一種用于車輛測速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：王水波，宋煥生，王國強，郭 亞，鄭 輝   人氣： 發(fā)表時間：2011年12月07日

    1 概述 

    車速是交通信息中一個重要參數(shù)，車速檢測對城市交通控制與管理有著重要的作用和意義[1]。通常，這些信息的獲取是靠各種檢測設(shè)備來完成的，現(xiàn)有的交通檢測設(shè)備主要有環(huán)形線圈檢測器、視頻檢測器和微波檢測器，其中，環(huán)形線圈檢測器[1-2]由于其性能穩(wěn)定可靠、靈敏度高、檢測數(shù)據(jù)精確和成本低等優(yōu)點而被廣泛使用。 

    環(huán)形線圈檢測器是一種基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的車輛檢測設(shè)備，利用車輛經(jīng)過檢測區(qū)域時，引起線圈電感發(fā)生變化的原理來工作。車輛檢測器檢測出這個電感變化量，就能檢測出車輛的通過或存在情況。檢測這個電感的變化量有2種方式：(1)利用相位鎖存器和相位比較器的技術(shù)來檢測相位變化[1-4]；(2)利用耦合振蕩電路對振蕩頻率進行檢測[5-6]。 

    傳統(tǒng)的線圈檢測器主要用于檢測車輛的存在或通過情況，在速度的檢測上，存在很大缺陷：(1)由于環(huán)形線圈的工作頻率與靈敏度、線圈匝數(shù)和線圈埋設(shè)深度有關(guān)，經(jīng)過處理后的二值化結(jié)果會有較大波動，很難精確檢測車速；(2)傳統(tǒng)的線圈檢測器是以獨立的單個線圈來工作的，當(dāng)有車輛經(jīng)過不同線圈邊緣時，會發(fā)生“誤觸發(fā)”，也會導(dǎo)致速度檢測的不準(zhǔn)確性。
 
    本文針對現(xiàn)有線圈檢測器的設(shè)計方式和檢測功能進行研究，并在第2種檢測方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種可用于車輛測速的交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用可編程邏輯器件，在短時間內(nèi)，同時完成多通道數(shù)據(jù)采集功能的設(shè)計，也能根據(jù)需要，隨時更改設(shè)計，使系統(tǒng)占有資源少，開發(fā)周期短，設(shè)計方便。該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可通過CH365接口芯片和PCI總線實時地傳輸?shù)接嬎銠C中，可以為各種檢測提供需要的數(shù)據(jù)信息，尤其適合同時實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的采集，提高了數(shù)據(jù)的采集效率和精度。 

    2 系統(tǒng)總體設(shè)計 

    利用可編程器件，簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計，使系統(tǒng)具有小型化和簡易化的特點。本系統(tǒng)采用Altera公司MAX7000系列芯片(EPM7128STC-100-10)。其片上資源很豐富，可以滿足現(xiàn)階段的設(shè)計需要，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

    為了調(diào)節(jié)振蕩頻率，在多個通道同時工作時，避免線圈間的頻率干擾，在耦合振蕩電路中，加入電子開關(guān)選擇電路，這樣，在實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集時，可以保證檢測精度。另外，它還具有靈敏度的調(diào)節(jié)功能。 

    振蕩電路引起的頻率變化是個模擬信號，檢測頻率的變化是通過設(shè)計合適的計數(shù)電路來完成的，信號整形電路是用來完成從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。有源晶振電路輸出一個高頻(30 MHz)時鐘脈沖信號，作為計數(shù)電路的基準(zhǔn)信號。電源模塊電路提供+12 V和+5 V輸出電壓，為耦合振蕩電路和CPLD的正常工作提供所需電壓。JTAG接口電路為編程下載和隨時更改設(shè)計，提供一個快速途徑。 

    為使系統(tǒng)正常工作，該系統(tǒng)還配有復(fù)位電路、LED輸出顯示電路等外圍電路。整個數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計都集中在CPLD芯片中完成。 

    2.1 耦合振蕩電路 

    機動車經(jīng)過埋有線圈的路面時，會產(chǎn)生耦合振蕩電路頻率的變化，該變化是由地埋線圈構(gòu)成的耦合振蕩電路引起的。系統(tǒng)中的耦合振蕩電路如圖2所示。

    可以看出，這是一個電容反饋3點式振蕩電路[6]。電源+12 V通過高頻扼流圈LC加到三極管BJT上，扼流圈LC的功能是避免電源對振蕩回路的高頻信號造成短路。 

    2.2 CPLD的硬件設(shè)計CPLD完成對數(shù)據(jù)的采集和提供與CH365進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谛盘枺瑢⒋郎y信號在CPLD中進行分頻處理，對已知的高頻信號進行計數(shù)。CPLD的硬件設(shè)計采用原理圖和AHDL硬件描述語言相結(jié)合的方式，頂層設(shè)計采用原理圖輸入方式，圖3給出了該部分頂層設(shè)計電路圖。

    在圖3中，LOOP1和LOOP2是2路經(jīng)過信號整形電路后的數(shù)字信號；CLK30M是有源晶振電路輸出的高頻基準(zhǔn)信號，輸出頻率為30 MHz；模塊LOOP_CNT完成分頻和計數(shù)，其原理設(shè)計是采用AHDL來實現(xiàn)的，其語言描述程序為
    SUBDESIGN LOOP_CNT
    (SIG: INPUT; FROM LOOP DETECTOR
    CLK: INPUT; 30M CLOCK
    /CLR: INPUT; CLEAR INT_REQ AND END_REG[]
    RESULT[15..0]: OUTPUT; COUNT RESULT)
    VARIABLE
    …
    BEGIN
    …
    END;
    模塊BUSMUX通過地址總線，對線圈通道采集到的數(shù)據(jù)進行選擇，通過不同的地址來讀取不同線圈通道中的數(shù)據(jù)，

