陽湘林

（益陽市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湖南益陽　413002）

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基于DSP的激光互相關(guān)測(cè)速系統(tǒng)

陽湘林

（益陽市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湖南益陽413002）

摘要：提出基于DSP的激光互相關(guān)測(cè)速方案。以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的皮帶為測(cè)速研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)和仿真分析，驗(yàn)證此方案的正確性、可行性和優(yōu)越性。為物體速度的非接觸式在線測(cè)量提供一種有效方法，具有較大的理論研究和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：激光測(cè)速；DSP；互相關(guān)測(cè)量

互相關(guān)測(cè)量技術(shù)是一種非接觸式測(cè)量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種物體速度、長(zhǎng)度和位移的在線測(cè)量，特別適用于高溫、有毒、高輻射等惡劣環(huán)境或不便接觸測(cè)量的場(chǎng)合。國(guó)內(nèi)對(duì)相關(guān)測(cè)量技術(shù)的研究較晚，所需的此類設(shè)備大多依靠進(jìn)口，且價(jià)格昂貴。本文將具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能的DSP、測(cè)量精度較高的相關(guān)測(cè)量技術(shù)與單色性好、方向性好、會(huì)聚性好、高亮度的激光技術(shù)三者有機(jī)結(jié)合，提出基于DSP的激光互相關(guān)測(cè)速方案，并以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的皮帶為測(cè)速對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)和仿真分析。驗(yàn)證此方案的正確性、可行性和優(yōu)越性，具有較大的理論研究和應(yīng)用價(jià)值。

1　互相關(guān)測(cè)速原理及測(cè)速系統(tǒng)的組成

（1）測(cè)速原理。測(cè)速原理是利用相距一定距離L的上下游兩個(gè)傳感器X和Y對(duì)運(yùn)動(dòng)皮帶的同一位置點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)拾取，這兩路信號(hào)x（t）和y（t）的波形在理論上是完全一樣的，僅存在一個(gè)時(shí)間差，然后對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算：

（2）測(cè)速系統(tǒng)的組成。測(cè)速系統(tǒng)的組成如圖1所示，利用激光傳感器的發(fā)射器和接收器拾取運(yùn)動(dòng)皮帶的表面隨機(jī)信號(hào)x（t）和y（t），調(diào)理電路對(duì)拾取的信號(hào)進(jìn)行I/U轉(zhuǎn)化、放大、相敏檢波和濾波，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及AD轉(zhuǎn)換，并將其通過輸入接口送入DSP，DSP芯片進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算并通過峰值搜索求出渡越時(shí)間，最后算出速度并由LCD液晶顯示器輸出。

圖1　激光相關(guān)測(cè)速系統(tǒng)（皮帶）結(jié)構(gòu)示意圖

2　測(cè)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

測(cè)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括激光傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、DSP芯片和LCD液晶顯示器的設(shè)計(jì)。

（1）激光傳感器的設(shè)計(jì)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)皮帶具體情況和激光本身單色性好、方向性好、會(huì)聚性好和高亮度等特點(diǎn)，選擇激光傳感器，用來拾取被測(cè)皮帶的表面隨機(jī)信號(hào)，并將這些被皮表面特征（如表面的凹凸等）所調(diào)制的隨機(jī)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后將其前置放大再送入調(diào)理電路。激光傳感器主要包括發(fā)射器和接收器兩大部分,其中發(fā)射器由激光器和光學(xué)發(fā)射頭組成，而光學(xué)發(fā)射頭又由發(fā)射聚焦鏡和分光器組成；接收器則由接收聚焦鏡、光電探測(cè)器和前置放大器組成，整個(gè)傳感器的光路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　激光傳感器的光路結(jié)構(gòu)圖

其工作原理為：半導(dǎo)體激光器發(fā)射的一束激光經(jīng)過分光器分成兩束平行光，再經(jīng)發(fā)射聚焦鏡聚焦后照射在運(yùn)動(dòng)皮帶的表面，激光光強(qiáng)被運(yùn)動(dòng)皮帶的表面特征調(diào)制后產(chǎn)生散射，此散射光經(jīng)過接收聚焦鏡會(huì)聚后被兩個(gè)光電探測(cè)器接收，隨后光電探測(cè)器將這兩路光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，最后將其前置放大后送入調(diào)理電路。

