基于單片機控制的智能車測速算法研究

畢恩興

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

“飛思卡爾”智能車一般由：前瞻（路徑傳感器）、核心控制器、驅(qū)動器、測速模塊等部分組成[1]。為提高模型車的控制精度，引入車速閉環(huán)控制對于模型車在運行過程中的狀態(tài)控制是十分重要的。

文獻[1]與文獻[2]僅對速度測量傳感器的工作原理及如何安裝速度傳感器進行了說明，沒有考慮在實際的使用過程中如何從測速算法角度減小測速誤差，以及對不同數(shù)字測速算法的優(yōu)缺點進行比較分析。筆者主要針對速度傳感器的信號輸出特點，設(shè)計了速度信號處理電路，針對數(shù)字測速的特點分別對M法、T法、M/T法這3種測速算法進行了分析、比較，最終選擇了測速范圍廣、測速誤差在一定范圍內(nèi)較小的適合模型車測速的M/T法作為模型車測速算法并加以實現(xiàn)。通過實驗對測速算法進行了比較、分析，證明了理論分析的正確性，并為智能車測速提供了程序設(shè)計范例。

1 測速電路硬件組成

測速電路主要是由測速傳感器與信號處理電路組成。測速傳感器的功能是將速度信號轉(zhuǎn)換為電信號。信號處理電路的功能是將傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換為單片機可以識別的信號。

1.1 測速傳感器

智能車競賽中，測速傳感器一般由發(fā)光二極管、光敏三極管與光柵組成，其工作原理是利用光柵遮擋發(fā)光二極管，使光敏三極管輸出頻率與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系的電壓信號，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 測速傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Speed sensor structure

1.2 信號處理電路

針對速度傳感器的特點，在模型車車輪轉(zhuǎn)動時，通過光柵遮擋發(fā)光管，從而使光敏三極管產(chǎn)生頻率與速度成線性關(guān)系的電壓信號。對于單片機而言，由于是數(shù)字芯片，對于頻率與速度成線性關(guān)系的模擬電壓信號是不能直接識別的，故在此采用信號處理電路對速度信號進行調(diào)整，使其變?yōu)榭梢员粏纹瑱C識別的數(shù)字脈沖信號。具體的信號處理流程如圖2所示，信號處理電路圖如圖3所示[4]。

圖2 速度信號處理流程Fig.2 Speed signal processing flow

由圖2可知，該信號處理電路首先對速度電壓信號進行削波處理，其次經(jīng)過低通濾波器對高頻干擾進行濾除，通過遲滯比較電路將信號整形為正負電壓的方波信號，由于單片機只能識別邏輯正電平，故采用施密特觸發(fā)器與二極管D75將負電平去除從而得到可以被單片機識別的數(shù)字信號。

圖3 速度信號處理電路Fig.3 Speed signal processing circuit

2 測速算法

測速模塊硬件的主要功能是：將頻率隨轉(zhuǎn)速變化的模擬信號送入信號處理電路，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號。單片機通過對脈沖計數(shù)就可以得到轉(zhuǎn)速的具體數(shù)值，該測量方法屬于數(shù)字測速的范疇。常用數(shù)字測速方法有：M法、T法和M/T法。

2.1 M法測速

在一定的時間Tc內(nèi)測取測速電路輸出的脈沖個數(shù)M1，用以計算這段時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱為M法測速。如圖4所示。把M1除以Tc就可得到測速電路輸出脈沖的頻率f1=M1/Tc，所以又稱頻率法。電動機每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生Z個脈沖，把f1除以Z就得到電動機的轉(zhuǎn)速。在習(xí)慣上，時間Tc以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)r/min為單位，則電動機的轉(zhuǎn)速為

上式中，Z和Tc均為常值，因此轉(zhuǎn)速n正比于脈沖數(shù)M1高速時M1大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時M1小于1，測速裝置便不能正常工作。所以M法測速只適用于高速段[5]。

圖4 M法測速原理Fig.4 M speed measurement algorithm

2.2 T法測速

在測速電路兩個相鄰輸出脈沖的間隔時間內(nèi)，用一個計數(shù)器對已知頻率為f0的高頻時鐘脈沖進行計數(shù)，并由此來計算轉(zhuǎn)速，稱作T法測速，如圖5所示。在這，測速時間源于編碼器輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。在T法測速中，準(zhǔn)確的測速時間Tt是用所得的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2計算出來的，即Tt=M2/f0，則電動機轉(zhuǎn)速為

高速時M2小，量化誤差大，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差減小，所以T法測速適合用于低速段與M法恰好相反[5]。

圖5 T法測速原理Fig.5 T speed measurement algorithm

2.3 M/T法測速

在M法和T法結(jié)合起來，即檢測Tc時間內(nèi)測速電路輸出的脈沖個數(shù)M1，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2，用來計算轉(zhuǎn)速，稱作M/T法測速。設(shè)高頻時鐘脈沖的頻率為f0，則準(zhǔn)確的測速時間Tt=M2/f0，而電動機轉(zhuǎn)速為：

采用M/T法測速時，應(yīng)保證高頻時鐘脈沖計數(shù)器與測速電路輸出脈沖計數(shù)器同時開啟與關(guān)閉，以減小誤差，如圖6所示。只有等到測速電路輸出脈沖前沿到達時，兩個計數(shù)器才同時允許開始或停止計數(shù)[5]。

圖6 M/T法測速原理Fig.6 M/T speed measurement algorithm

綜上所述，3種方法中M法在高速時誤差較小，低速時誤差較大。T法在低速時誤差較小，高速時誤差較大。M/T法測速范圍較廣，在高速時相當(dāng)于M法，低速時相當(dāng)于T法。對于智能車而言從啟動、加速到高速運行，速度范圍較廣，為了能夠在各種情況下對車速進行精確測量，采用M/T法較為適合。