    實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。模塊CPU_INTERFACE將采集到的數(shù)據(jù)通過PCI接口芯片CH365和PCI總線傳入計算機中。編寫相應(yīng)的軟件程序，能實時讀取線圈通道中的數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，從而檢測出車輛的存在或通過情況。 

    3 硬件設(shè)計仿真 

    借助AHDL硬件描述語言和MAX PLUS II開發(fā)工具，可以得到如圖4所示的仿真結(jié)果。

    當(dāng)讀選通信號(RD)有效(低電平)時，可以通過不同的地址讀出檢測到的計數(shù)值，每個線圈通道所檢測到的計數(shù)結(jié)果都是2 Byte。圖中，A和D分別是16 bit的地址總線和8 bit的數(shù)據(jù)總線；H000和H0001對應(yīng)一個線圈通道；H0002和H0003對應(yīng)另一個線圈通道。當(dāng)計算機讀完數(shù)據(jù)后，可以在寫選通信號(WR)有效(低電平)時，在某一地址上寫入數(shù)據(jù)，并清除存儲器中已讀數(shù)據(jù)，為下一次計算機進行讀數(shù)據(jù)操作做準(zhǔn)備。 

    4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件實現(xiàn) 

    軟件功能的實現(xiàn)是在Visual C++6.0集成開發(fā)環(huán)境上，采用C語言進行編程的，可運行在Windows XP操作系統(tǒng)上。
數(shù)據(jù)采集的軟件是通過對PCI接口芯片CH365編寫相應(yīng)的程序來實現(xiàn)的，CH365有豐富的地址、數(shù)據(jù)總線以及讀寫選通信號，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)與計算機通信提供一個可靠接口。其軟件實現(xiàn)過程如下：
    (1)裝載CH365設(shè)備和獲取相關(guān)的參數(shù)信息，如果CH365動態(tài)鏈接庫裝載成功，就能打開設(shè)備，獲取IO基地址，讀取數(shù)據(jù)。如果打開CH365設(shè)備失敗，返回重新裝載。
    if(LoadLibrary("CH365DLL.DLL")==NULL) return;
    //裝載CH365動態(tài)鏈接庫
    if(CH365mOpenDevice(Device_Number,TRUE,TRUE)== INVALID_HANDLE_VALUE ) return;
    if(CH365mGetIoBaseAddr(Device_Number,&mIoBase)== FALSE) printf("ERROR");
    if(CH365mSetA15_A8(Device_Number,data)==FALSE) printf("ERROR"); 

    (2)讀取相應(yīng)端口中的數(shù)據(jù)。CH365設(shè)備打開成功后，設(shè)置不同的端口地址，在CH365讀選通信號(RD)有效(低電平)時，讀取對應(yīng)端口中的數(shù)據(jù)，下面是2通道端口數(shù)據(jù)的讀取。
    CH365mReadIoWord(Device_Number,&mIoBase->mCh365IoPort [0x00], &mWord);
    CH365mReadIoWord(Device_Number,&mIoBase->mCh365IoPort [0x02], &mWord2); 

    (3)將端口地址中的數(shù)據(jù)清除，為下次讀取數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。一次數(shù)據(jù)讀取完后，在CH365寫選通信號(WR)有效(低電平)時，在相應(yīng)端口地址中寫入數(shù)據(jù)，以清除計算機已讀完的數(shù)據(jù)，為計算機下  一次讀數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備，下面是實現(xiàn)該過程的程序語句：
    if(CH365mSetA15_A8(Device_Number,data)==FALSE) printf("ERROR")；
    if(CH365mWriteIoByte(Device_Number,&mIoBase->mCh365Io Port[0x00], 0x00)==FALSE) printf("ERROR");
    //在端口0x00中寫入數(shù)據(jù)
    if(CH365mWriteIoByte(Device_Number,&mIoBase->mCh365Io Port[0x02], 0x00)==FALSE) printf("ERROR");
    //在端口0x02中寫入數(shù)據(jù) 

    5 實驗結(jié)果分析 

    利用該系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集軟件，在某路面上進行實車采集，其結(jié)果如圖5、圖6所示。

    圖5顯示了沒有車輛經(jīng)過時的采集情況。當(dāng)無車經(jīng)過時，其振蕩頻率穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)顯示為直線，出現(xiàn)個別數(shù)值較大的數(shù)據(jù)，屬于正常情況。圖中還顯示了當(dāng)前采集數(shù)據(jù)對應(yīng)的實際數(shù)值，根據(jù)測得的頻率，該數(shù)值與實際計算結(jié)果一致。圖6是其中某一通道有車輛經(jīng)過時的情況。可以看出，該通道在有車輛通過時，其數(shù)據(jù)會出現(xiàn)一個小波動。這是因為有車經(jīng)過時，其振蕩頻率要增大，計數(shù)值必然會減小，這也與實際情形吻合。
 
    6 結(jié)束語 

    針對現(xiàn)有線圈檢測器不能很好地應(yīng)用于車速檢測，設(shè)計一種用于車速檢測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用CPLD作為核心器件，精簡了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)的功能設(shè)計不僅利用模擬仿真，證實其正確性，而且在實驗中，驗證了系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)可應(yīng)用于車輛測速等交通檢測中。