（2）調(diào)理電路設(shè)計(jì)。光電探測(cè)器的光電流信號(hào)通過跨阻型前置放大電路后進(jìn)行I/U轉(zhuǎn)化（將其變成電壓信號(hào)），然后交流放大，再通過相敏檢波、低通濾波、最后再次放大，經(jīng)過以上調(diào)理后可得兩路能較好反映皮帶表面信息的模擬信號(hào)，并把這兩路模擬信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡。調(diào)理電路的原理如圖3所示，其結(jié)構(gòu)主要包括I/U轉(zhuǎn)化電路、放大器、相敏檢波電路和低通濾波器。測(cè)速時(shí)應(yīng)該采用兩路完全一致的調(diào)理電路以確保調(diào)理后的兩路隨機(jī)信號(hào)在理論上完全相同的，只相差一個(gè)渡越時(shí)間，為后繼的采樣及相關(guān)運(yùn)算做好充分的準(zhǔn)備。

圖3　　調(diào)理電路的原理框圖

（3）數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡的作用是把調(diào)理電路送來兩路模擬信號(hào)通過離散采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（即A/D轉(zhuǎn)換），并將其從I/O接口送入DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集卡是現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理中必不可少的一個(gè)關(guān)鍵元件?；诓煌膽?yīng)用，可選擇不同的數(shù)據(jù)采集卡。在選擇時(shí)，主要考慮轉(zhuǎn)換位數(shù)、轉(zhuǎn)換時(shí)間、采樣頻率、通道數(shù)和價(jià)格等因素。根據(jù)皮帶表面的運(yùn)動(dòng)情況和相關(guān)分析的要求，本測(cè)速系統(tǒng)選擇研華PCI-1710HG數(shù)據(jù)采集卡。

（4）DSP數(shù)據(jù)處理芯片。反映運(yùn)動(dòng)皮帶表面特征的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理和數(shù)據(jù)采集以后，被送入數(shù)據(jù)處理芯片DSP進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，所以數(shù)據(jù)處理芯片的性能對(duì)測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性影響很大，同時(shí)要考慮成本問題，因此數(shù)據(jù)處理芯片的選擇至關(guān)重要，必須權(quán)衡利弊綜合考慮?；ハ嚓P(guān)運(yùn)算包含大量的乘法和加法運(yùn)算，運(yùn)算量很大，且測(cè)速系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高（要求運(yùn)算速度快），但對(duì)控制功能要求不高，所以本測(cè)速系統(tǒng)選擇控制能力稍弱但運(yùn)算能力很強(qiáng)且成本也不高的TMS320VC5402型DSP芯片作為數(shù)據(jù)處理芯片。

（5）顯示輸出部分。兩路隨機(jī)信號(hào)在DSP中經(jīng)過互相關(guān)運(yùn)算后得到渡越時(shí)間，進(jìn)而算出運(yùn)動(dòng)皮帶的速度，再把這個(gè)速度送到LCD液晶屏顯示出來。本測(cè)速系統(tǒng)選用AT320240Q1 型LCD液晶顯示器。

3　測(cè)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

測(cè)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件、操作界面和互相關(guān)算法的設(shè)計(jì)。

（1）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)測(cè)速系統(tǒng)的原理及功能要求，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)系統(tǒng)分為6個(gè)模塊：主調(diào)度模塊、信號(hào)拾取模塊、調(diào)理及采集模塊、互相關(guān)運(yùn)算模塊、峰值搜索模塊和速度顯示模塊。系統(tǒng)通過主調(diào)度模塊控制各子模塊的工作，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)速功能，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主流程圖

