周加超

ZHOU Jia-chao

（鹽城師范學院 物理科學與電子技術學院，鹽城 224002）

線陣CCD用于汽車制動性能檢測的研究

Study of using linear CCD to detection the vehicle braking system

周加超

ZHOU Jia-chao

（鹽城師范學院 物理科學與電子技術學院，鹽城 224002）

介紹一種運用光電耦合技術檢測汽車制動性能的系統(tǒng)。安裝在車體中部光學掃描成像系統(tǒng)將路面前后相隔微小距離的影像分別投射到線陣CCD以中心為界的兩部分線陣上，在汽車行駛中，同一路面則在CCD的左右兩邊線陣上先后成像。此像素經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送到CPLD進行處理，通過比較、檢索兩者中的特征點（前者記錄特征點，后者比較、檢索)，根據(jù)制動所經(jīng)歷時間和像元的偏移數(shù)即可計算出汽車運動速度和側(cè)偏距離，進而得出該汽車制動性能。

線陣CCD；汽車制動性能；光學掃描

0 引言

檢測汽車制動性能的方法主要有臺試法和路試法。臺試法機動性差，且有測試值與實際值相差較大的現(xiàn)象；路試法目前主要儀器為五輪儀及慣性式減速度計。近代的第五車輪采用電磁感應傳感器與數(shù)字顯示裝置，能精確測出起始車速、制動距離、制動時間，但價格昂貴、操作復雜，目前多用于專業(yè)汽車制造廠。

CCD傳感器具備光譜響應寬、動態(tài)范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、體小質(zhì)輕、低功耗、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強、堅固耐用、壽命長、圖像畸變小、無殘像、便于進行數(shù)字化處理和與計算機連接、可高速成像以滿足對高速運動物體的拍攝等優(yōu)點，在圖像采集、非接觸測量和實時監(jiān)控方面得到了廣泛應用[1]。本文以高速線陣CCD作為傳感器，研究汽車制動性能檢測系統(tǒng)。

1 汽車制動性能檢測系統(tǒng)設計原理

1.1 汽車制動性能檢測系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示。汽車制動性能檢測要求：汽車在規(guī)定初速度下剎車，其制動距離和制動穩(wěn)定性應符合相應國標要求[2]。因此系統(tǒng)由車速檢測、制動力檢測和MCU綜合處理三個模塊組成。其中車速檢測為系統(tǒng)核心。

1.2 車速檢測原理

車速測算原理如圖2所示。CCD的線陣方向與

圖1 系統(tǒng)組成框圖

汽車前向垂直固定安裝。檢測時，線陣CCD始終向A/D轉(zhuǎn)換器輸出被掃描對象表面視頻圖像信號。A/D轉(zhuǎn)換器采集轉(zhuǎn)換CCD_1的8線中點數(shù)據(jù)（線數(shù)多少可根據(jù)實際測量情況增減），隨后在CCD_2輸出的視頻信號中依次比較查找，一旦找到相符的特征點，說明汽車已移位了已知距離，檢索成功。根據(jù)檢索時間和偏移的象元數(shù)可計算出車速和側(cè)偏角。

圖2 汽車運動速度計算原理

實際操作中，CCD的線陣方向與汽車前向垂直固定安裝不易做到，通常有一誤差角α（如圖2所示）。其檢測方法為：讓汽車沿直線運動，重復上述的檢測，此時的側(cè)偏角即為誤差角α。誤差角α和速度v’的計算公式為：

式中：k為光學系統(tǒng)線陣方向的放大倍率，本設計取100；n為在CCD_2上檢測到的特征點偏移象元數(shù)，Sp為像素間距，t為檢索時間。

這樣，在隨后有側(cè)偏的測量中，汽車的前進速度v為：

1.3 汽車制動性能主要參數(shù)計算

在汽車測試過程中,每完成一次像素檢索計數(shù)器hj加1，同時側(cè)偏距離累加器計入這次檢索的側(cè)偏像素數(shù)nk。則制動距離Szd和側(cè)偏距離Scp分別為:

充分發(fā)出的平均減速度MFDD可通過下列公式計算：

式中：vo為試驗車制動初速度；vb為0.8vo試驗車速；ve為0.1vo試驗車速；Sb為試驗車速從vo到vb的行駛距離；Se為試驗車速從vo到ve的行駛距離。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 IT-P1-1024 CCD簡介

