王群（湖南汽車工程職業(yè)學院，湖南　株洲　412001）

RT-Ⅱ型非接觸式車輛測試儀的研制

王群
（湖南汽車工程職業(yè)學院，湖南株洲412001）

五輪儀測試車輛的參數(shù)誤差大，而且自身較重大。采用光電傳感器研制而成的RT-Ⅱ型測試儀測量精度相對較高，質量輕巧，使用方便。論文介紹了光電傳感器的原理及特點，重點設計了測試儀的信號窄帶通跟蹤濾波器，有效地消除了干擾，防止了信號失真。為了解決高速及起步車速測量的誤差較大的難關，設計了鎖相環(huán)預偏電路。設計中的跟蹤濾波技術可適用頻率信號范圍十分廣，有很大的推廣潛力。

傳感器；測試儀；跟蹤濾波；窄帶通；鎖相環(huán)預偏

0　引言

當今是交通飛速發(fā)展的時代，其中汽車在這中間起到最為重要的作用，汽車的各種技術在不斷地發(fā)展，對車輛的動態(tài)參數(shù)如行駛距離、速度、加速度、地理位置等及時準確的測量顯得十分重要了。

傳統(tǒng)的車輛測試儀主要用五輪儀來實現(xiàn)，這種儀器體重大，測量精度不夠，反應慢，尤其是它屬于接觸式測試儀，使用不方便，容易出故障。隨著光電傳感器的出現(xiàn)于技術革新，為非接觸式測試儀的發(fā)展提供了基礎與條件。

本設計就是基于光電傳感器的一種非接觸式測試儀，主要設計了性能好又實用在車輛上的梳狀光電傳感器，分析了它的工作原理，設計了信號調理電路的幾個重要組成部分，通過實驗證明：這種測試儀克服了傳統(tǒng)測試儀致命的幾個缺點，測試方便，精度高，跟蹤快，很有推廣應用的空間。

1　梳狀光電傳感器的選擇及原理

光電檢測可測參數(shù)很多，而且具有精度高、響應快、非接觸、性能可靠、結構簡單、靈活多樣等許多優(yōu)點，因此，采用光電式光電檢測取代傳統(tǒng)的五輪儀，克服了五輪儀致命的兩個缺陷。光電傳感器由光源、光學通路和光電元件三部分組成，它先把被測量的轉換成光信號，再把將光信號借助光電元件轉換成電信號。RT-Ⅱ型非接觸式測試儀就是采用梳狀光電傳感器來檢測信號，它主要有儀用放大器、梳狀光電組件、照明組件、長鏡頭透鏡及外殼等幾個部件。照明組件產(chǎn)生強光，投射到路面形成光斑，光斑通過長鏡頭透鏡在梳狀光電組件上形成對應的像，產(chǎn)生相應的電信號，儀用放大器可把電信號放大到約100mV的傳感器信號。各部分組件的工作原理如圖1所示。

圖1中，有許許多多硅光二極管成陣列對稱均勻分布成光敏條，硅光二極管當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小，但當有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生光電。如果把這些光敏條分成A與B兩組連接，當光照在A與B兩組光敏條上會形成IA與IB兩個光電流，再把這兩個光電流進行轉換成一個IA-IB差動信號，放大器放大到要求值輸出。該信號反映了A、B兩組光敏條上的兩個圖像的平衡性，一般情況下是平衡的，如果圖像在不斷變化，IA-IB差動信號必然也會對應變化。假設某時IA＞IB，那么隨著傳感器的移動，圖像也會相應移動，當移動L/2距離時，A、B兩組的光敏條所處位置會進行對換，所以IA-IB差動光電流信號會反相；同理，當再移動L/2距離時，A、B兩組光敏條會再次進行位置對調，IA-IB差動光電流信號再次反相，從而形成一個偽正弦波，可以推出傳感器每移動L距離就形成一個完整的正弦波。如果放大倍數(shù)為K，則相對地面而言，就移動KL的距離，傳感器就形成一個完整的偽正弦波。我們再用SD-380動態(tài)信號分析儀對該偽正弦波進行測量隔直放大，就可得到諧波分量很小奇次諧波，再經(jīng)過信號調理電路對傳感器信號進行調理，形成TTL信號。微機對電平方波進行計數(shù)，就可得到車輛行駛的距離、速度、加速度等信息。因此光電傳感器可用于車輛跟蹤制導、位移監(jiān)控及本文設計的非接觸車輛測試儀。

圖1　梳狀光電組件的工作原理Fig.1 Principle of comb of optoelectronic components

2　信號調理電路的研制

2．1車輛行駛產(chǎn)生的傳感信號特點

綜上所述可知車輛行駛KL距離，傳感器形成就形成一個完整的偽正弦波，車輛從起步速到一定速度，頻率也會變化幾百倍，加上制造工藝及車輛顛簸等因素對成像的影響，這個IA-IB差動光電流信號必然會產(chǎn)生不斷扭動的直流分量及諧波分量。為了提高測量精度和信噪比，反復實驗證明必須壓縮帶寬，濾除絕大部分諧波，效果才能達到預期效果，經(jīng)多次改進，終于研制出窄帶通跟蹤濾波器，這是RT-Ⅱ型非接觸式車輛測試儀中又一個關鍵的部件。

