線陣CCD用于汽車制動(dòng)性能檢測(cè)的研究

周加超

ZHOU Jia-chao

（鹽城師范學(xué)院 物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，鹽城 224002）

線陣CCD用于汽車制動(dòng)性能檢測(cè)的研究

Study of using linear CCD to detection the vehicle braking system

周加超

ZHOU Jia-chao

（鹽城師范學(xué)院 物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，鹽城 224002）

介紹一種運(yùn)用光電耦合技術(shù)檢測(cè)汽車制動(dòng)性能的系統(tǒng)。安裝在車體中部光學(xué)掃描成像系統(tǒng)將路面前后相隔微小距離的影像分別投射到線陣CCD以中心為界的兩部分線陣上，在汽車行駛中，同一路面則在CCD的左右兩邊線陣上先后成像。此像素經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送到CPLD進(jìn)行處理，通過(guò)比較、檢索兩者中的特征點(diǎn)（前者記錄特征點(diǎn)，后者比較、檢索)，根據(jù)制動(dòng)所經(jīng)歷時(shí)間和像元的偏移數(shù)即可計(jì)算出汽車運(yùn)動(dòng)速度和側(cè)偏距離，進(jìn)而得出該汽車制動(dòng)性能。

線陣CCD；汽車制動(dòng)性能；光學(xué)掃描

0 引言

檢測(cè)汽車制動(dòng)性能的方法主要有臺(tái)試法和路試法。臺(tái)試法機(jī)動(dòng)性差，且有測(cè)試值與實(shí)際值相差較大的現(xiàn)象；路試法目前主要儀器為五輪儀及慣性式減速度計(jì)。近代的第五車輪采用電磁感應(yīng)傳感器與數(shù)字顯示裝置，能精確測(cè)出起始車速、制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間，但價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜，目前多用于專業(yè)汽車制造廠。

CCD傳感器具備光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、體小質(zhì)輕、低功耗、抗沖擊、耐震動(dòng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、堅(jiān)固耐用、壽命長(zhǎng)、圖像畸變小、無(wú)殘像、便于進(jìn)行數(shù)字化處理和與計(jì)算機(jī)連接、可高速成像以滿足對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的拍攝等優(yōu)點(diǎn)，在圖像采集、非接觸測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控方面得到了廣泛應(yīng)用[1]。本文以高速線陣CCD作為傳感器，研究汽車制動(dòng)性能檢測(cè)系統(tǒng)。

1 汽車制動(dòng)性能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 汽車制動(dòng)性能檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示。汽車制動(dòng)性能檢測(cè)要求：汽車在規(guī)定初速度下剎車，其制動(dòng)距離和制動(dòng)穩(wěn)定性應(yīng)符合相應(yīng)國(guó)標(biāo)要求[2]。因此系統(tǒng)由車速檢測(cè)、制動(dòng)力檢測(cè)和MCU綜合處理三個(gè)模塊組成。其中車速檢測(cè)為系統(tǒng)核心。

1.2 車速檢測(cè)原理

車速測(cè)算原理如圖2所示。CCD的線陣方向與

圖1 系統(tǒng)組成框圖

汽車前向垂直固定安裝。檢測(cè)時(shí)，線陣CCD始終向A/D轉(zhuǎn)換器輸出被掃描對(duì)象表面視頻圖像信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器采集轉(zhuǎn)換CCD_1的8線中點(diǎn)數(shù)據(jù)（線數(shù)多少可根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況增減），隨后在CCD_2輸出的視頻信號(hào)中依次比較查找，一旦找到相符的特征點(diǎn)，說(shuō)明汽車已移位了已知距離，檢索成功。根據(jù)檢索時(shí)間和偏移的象元數(shù)可計(jì)算出車速和側(cè)偏角。

圖2 汽車運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算原理

實(shí)際操作中，CCD的線陣方向與汽車前向垂直固定安裝不易做到，通常有一誤差角α（如圖2所示）。其檢測(cè)方法為：讓汽車沿直線運(yùn)動(dòng)，重復(fù)上述的檢測(cè)，此時(shí)的側(cè)偏角即為誤差角α。誤差角α和速度v’的計(jì)算公式為：

式中：k為光學(xué)系統(tǒng)線陣方向的放大倍率，本設(shè)計(jì)取100；n為在CCD_2上檢測(cè)到的特征點(diǎn)偏移象元數(shù)，Sp為像素間距，t為檢索時(shí)間。

這樣，在隨后有側(cè)偏的測(cè)量中，汽車的前進(jìn)速度v為：

1.3 汽車制動(dòng)性能主要參數(shù)計(jì)算

在汽車測(cè)試過(guò)程中,每完成一次像素檢索計(jì)數(shù)器hj加1，同時(shí)側(cè)偏距離累加器計(jì)入這次檢索的側(cè)偏像素?cái)?shù)nk。則制動(dòng)距離Szd和側(cè)偏距離Scp分別為:

