利用復(fù)雜可編程器件設(shè)計(jì)速度測(cè)量系統(tǒng)

柳鳳伶，賀 健，董 晨，寧 川

(北京聯(lián)合大學(xué) 應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100083)

利用復(fù)雜可編程器件設(shè)計(jì)速度測(cè)量系統(tǒng)

柳鳳伶，賀 健，董 晨，寧 川

(北京聯(lián)合大學(xué) 應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100083)

基于復(fù)雜可編程邏輯器件和紅外傳感器的綜合技術(shù)，設(shè)計(jì)了物體速度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)精度要求設(shè)計(jì)可編程邏輯器件的時(shí)鐘頻率，用線性擬合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)測(cè)量精度達(dá)0.1 m/s，測(cè)量精度較高、成本較低，具有能實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量、自動(dòng)復(fù)位、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)測(cè)量方法中系統(tǒng)龐大、精度受限的問(wèn)題。

速度測(cè)量;復(fù)雜可編程器件;紅外傳感器;計(jì)數(shù)器;分頻

速度測(cè)量是很多行業(yè)非常關(guān)注的問(wèn)題。為滿足交通工程中的限速系統(tǒng)以及田徑、自行車運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中的速度檢測(cè)等需求，復(fù)雜可編程器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)的速度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)速方法做了一些改進(jìn)。目前，大多數(shù)測(cè)速電路采用單片機(jī)外加部分模擬和數(shù)字小規(guī)模集成電路來(lái)進(jìn)行制作，其測(cè)量精度、工作速度完全受限于單片機(jī)的工作頻率［1-4］。此外，這類測(cè)量電路的集成度較低，抗干擾能力普遍較弱。紅外傳感器不受可見(jiàn)光線、被測(cè)物顏色等影響，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)工作環(huán)境要求較低［5］。同時(shí)，CPLD編程靈活、集成度高、速度快、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、適用范圍寬、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、保密性強(qiáng)［6］。本文擬利用紅外傳感器捕獲物體通過(guò)定點(diǎn)的信號(hào)，并控制計(jì)數(shù)器正確計(jì)出汽車通過(guò)兩紅外探頭的時(shí)間間隔，根據(jù)CPLD計(jì)數(shù)器的值，在相應(yīng)的擬合直線上映像出此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度，實(shí)現(xiàn)物體通過(guò)固定距離時(shí)的速度測(cè)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括:兩組紅外傳感器、一個(gè)基于CPLD的中央處理電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

當(dāng)物體順序通過(guò)兩組傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，分別作為CPLD計(jì)數(shù)器的開(kāi)啟信號(hào)和停止信號(hào)。通過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，可以得到物體通過(guò)該傳感器兩探頭的時(shí)間間隔ΔT。設(shè)紅外傳感器兩探頭之間的距離為ΔS、計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)值為 N、計(jì)數(shù)器的主振頻率為f0(Hz)，則物體運(yùn)行的平均速度V通?？捎墒?1)計(jì)算得出。本系統(tǒng)使用的中央處理器件為CPLD器件，本身計(jì)算功能較弱，因此選用線性擬合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［7］。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 傳感器設(shè)計(jì)

敏感器件采用的是紅外對(duì)射型光電開(kāi)關(guān)，兩個(gè)為一組，其中，一個(gè)發(fā)射紅外光，一個(gè)接收紅外光。當(dāng)有物體在一組對(duì)射管之間時(shí)，紅外光線被切斷，接收管發(fā)出電平跳變信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成CPLD能夠識(shí)別的電平信號(hào)，其邏輯功能為:當(dāng)沒(méi)有物體遮斷該傳感器發(fā)射的紅外光時(shí)，兩對(duì)紅外接收與處理裝置將接收到的紅外光進(jìn)行處理，輸出高電平，不能觸發(fā)計(jì)數(shù)器。當(dāng)傳感器感應(yīng)到物體通過(guò)時(shí)，輸出低電平，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)物體繼續(xù)前行，切斷第二束紅外光后，傳感器II輸出低電平，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是汽車通過(guò)該傳感器兩探頭的時(shí)間間隔。圖2為其中一組傳感器的原理圖。

圖2 傳感器I原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

由圖3可知，均勻的是Δt區(qū)間，Δv是非均勻分布的，按照精度(0.1 m/s)要求，將整個(gè)曲線分為n段，每段近似為線性。根據(jù)計(jì)數(shù)器的值 N，對(duì)應(yīng)到橫坐標(biāo)上某個(gè) t點(diǎn)，通過(guò)對(duì)應(yīng)線段，映像出此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)物體的速度。軟件流程如圖4所示［8］。