2．2窄帶通跟蹤濾波器的設計

本跟蹤濾波器采用一個窄帶通濾波器，狹窄帶通濾波器主要根據(jù)濾波器的幅頻特性定義。在濾波器所要提取的信號頻率中設立一個極點為d=re^j2πkfT濾波器，當r值接近1時，可得到很窄的通帶，且過度帶較陡峭，故名狹窄帶通濾波器。d=fn為中心頻率，fn隨信號頻率fs的變化而同步變化，該窄帶通濾波器能讓離fn較近的有用信號通過，又濾除了離fn較遠的干擾信號，大大提高了信噪比。為了方便控制與調試，開關電容濾波器是較好的選擇。這就可以通過改變?yōu)V波器的阻容參數(shù)而方便地改變帶通濾波器的中心頻率，實現(xiàn)fn≈fs跟蹤濾波的目的，開關電容等效的電阻［1］和開關頻率fc的關系為：

R=1/C fc

因為fc隨fs變化而變化，也就等于R也隨fs而變化而變化．只要我們改變開關電容濾波器的時間常數(shù)，就可以方便的改變中心頻率fn，實現(xiàn)fn≈fs，因而可實現(xiàn)跟蹤濾波。該窄帶通跟蹤濾波器的框圖設計如圖2所示。

圖2　信號調理電路框圖Fig.2 Signal conditioning circuit diagram

從圖2不難發(fā)現(xiàn)，光電傳感器信號先傳送給前置預處理電路，濾除了直流分量和頻率范圍之外的諧波干擾，只讓fn附近較窄帶寬頻率信號順利通過，再經(jīng)過放大、限幅得到圖示的Ui（fs）信號。經(jīng)預偏電路設置鎖相環(huán)無信號時的振蕩頻率，fc為開關電容的采樣頻率，當有信號時fn=32fs。遠大于參考文獻［2］中指出的20倍。圖中的Φ1、Φ2為通過fc雙比較器得到的互為反相的采樣信號。

圖3　預偏電路框圖Fig.3 Pre bias circuit diagram

（1）預偏電路的設置。設計的預偏電路主要有比較器、可控震蕩器、施密特整形電路和可重觸發(fā)單穩(wěn)電路組成，具體框圖如圖3所示。

本設計采用集成電路CD4046構成32分頻的鎖相環(huán)，它主要包括兩個相位比較器與壓一個控振蕩器組成，外接相位負反饋閉環(huán)電路［5］（由比例積分環(huán)路濾披器構成）。當相位鎖定后32分頻電路的第4腳輸出fc=32· fs車輛行駛性能必須從起步車速測起，CD4046的12腳因此懸空，把起始頻率設置為fmin=0Hz，查文獻［6］得知：該電路要起振必須有一個預偏電壓，通過實測值為1.25V（當電源Vcc=5V時），如沒設置預偏電壓，車輛在起步的時段，由施密特整形電路輸入鎖相環(huán)，相位比較器產(chǎn)生的電壓信號先是給鎖相環(huán)中的電容充電，當充電到大于預偏電壓時，才有輸出，造成延遲，因此低頻時跟蹤性較差，所以設置預偏電壓（約1.25V），其具體的工作過程如下：當車輛在起步fs=0Hz時，比較器輸出信號為0，單穩(wěn)電路的輸出為高電平 1，振蕩器開始起振 （fs= 12kHz），該高電平同時為74LS157的開關選擇地址，這時選擇開關1B接通，12kHz信號輸入鎖相環(huán)并鎖定，低通濾波器則輸送VCO一個預偏電壓。為了防止由于干擾而使顯示為可信，2B輸入微機系統(tǒng)接地信號，使之顯示為0，當車輛加速到一定時，輸入信號為fs，比較器就會連續(xù)輸出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，輸出低電平0，74LS157選擇開關lA接通，被整形后的fs直接輸送給鎖相環(huán)，圖2中2A腳的信號輸入微機系。我們用兩臺低頻信號作信號發(fā)生和頻率顯示去模擬試驗，發(fā)現(xiàn)當信號從15kHz躍變到0.15kHz時，鎖相環(huán)3腳信號的也跟著躍變，中間信號只是閃現(xiàn)一次即同步為0.15kHz。如果不設置預偏電路，接通一個只有100Hz的信號，要過秒數(shù)量級時間才能鎖定，而且頻率變大，時間變得更長，驗證了預偏電路對提高跟蹤性能的重要作用。

