机架式传感器融合控制器组装

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。

测试装置中的手机移动

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。

伺服控制说明

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。

CanaKit UK1104 USB 继电控制器俯视图

图 3. CanaKit UK1104 USB 继电控制器(俯视图)

SparkFun WIG-13118 伺服控制器俯视图

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。

传感器融合控制器

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。

机架式传感器融合控制器

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。

传感器融合布线板修订版 1.1 仰视图

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。

传感器融合布线板修订版 1.1 俯视图

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。

已填充布线板的侧视图

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。

已填充布线板俯视图

图 10. 已填充布线板修订版 1.1(俯视图)

已填充布线板仰视图

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]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。

CanaKit UK1104 板的仰视图

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。

已拆除电源跳接的特写俯视图

图 13. 已拆除电源跳线(焊接掩模已刮掉)的特写俯视图

采用压铆螺母柱重新组装的板

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。

SparkFun WIG-13118

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。

已安装到 CanaKit 继电器板上的布线板

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。

已组装系统的俯视图/侧视图

图 17. 已组装的系统(俯视图/正视图)

板堆叠侧视图

图 18. 已组装的系统(侧视图)

控制器外壳的机械制图

图 19. 控制器外壳的机械制图

外壳内的已组装控制器

图 20. 外壳内的已组装系统