圖3 速度－時(shí)間圖

圖4 程序流程圖

4 CPLD功能模塊設(shè)計(jì)

按照數(shù)據(jù)處理需要，將CPLD組成多個(gè)邏輯模塊 DP0－DPX，用于分段計(jì)算物體的速度［9-10］(見(jiàn)圖5)?？紤]到本系統(tǒng)的精度是0.1 m/s，應(yīng)以能滿足最高速度50.0 m/s測(cè)量精度的時(shí)鐘為計(jì)數(shù)時(shí)鐘。設(shè)固定距離為10 m，則本系統(tǒng)時(shí)間精度:

2 500 Hz的時(shí)鐘能滿足本系統(tǒng)的精度要求。按照常規(guī)的方法，測(cè)量范圍在(1.0－50.0)m/s內(nèi)的計(jì)數(shù)器至少要能容納25 000(2 500*10)個(gè)數(shù)據(jù)。其中，只有約500(50*10)個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)精度范圍內(nèi)的速度改變有貢獻(xiàn)。將一個(gè)高頻的晶振信號(hào)分頻為f0－fx范圍后，分別作為各模塊計(jì)數(shù)時(shí)鐘。時(shí)序如圖6所示。door1和door2是來(lái)自于傳感器的輸出信號(hào)，從T1時(shí)刻開(kāi)始依次啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 DPi計(jì)數(shù)，T2時(shí)刻停止計(jì)數(shù)并給出準(zhǔn)確的速度值，在下一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)到來(lái)之前，系統(tǒng)一直顯示本次測(cè)量的速度值。這種方法降低了資源成本和工作量，減少了數(shù)據(jù)處理中發(fā)生錯(cuò)誤的概率。

圖5 模塊圖

圖6 系統(tǒng)時(shí)序圖

5 結(jié)論

此系統(tǒng)利用紅外傳感器和CPLD器件，通過(guò)測(cè)量物體經(jīng)過(guò)固定距離的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了物體速度的計(jì)算。系統(tǒng)中涉及的紅外傳感器不受可見(jiàn)光線、被測(cè)物體顏色等影響，使用方便;CPLD器件具有編程靈活、集成度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可操作性強(qiáng)。該系統(tǒng)速度測(cè)量范圍為1.0～49.9 m/s，精度為0.1 s/m，適用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體在指定10 m內(nèi)的平均速度。利用復(fù)雜可編程器件實(shí)現(xiàn)的速度測(cè)量系統(tǒng)具有裝置簡(jiǎn)單、便于操作、測(cè)量精度高、自動(dòng)復(fù)位、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

［1］ 劉永富，朱昌平，林善明，等.基于復(fù)雜可編程邏輯器件的氣介超聲測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.聲學(xué)技術(shù)，2006，25(4):317－320.

［2］ 馬鴻文.列車測(cè)速報(bào)警系統(tǒng)的研制［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007(8):109－111.

［3］ 李楊，靳鴻，張志杰.CPLD在飛行體加速度測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(z3):2400－2401.

［4］ 謝平，陳建輝，胡記文.基于 CPLD的模數(shù)轉(zhuǎn)換組合研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(26):153－155.

［5］ 曲振強(qiáng)，蘇秀平，凌杰.公路動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)紅外測(cè)速光電傳感器的研制［J］.信息化研究，2002(9):46－47.

［6］ 付慧生.復(fù)雜可編程邏輯器件與應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［7］ 劉玲，葛福生.數(shù)值計(jì)算方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［8］ 曾繁泰，邢建平.VHDL程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［9］ 馬彧，王丹利，王麗英.CPLDFPGA可編程邏輯器件實(shí)用教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［10］ 張洪潤(rùn)，孫悅，金美華.FPGA/CPLD應(yīng)用設(shè)計(jì)200例［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

The Design of Speed Masurement System by the Complex Programmable Logic Device

LIU Feng-ling，HE Jian，DONG Chen，NING Chuan
(College of Arts and Science，Beijing Union University，Beijing 100083，China)

Based on the integrated technology of complex programmable logic devices and infrared sensor，a speed measurement system was designed.The system designs programmable logic device’s clock frequency in accordance with the accuracy requirement of programmable logic device and processes data with linear fitting method.Numerical experiments indicate the system’s measurement accuracy is up to 0.1m/s.With a low cost，high accuracy，easy operation and an automatic real-time continuous measurement，the system solves the precision-constrained problems in traditional measurement system.

speed measuring;complex programmable logic device;infrared sensor;counter;frequency division

TP 332.1

A

1005-0310(2010)01-0046-03

2009－09－04

柳風(fēng)伶(1956—)，女，北京市人，北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院信息與科學(xué)技術(shù)系實(shí)驗(yàn)室主任、高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槲锢砑拔锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)、傳感器應(yīng)用技術(shù)。

(責(zé)任編輯 彭丹宇)