（2）窄帶通開關電容濾波器的設計。上面提到的濾波器如圖4所示，主要由同相積分器加反饋電路組成，設R為開關電容的等效電阻：R=1/C fc。取A1、A2兩個同相積分器的輸入點為節(jié)點可得到：

由式（1）、（2）得該濾波器的傳遞函數(shù)為：

圖4　濾波器電路Fig.4 Filter circuit

上面的傳遞函數(shù)是帶通濾波器的表達形式。為了設計方便，選C2=C3，中心頻率就為：

而R=1/C，代入上式得：

令2πC2/C=32，就有fs≈fn，即當fs變化時，由鎖相環(huán)保證fc=32fs，而，所以fn就跟隨fs的變化而變化，從而實現(xiàn)較好的跟蹤濾波。如果把它的帶寬設計較小點，又能達到抗干擾的目的。濾波器的品質因子Q為：

3　試驗結果

我們主要對車輛進行了加速制動的試驗。這對調理電路來說，為頻率斜升信號，以此檢驗跟蹤濾波的重要特性。為了方便監(jiān)視與調節(jié)掃頻的頻率，我們選擇NWl232低頻頻率特性測試儀來發(fā)生掃頻信號，以此模擬傳感器信號輸入調理電路，再把調理電路的輸出信號與這個信號進行對比分析（用SD-380動態(tài)信號分析儀），把掃頻范圍設置為0Hz~18kHz，相當設置車速范圍為0～260km/h，完全滿足實際要求，單程掃描的時間定為8s，測試結果如表1所示：如果掃描速度為 2.5kHz/s，相當于2.5×4m/s2=10m/s2，基本等于加速度g，而汽車加速度一般最大為0.7g，大大超出實際加速與制動的測量要求。

快速掃頻測試結果如表2所示：掃描速率為2s，掃頻范圍不變，設計的電路照樣工作正常。當速率為9kHz/s時，產(chǎn)生近3.6個g的加速度。新一代的車速儀中已經(jīng)廣泛應用了這種電路。在長沙汽車質量監(jiān)督檢驗鑒定試驗中，檢測到的數(shù)據(jù)誤差與國標接軌，距離誤差控制在±0.43%以內(nèi)，速度誤差控制在±0.4%以內(nèi)。

表1　掃頻結果HzTab.1 Sweep results Hz

表2　快速掃頻結果Tab.2 Fast frequency sweep results Hz

4　結論

（1）本文設計的調理電路工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，達到了預期效果。而且試驗表明，這種電路不僅適用于車輛測試儀，由于其頻率范圍很大，還有很大的推廣應用空間。

（2）所設計的梳狀光電傳感器，優(yōu)越于傳統(tǒng)的五輪儀，由接觸式轉換成是非接觸式傳感器，實用方便，性能可靠，精度高，信噪比大，應用在測量車輛行駛性能效果十分好，值得推廣。

（3）通過系列的試驗，為鎖相環(huán)設置預偏電路，車輛起步測量誤差大的問題得以解決，同時還大大提高了測量的精度和跟蹤的速度。

［1］康華光．電子技術基礎（模擬部分）［M］．北京：高等教育出版社，1988．

［2］（日）相田泰志，龐振泰，王采叟，屈宗明（譯）.半導體器件手冊-CMOS器件手冊［M］．北京：清華大學出版社，1997．

［3］韓小濤，尹項根，張哲，等．基于光電傳感器的變電站通信控制系統(tǒng)解決方案［DB/OL］．中國移動物聯(lián)網(wǎng)，2013，11．

［4］鄭繼禹，等．鎖相環(huán)原理及應用［M］．北京：人民郵電出版社，1984.

［5］陸明達．開關電容濾波器的原理與設計［M］．北京：科學出版社，1986.

［6］喬峨，安作平，羅承沐.光電式電流互感器的開發(fā)與應用-21世紀互感器技術展望［J］．繼電器，2000，1.

Manufacture of RT-ⅡType the Non-contact Automobile Testing Instrument

WANG Qun
（Hunan Vocational College of Automotive Engineering，Zhuzhou Hunan 412001，China）

Parameter error tester five wheel vehicle，and itself is heavy.RT-type test for measuring accuracy of photoelectric sensor is used to develop into a relatively high quality，lightweight，easy to use.This paper introduces the principle and characteristics of the photoelectric sensor，focus on the design of signal testing instrument through narrow band tracking filter，effectively eliminate interference，to prevent signal distortion.In order to solve the high speedand the initial speed measurement error greater difficulties，PLL pre bias circuit design.The tracking filter design in the applicable frequency signal range is very wide，has a greatpotential to promote.

ensor；tester；tracking filter；narrow band pass；phase locked loop pre bias

TP39

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.019

1002-6673（2015）05-051-04

2015-03-29

王群（1974-），講師，碩士。主要研究領域：機電產(chǎn)品設計。