（2）操作界面的設(shè)計(jì)。操作界面是操作者與測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行交流的接口，操作者通過操作界面可以進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和修改，而操作界面則把系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)和測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來，以實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)測(cè)速系統(tǒng)的使用與控制。相關(guān)測(cè)速系統(tǒng)軟件的操作界面如圖5所示，包括圖形顯示區(qū)、測(cè)速參數(shù)輸入?yún)^(qū)、測(cè)速結(jié)果顯示區(qū)、測(cè)速控制區(qū)和系統(tǒng)常規(guī)信息區(qū)。

圖6　用快速互相關(guān)算法測(cè)速的流程圖

（4）互相關(guān)算法的仿真。因?yàn)樯舷掠蝺杉す鈧鞲衅鳙@得信號(hào)的波形完全相同，只相差一個(gè)時(shí)間差（即相位差），所以取相位相差90°，其它參數(shù)完全一樣的兩路正弦信號(hào)作為一組仿真信號(hào)，然后再改變采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、信號(hào)的頻率和幅值進(jìn)行四組仿真，仿真的數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)快速互相關(guān)算法的流程與步驟，在Labview上進(jìn)行仿真。主要的編程步驟如下：①創(chuàng)建兩個(gè)仿真信號(hào)子VI；②創(chuàng)建條件選擇結(jié)構(gòu)子VI；③創(chuàng)建補(bǔ)零公式節(jié)點(diǎn)子VI；④創(chuàng)建兩個(gè)FFT子VI；⑤創(chuàng)建復(fù)共軛和乘兩個(gè)子VI；⑥創(chuàng)建Inverse FFT子VI；⑦創(chuàng)建Peak Detector子VI；⑧創(chuàng)建乘和除兩個(gè)子VI。

表1　用快速互相關(guān)算法測(cè)速的仿真數(shù)據(jù)和結(jié)果

最后對(duì)所有子VI連線，并輸入正確的參數(shù)（其中L為8mm保持不變），即可進(jìn)行仿真，仿真的界面如圖7所示。從表1仿真結(jié)果可知，此算法能實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)x（t）和y（t）的互相關(guān)運(yùn)算，而且能適應(yīng)不同采樣頻率、采樣點(diǎn)、信號(hào)頻率和幅值的互相關(guān)運(yùn)算。此算法在采樣頻率較低時(shí)誤差較大，但是當(dāng)采樣頻率較高時(shí)，其精度還是較高的。從而驗(yàn)證了此算法的正確性、可行性和優(yōu)越性。

圖7　用快速互相關(guān)算法測(cè)速的仿真界面

4　結(jié)論

本文提出了基于DSP的激光互相關(guān)測(cè)速方案，并對(duì)其硬件和軟件分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過理論分析和軟件仿真驗(yàn)證了此方案的正確性、可行性和優(yōu)越性。本測(cè)速系統(tǒng)為工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)速度的非接觸式在線測(cè)量提供了一種有效方法，具有較大的理論研究和應(yīng)用價(jià)值。由于條件和時(shí)間有限，本文僅在實(shí)驗(yàn)室以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的皮帶為對(duì)象進(jìn)行研究，如果能在具體環(huán)境下對(duì)某一具體對(duì)象進(jìn)行測(cè)速系統(tǒng)的研制，將具有更大的針對(duì)性，勢(shì)必產(chǎn)生較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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The System for Laser Cross-correlation Velocity Measurement Based on DSP

YANG Xiang-lin
（Yiyang Agricultural Machinery Research Institute，Yiyang Hunan 413002，China）

Abstract:In this paper，the scheme of laser cross-correlation velocity measurement based on DSP is proposed，the principle and system composition of the correlation velocity measurement are introduced.The belt driven by motor is chosen as object of velocity measurement，the hardware and software of it are designed，the simulation analysis of it is completed，the correctness，feasibility and superiority of this scheme is verified.This paper provides a kind of effective method for the non-contact on-line measurement of the speed of the object，which has great value to theoretical research and application.

Key words：measurement of velocity by laser；DSP；cross correlation measurement

作者簡(jiǎn)介：陽湘林（1981-），男，湖南郴州人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)和汽車拖拉機(jī)。

收稿日期：2015-12-19

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）01-0040-03