劉曉杰 ，宋占偉 ，張 旻

(1.江蘇技術(shù)師范學(xué)院，江蘇 常州213001；2.吉林大學(xué)，吉林 長春131012)

以往，速度測量系統(tǒng)普遍采用單片機和轉(zhuǎn)速傳感器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性較差。針對這一缺點[1]，本系統(tǒng)利用信息相關(guān)理論結(jié)合電子技術(shù)來設(shè)計和開發(fā)測速裝置，可實現(xiàn)對任何運動物體速度的非接觸式測量，具有測量精度高、裝置電路簡單、成本低以及智能化等特點，因此可在汽車測速、產(chǎn)品檢測線測速和管道流量檢測等許多領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[2]。

1 測速原理

應(yīng)用信息相關(guān)理論來測量物體運動速度的基本原理是：物體運動過程中，物體同一位置上的信息在不同時間依然保持相同的特性。通過在某時間內(nèi)，利用對固定位置上的兩個信息采集點進行連續(xù)采集，所采集到的兩組信號具有相關(guān)特性[3]。對兩組信號進行相關(guān)運算，即可找出兩組采集信號的時間間隔，從而計算出該物體運動速度[4]。沿車輛運動速度方向，在車輛底部相隔一定距離安裝兩個傳感器Y1和Y2，如圖1所示。通過Y1、Y2獲得車輛運動相對地面表面的特征信號Y1(t)和Y2(t)，如圖2所示。

在上游傳感器Y1和下游傳感器Y2之間距離比較小的情況下(一般小于30 cm)，可以近似認(rèn)為車輛在D距離區(qū)間內(nèi)勻速行駛?；ハ嚓P(guān)信號Y1(t)和Y2(t)之間僅僅是一個運動車輛同樣的一點，通過上游傳感器Y1和通過下游傳感器Y2的時間延時δ(t)，稱為“渡越時間”。通過互相關(guān)算法即可求得渡越時間 δ(t)，從而獲得目標(biāo)車輛運動速度：

求渡越時間 δ(t)，需作 Y1(t)和 Y2(t)的互相關(guān)函數(shù)，在式(2)中代入 Y2(t)=Y1(t-δ(t))的關(guān)系，則有下式：

由式(4)可知，在時間 τ等于渡越時間 δ(t)時，互相關(guān)函數(shù)R取得最大值。實際應(yīng)用時不可能取時間無窮大，故一般用有限時間的積分代替上式，這樣就有

求得的互相關(guān)運算結(jié)果圖形如圖3所示。

2 嵌入式DSP測速系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于一般車輛在正常行駛時速度在20 km/h～200 km/h之間， 通過 30 cm 距離的時間為 54 000 μs～5 400 μs，只要數(shù)/模轉(zhuǎn)換時間與MCU互相關(guān)運算時間小于1 000 μs，即可完成車輛實時相關(guān)測速[5]。

選用32 bit數(shù)字信號處理器TMS320F2812作為控制運算核心，它能工作在150 MHz工作頻率，其具有150 MIPS處理能力，128 K×16 bit Flash存儲器，16通道 12 bit的ADC，無需外接ADC轉(zhuǎn)換器，2個標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信接口和一個SPI串行接口，自帶有看門狗電路等多種片內(nèi)外設(shè)資源，可充分滿足系統(tǒng)設(shè)計需要。系統(tǒng)硬件設(shè)計方案如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)設(shè)計

(1)實時互相關(guān)函數(shù)運算

在數(shù)字化的處理中，若選定采樣周期為T，采樣時間范圍為N，互相關(guān)函數(shù)的點數(shù)為m，則上下游被測信號表示為離散的 Y1(nT)和 Y2(nT)，n為整數(shù)[6-8]。其互相關(guān)函數(shù)表示為：

通過找出使R取得最大值的點m=m0，即得渡越時間為 τ=m0·T。

(2)峰值搜索

在實時測量方式下，全部互相關(guān)函數(shù)值的運算以及峰值在各階段的搜索，都是與被測信號的采樣值數(shù)組Y1(I)，Y2(J)的采樣同時進行的。在兩個被測量信號連續(xù)輸入采樣操作之間，必須計算出Nk個互相關(guān)函數(shù)值增量?？梢?，Nk個累加和的值作為最后結(jié)果保存在Nk個存儲單元中，可以采用掃描法進行峰值搜索。在搜索到峰值之后，延時時間τ也就確定，結(jié)合兩傳感器間已經(jīng)固定的30 cm距離即可計算出該車輛的當(dāng)前行駛速度。

(3)系統(tǒng)軟件策略

由于DSP處理器TMS320F2812工作頻率高達150 MHz，且通過利用TI提供的開發(fā)工具包可使其程序運行代碼具有很高的效率。該系統(tǒng)軟件策略采用基于DSP處理器BIOS的實時多任務(wù)編程方法設(shè)計了6個實時工作任務(wù)模塊，通過主調(diào)度模塊來自動控制任務(wù)模塊的工作，系統(tǒng)軟件策略設(shè)計主流程如圖5所示。

4 實驗測量結(jié)果

在實驗測試中，以電機轉(zhuǎn)盤線速度為標(biāo)準(zhǔn)速度值，利用該系統(tǒng)來實測電機轉(zhuǎn)盤線速度的顯示數(shù)據(jù)值和標(biāo)準(zhǔn)速度值對比，記錄測試實驗結(jié)果，如表1所示。

表1 測試實驗數(shù)據(jù)

對實驗結(jié)果的分析表明，該系統(tǒng)測量的最大相對誤差為0.9%，小于1%。通過長時間對該系統(tǒng)的測試顯示，其工作穩(wěn)定性強，可靠性高。

本文探討了利用信息相關(guān)理論，結(jié)合嵌入式DSP系統(tǒng)來設(shè)計和開發(fā)了車輛實時互相關(guān)測速系統(tǒng)。利用測速裝置實測電機轉(zhuǎn)盤線速度的實驗結(jié)果表明，本文提出的測速系統(tǒng)測速可達190 km/h，所提出的方案和具體實現(xiàn)方法是可行的，它能實現(xiàn)對任何運動物體線速度的非接觸式測量速度，其系統(tǒng)具有裝置電路簡單、成本低廉和智能化等優(yōu)點。

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