.com/portmannc/sensor_fusion。
布线板尺寸大约为 4.0 英寸 x 2.2 英寸，与 CanaKit 板的尺寸大致相同。建议采用 1.6 毫米厚的布线板，以确保机械稳定性。
图 6. 机架式传感器融合控制器
布线板的设计目的是连接 CanaKit 继电控制器和 SparkFun 伺服控制器。布线板的底部如图 7 所示。丝网印刷采用白色丝网，内部布线采用浅绿色线。每个角落附近都有一个用白色圆圈圈出的孔，这是为了在安装时与 CanaKit 板上的孔对齐。请注意电源调节器和电容器的轮廓。调节器电容器 C1 和 C2 是 10 uF 钽质电容器，如 LM1084 数据表中所述。通过板载调节器，会将 12V 的电源电压下调为 +5V 的供电电压（不需要散热器，因为调节器最多可以吸收 390 毫安电流，而且调节器下方的布线板上下都覆有铜层）。
4 个继电器输出端的连接 (NO[1:4]) 以及 COM[1:4] 连接显示在布线板底部。此外，从 CanaKit 板到伺服控制器板的主 GND 连接标示在布线板顶部的中间位置。所有标示的孔都应该以母形针座填充，以便连接到下面的 CanaKit UK1104 板。
图 7. 传感器融合布线板修订版 1.1，显示了布线和电源电路（仰视图）
传感器融合布线板的顶部如图 8 所示。图中显示了 WIG-13118 伺服触发器板和孔的轮廓。虽然每个伺服触发器板都有 4 个孔，但每个伺服触发器只需要两个压铆螺母柱（已用白色圆圈圈出）。VCC 和 GND 分别连接到每个伺服触发器，因此如果需要，不一定要填充 4 个伺服触发器。左侧有两个连接器的轮廓，这些连接器对于机架式传感器融合控制器不是必需的。
图 8. 传感器融合布线板修订版 1.1，显示了布线（俯视图）
组装机架式传感器融合控制器
材料清单 (BOM)
| 数量 | 说明 | 部件号/链接 |
|---|---|---|
| 1 | 1.6 毫米厚的传感器融合布线板 | https://easyeda.com/portmannc/sensor_fusion |
| 4 | SparkFun WIG-13118 伺服触发器 | https://www.sparkfun.com/products/13118 |
| 1 | CanaKit UK1104 继电控制器 | https://www.canakit.com/4-port-usb-relay-controller.html |
| 1 | Texas Instruments LM1084 5V，5A LDO 调节器 | http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm1084.pdf |
| 2 | 16V，10%，10 uF 钽质电容器 | TAP106K016CRS |
| 5 | 1 排 3 脚，间距 100 密耳（2.54 毫米），通孔母形针座 | 952-1784-ND |
| 8 | 1 排 2 脚，间距 100 密耳（2.54 毫米），通孔母形针座 | 952-1776-ND |
| 10 | 1 排 3 脚，间距 100 密耳（2.54 毫米），通孔公形针座，其中四个拆除了中间的引脚，可以实现 200 密耳（5.08 毫米）的间距 | 952-3308-ND |
| 9 | 1 排 2 脚，间距 100 密耳（2.54 毫米），通孔公形针座 | 952-3308-ND |
| 12 | 11 毫米母形对母形压铆螺母柱（5 毫米宽，M3-0.5 螺纹） | R30-1001102 |
| 4 | 16 毫米公形对母形压铆螺母柱（5 毫米宽，M3-0.5 螺纹） | R30-3001602 |
| 20 | M3-0.5 6 毫米螺钉 | 36-9191-3-ND |
所需的其他工具
- 焊铁、焊料、吸锡器
- 小号十字头螺丝刀
- 尖嘴钳
- 美工刀
- 精密钻头：0.8 毫米（1/32 英寸），或 67 号标准钻头
其他资源
以下 zip 文件可供下载。
填充布线板
在布线板顶部，安装 2 脚母形针座，以便连接上方的 WIG-13118 板。每对 VCC/GND 和 IN[1:4]/GND 都需要一个 2 脚母形针座。在布线板底部，需要在每对 NO[1:4]/GND 上以及 POWER 和 GND 孔上分别安装 3 脚母形针座。此外，必须要填充调节器和电容器。已填充布线板的概念化侧视图如图 9 所示。