充分發(fā)出的平均減速度MFDD可通過(guò)下列公式計(jì)算：

式中：vo為試驗(yàn)車制動(dòng)初速度；vb為0.8vo試驗(yàn)車速；ve為0.1vo試驗(yàn)車速；Sb為試驗(yàn)車速?gòu)膙o到vb的行駛距離；Se為試驗(yàn)車速?gòu)膙o到ve的行駛距離。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 IT-P1-1024 CCD簡(jiǎn)介

IT-P1-1024為1024元4口輸出CCD，其像元尺寸為10μm × 10μm，其驅(qū)動(dòng)頻率為25MHz，線掃描速率達(dá)87kHz[3]。

4個(gè)口像元的具體分布如圖3所示?？梢钥闯觯篊CD分別從OS1、OS2、OS3、OS4 4個(gè)輸出口輸出光敏信號(hào)，像元按奇偶分成兩行錯(cuò)位排列，形成100占空比。4口輸出方式的輸出速度相當(dāng)于在相同驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下輸出速度的4倍(相對(duì)于單口雙行體制)。這樣就可以用較低的頻率完成高頻才能完成的功能，避免高頻對(duì)電路的苛刻要求和節(jié)省購(gòu)買高頻器件的經(jīng)費(fèi)。

圖3 CCD像元分布示意圖

2.2 光學(xué)掃描成像系統(tǒng)

光學(xué)掃描成像系統(tǒng)由線陣CCD、鏡頭組件組成。鏡頭組件中的折射組件可將相同大小、前后垂直相隔10cm的P1、P2區(qū)域的影像折射移位后平行拼接，經(jīng)橢球面透鏡分別投影到線陣CCD_1和CCD_2上。這樣，被CCD_1掃描的地面就可能被CCD_2再次掃描，即成像兩次。為防止互相竄光，需在兩條光路中間加以遮罩隔離。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 主要元器件選用和工作速度的匹配

設(shè)可測(cè)車速上限為250km/h（69.4m/s），光學(xué)系統(tǒng)縱向分辨值為5mm，則地面花紋信號(hào)頻率為13.88kHz。根據(jù)采樣頻率大于等于兩倍信號(hào)頻率的采樣定理，線陣CCD線掃描速率應(yīng)為28kHz，若選用4×256個(gè)象元，其工作頻率應(yīng)大于7.2MHz。在實(shí)際中，為了保證被測(cè)信號(hào)的質(zhì)量，采樣頻率是被測(cè)信號(hào)最高頻率的3～4倍，在工程上有時(shí)取到10倍[4]，本文選用上述4端口輸出IT-P1-1024 CCD，完全滿足該技術(shù)要求。

為留有余量，通常A/D轉(zhuǎn)換器的選取標(biāo)量頻率為實(shí)際工作頻率的兩倍，本設(shè)計(jì)采用4片美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位50MSPS高速A/D轉(zhuǎn)換器ADC1175-50ILQ，分別轉(zhuǎn)換來(lái)自IT-P1的四路視頻輸出信號(hào)。

圖5 汽車制動(dòng)性能檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖

由于IT-P1的驅(qū)動(dòng)工作頻率要求很高、相位關(guān)系復(fù)雜，宜用高速CPLD作為CCD的基本時(shí)序發(fā)生器。本設(shè)計(jì)使用Lattic公司的ispMACH4000C／B／V系列芯片，該芯片的工作時(shí)鐘可以達(dá)到400MHz，完全可以滿足此CCD的工作時(shí)序要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，軟件分為兩部分，分別存儲(chǔ)于89C52和EP2C35芯片中，存儲(chǔ)于89C52中的為汽車制動(dòng)性能參數(shù)計(jì)算和評(píng)判、剎車力檢測(cè)、系統(tǒng)調(diào)控、通信和顯示等程序；存儲(chǔ)于EP2C35中的為CCD時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生、每秒鐘85點(diǎn)（CCD每掃描1024幀建立一檢測(cè)點(diǎn)）車速檢測(cè)和按鍵去抖動(dòng)等程序。

系統(tǒng)軟件分別采用C51和VHDL語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)完成，程序主流程如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)可單獨(dú)作為一個(gè)檢測(cè)儀器使用，也可方便地與單片機(jī)、DSP、微機(jī)等連接，構(gòu)建復(fù)雜檢測(cè)控制系統(tǒng)。通過(guò)以上介紹也不難看出，線陣CCD用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量是一個(gè)比較復(fù)雜的技術(shù)，需要綜合應(yīng)用光、機(jī)、電、算等各種技術(shù)。

[1] 王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2000.

[2] GB7258-1997.汽車制動(dòng)性能測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件[S].

[3] IT-P1-xxxx-B Image Sensors Data Sheet[Z].DALSA Semi conductor.2005.

[4] 李長(zhǎng)貴,劉敬海等.線陣CCD用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)研究[J].光學(xué)技術(shù),1999(2):5-8.

TP212.14

A

1009-0134(2010)11(下)-0027-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).10

2010-08-17

江蘇省自然科學(xué)基金（BK2008199）； 江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（08KJD140005）

周加超（1970 -），男，江蘇建湖人，講師，碩士，主要從事電子測(cè)控等方面研究。