IT-P1-1024為1024元4口輸出CCD，其像元尺寸為10μm × 10μm，其驅(qū)動頻率為25MHz，線掃描速率達87kHz[3]。

4個口像元的具體分布如圖3所示。可以看出：CCD分別從OS1、OS2、OS3、OS4 4個輸出口輸出光敏信號，像元按奇偶分成兩行錯位排列，形成100占空比。4口輸出方式的輸出速度相當于在相同驅(qū)動時鐘驅(qū)動下輸出速度的4倍(相對于單口雙行體制)。這樣就可以用較低的頻率完成高頻才能完成的功能，避免高頻對電路的苛刻要求和節(jié)省購買高頻器件的經(jīng)費。

圖3 CCD像元分布示意圖

2.2 光學掃描成像系統(tǒng)

光學掃描成像系統(tǒng)由線陣CCD、鏡頭組件組成。鏡頭組件中的折射組件可將相同大小、前后垂直相隔10cm的P1、P2區(qū)域的影像折射移位后平行拼接，經(jīng)橢球面透鏡分別投影到線陣CCD_1和CCD_2上。這樣，被CCD_1掃描的地面就可能被CCD_2再次掃描，即成像兩次。為防止互相竄光，需在兩條光路中間加以遮罩隔離。

圖4 光學系統(tǒng)結(jié)構圖

2.3 主要元器件選用和工作速度的匹配

設可測車速上限為250km/h（69.4m/s），光學系統(tǒng)縱向分辨值為5mm，則地面花紋信號頻率為13.88kHz。根據(jù)采樣頻率大于等于兩倍信號頻率的采樣定理，線陣CCD線掃描速率應為28kHz，若選用4×256個象元，其工作頻率應大于7.2MHz。在實際中，為了保證被測信號的質(zhì)量，采樣頻率是被測信號最高頻率的3～4倍，在工程上有時取到10倍[4]，本文選用上述4端口輸出IT-P1-1024 CCD，完全滿足該技術要求。

為留有余量，通常A/D轉(zhuǎn)換器的選取標量頻率為實際工作頻率的兩倍，本設計采用4片美國國家半導體公司生產(chǎn)的8位50MSPS高速A/D轉(zhuǎn)換器ADC1175-50ILQ，分別轉(zhuǎn)換來自IT-P1的四路視頻輸出信號。

圖5 汽車制動性能檢測系統(tǒng)軟件流程圖

由于IT-P1的驅(qū)動工作頻率要求很高、相位關系復雜，宜用高速CPLD作為CCD的基本時序發(fā)生器。本設計使用Lattic公司的ispMACH4000C／B／V系列芯片，該芯片的工作時鐘可以達到400MHz，完全可以滿足此CCD的工作時序要求。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)中，軟件分為兩部分，分別存儲于89C52和EP2C35芯片中，存儲于89C52中的為汽車制動性能參數(shù)計算和評判、剎車力檢測、系統(tǒng)調(diào)控、通信和顯示等程序；存儲于EP2C35中的為CCD時序信號產(chǎn)生、每秒鐘85點（CCD每掃描1024幀建立一檢測點）車速檢測和按鍵去抖動等程序。

系統(tǒng)軟件分別采用C51和VHDL語言來編寫完成，程序主流程如圖5所示。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)可單獨作為一個檢測儀器使用，也可方便地與單片機、DSP、微機等連接，構建復雜檢測控制系統(tǒng)。通過以上介紹也不難看出，線陣CCD用于快速動態(tài)測量是一個比較復雜的技術，需要綜合應用光、機、電、算等各種技術。

[1] 王慶有.CCD應用技術[M].天津:天津大學出版社,2000.

[2] GB7258-1997.汽車制動性能測試國家標準.機動車運行安全技術條件[S].

[3] IT-P1-xxxx-B Image Sensors Data Sheet[Z].DALSA Semi conductor.2005.

[4] 李長貴,劉敬海等.線陣CCD用于實時動態(tài)測量技術研究[J].光學技術,1999(2):5-8.

TP212.14

A

1009-0134(2010)11(下)-0027-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).10

2010-08-17

江蘇省自然科學基金（BK2008199）； 江蘇省高校自然科學基金資助項目（08KJD140005）

周加超（1970 -），男，江蘇建湖人，講師，碩士，主要從事電子測控等方面研究。