图 9. 使用母形针座、调节器和电容器填充的布线板（概念化侧视图）
已填充布线板的图片如图 10（俯视图）和图 11（仰视图）所示。
图 10. 已填充布线板修订版 1.1（俯视图）
图 11. 已填充布线板修订版 1.1（仰视图）
CanaKit 和 SparkFun 伺服板组装准备工作
要将 CanaKit 连接到布线板，您必须重新组装 CanaKit 板。这些操作包括：
- 对于 NO[1:4] 和 COM[1:4]，对顶部的蓝色接线端子进行拆焊操作，然后在底部添加公形针座。由于针座使用 200 密耳的间距，因此可以使用 3 个间距为 100 密耳但取下中间连接器的针座。
- 对于 VCC_12，对顶部的 3 脚公形针座进行拆焊操作，然后在底部安装一个新的 3 脚公形针座。舍弃跳线。
- 对于 GND，对顶部的 8 脚直角公形针座进行拆焊操作，然后在 GND 的底部将其替换为 3 个直角公形针座。
- 附加 4 个 16 毫米的公形对母形压铆螺母柱，方法是将 4 个 11 毫米的母形对母形压铆螺母柱绕到公形压铆螺母柱的一端。16 毫米的压铆螺母柱应该位于 CanaKit 板的顶部，CanaKit 板上的所有组件都已填充。
对连接器进行拆焊操作以及附加公形针座引脚的位置如图 12 所示。
图 12. CanaKit UK1104 板，进行拆焊操作（绿色）和附加公形针座（黄色）的位置（仰视图）
在对 VCC_12 和 GND 位置进行拆焊操作后，准备对针座引脚进行开孔处理，以便实现合适的焊锡流和连接性。使用推荐的钻头尺寸清理开孔，以便清除孔中任何多余的焊料。不要使用尺寸更大的钻头，因为此类钻头会损坏孔内的镀层。NO[1:4] 和 COM[1:4] 引脚不需要钻孔，因为这些孔适用于固定连接器上的 1 毫米接线柱，而不是 0.6 毫米针座接线柱。对于图 12 中标示为黄色的所有开孔，CanaKit 板仅在底部具有焊接掩模开孔。为了将板堆叠起来，需要将 CanaKit 板翻转一下，因此需要刮掉顶部孔周围的焊接掩模，这样才能附上合适的焊料。使用美工刀刮掉孔周围的焊接掩模，露出铜黄。
图 13 是板顶部电源跳线孔（焊接掩模已刮掉）的特写。最终重新组装的板如图 14 所示。
图 13. 已拆除电源跳线（焊接掩模已刮掉）的特写俯视图
图 14. 采用压铆螺母柱重新组装的板
为了方便配接 CanaKit 板和布线板，请先将公形针座引脚插入布线板上的母形针座，并在 CanaKit 板上安装所有部件，然后再将针座焊接到 CanaKit 板上。这样可以减少公形针座倾斜，而这种倾斜可能导致组装变得复杂。
为了确保在组装过程中正确对齐各个部件，请在 CanaKit 板上焊接公形针座，并且按照最终配置组装各个板。图 15 显示了将公形针座引脚焊接到 WIG-13118 板的位置。需要在板上执行以下操作：
- IN/GND 和 VCC/GND：将公形 2 脚针座焊接在底部，以便连接到布线板。
- SIG/VCC/GND：将公形 3 脚针座焊接在顶部，以便连接到电机。
图 15. (a) SparkFun WIG-13118，显示了焊接针座的位置（俯视图）；(b) 焊接到位的公形针座（概念化端视图）
最终组装
在进行最终组装时，用间隔条将各个板连接起来作为机械支撑。布线板应该具有 8 个 11 毫米的母形对母形压铆螺母柱，您可以用螺钉穿过布线板底部进行固定，使得 WIG-13118 板正面朝上安装。首先固定 11 毫米的压铆螺母柱，因为在将布线板安装到 CanaKit 板顶部之后，就没有足够的空间可以固定布线板底部。
要将布线板连接到 CanaKit 板，需要将布线板卡入 CanaKit 板，然后固定角落里的 4 个 M3 螺钉，如图 16 所示。
图 16. 已安装到 CanaKit 继电器板上的布线板
卡入 SparkFun 伺服触发器使其固定到位，然后拧紧螺钉。图 17 显示了完全组装的系统。图 18 显示了已组装系统的侧视图。图 19 显示了控制器外壳的机械制图，图 20 显示了外壳内的已组装系统。
图 17. 已组装的系统（俯视图/正视图）
图 18. 已组装的系统（侧视图）
图 19. 控制器外壳的机械制图
图 20. 外壳内的已组装系统