3 測速算法實現(xiàn)

M/T法的原理如圖6所示。該算法需要兩個脈沖計數(shù)器、一個允許計數(shù)定時器。并且要求兩個脈沖計數(shù)器根據(jù)脈沖邊沿同時開啟與關(guān)閉，故需要對脈沖信號的邊沿進行捕捉。Freescale MC9S12DG128單片機的ECT模塊可以實現(xiàn)定時功能，并且可以實現(xiàn)對脈沖邊沿捕捉的功能。

3.1 ECT相關(guān)功能模塊說明

1）脈沖輸入捕捉、定時模塊

脈沖輸入捕捉、定時模塊的功能是：脈沖輸入捕捉中斷、定時器計數(shù)。與該模塊相關(guān)的控制寄存器有：TSCR1、TSCR2、ICSYS、TIOS、TCTL4、TIE。其分別可以完成：定時器使能、定時器分頻、輸入捕捉緩沖使能、觸發(fā)模式設(shè)定、邊沿觸發(fā)類型設(shè)定、中斷使能等功能[6-8]。

2）脈沖累加計數(shù)模塊

該模塊的功能是：實現(xiàn)對外部輸入脈沖進行累加計數(shù)。與該模塊功能相關(guān)的控制寄存器有：PACN01、PBCTL。分別可以實現(xiàn)：脈沖累加結(jié)果存儲、脈沖累加計數(shù)器級聯(lián)、脈沖累加計數(shù)器使能功能[6-8]。

3）模數(shù)向下計數(shù)定時模塊

該模塊的功能是：實現(xiàn)長度可控的定時，采用16位減法計數(shù)的方法?？梢詫崿F(xiàn)對允許計數(shù)時間的定時。與該模塊相關(guān)的控制寄存器有：MCCTL、MCCNT。分別可以實現(xiàn)：計數(shù)器工作模式設(shè)定、中斷使能、計數(shù)器使能、分頻系數(shù)設(shè)定、定時器初值設(shè)定等功能[6-8]。

3.2 M/T測速算法程序流程設(shè)計

速度測量算法主要通過3個模塊來實現(xiàn)：脈沖輸入捕捉定時模塊、脈沖累加計數(shù)模塊、模數(shù)向下計數(shù)定時模塊。測速程序主流程圖如圖7所示。

圖7 M/T法測速算法流程圖Fig.7 Flow chart of M/T method

由圖7可知，測速算法的實現(xiàn)，主要通過兩個中斷程序：脈沖輸入捕捉中斷程序、模數(shù)向下計數(shù)中斷程序，的嵌套實現(xiàn)。在中斷嵌套的同時，采用脈沖累加功能對測速電路輸出脈沖進行計數(shù)得到M1值，采用主定時器脈沖計數(shù)功能得到M2值，已知高頻脈沖計數(shù)頻率，通過公式3即可得到轉(zhuǎn)速。接下來就詳細介紹兩個模塊的實現(xiàn)流程。

1）脈沖輸入捕捉定時模塊

該模塊主要完成：輸入脈沖的邊沿捕捉、高頻定時脈沖的計數(shù)、脈沖累加計數(shù)功能。具體的程序流程圖如圖8所示。其中，實線方框內(nèi)，箭頭所指的是相關(guān)寄存器設(shè)置所產(chǎn)生的功能說明，圖8左側(cè)流程圖為寄存器初始化等待中斷流程說明，右側(cè)流程圖為脈沖上升沿捕捉中斷響應(yīng)程序，通過中斷程序設(shè)置固有長度定時器啟動，并且計算定時長度內(nèi)的固有高頻脈沖數(shù)目M2。

圖8 脈沖捕捉定時模塊流程圖Fig.8 Flow chart of capture pulse timing module

2）模數(shù)向下定時計數(shù)模塊

圖9 模數(shù)向下定時計數(shù)模塊流程Fig.9 Flow chart of MCCNT module

該模塊主要實現(xiàn)：允許計數(shù)時間Tc的定時。具體的程序流程圖如圖9所示。其中，圖9左側(cè)流程圖為模數(shù)向下計數(shù)器控制寄存器初始化等待流程，右側(cè)流程圖為模數(shù)向下計數(shù)定時器中斷響應(yīng)程序。在中斷響應(yīng)程序中對測速電路輸出數(shù)字脈沖進行計數(shù)可以得出M1值，已知Z值，由通過公式3可求出具體的轉(zhuǎn)速 n（r/min）。

3.3 M/T測速算法代碼實現(xiàn)

M/T算法實現(xiàn)主要包含：脈沖輸入捕捉初始化、脈沖捕捉中斷響應(yīng)函數(shù)、模數(shù)先下計數(shù)定時中斷3部分。

4 測試與分析

4.1 算法測試

為了對測速算法的準(zhǔn)確性進行比較與分析，采用信號發(fā)生器模擬測速傳感器輸出信號，將標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器產(chǎn)生信號頻率值與測速算法所得頻率值進行比較。具體的實驗測試結(jié)果如表1所示。

表1 實驗測試結(jié)果Tab.1 Experimental results

4.2 算法分析

根據(jù)表 1所測數(shù)據(jù)，令 δ為誤差率，根據(jù) δ=（誤差/被測量）×100%，通過給定頻率的變化可以得出不同算法的誤差率變化曲線如圖10所示。

圖10 誤差率曲線Fig.10 Error rate curve

由圖10可以看出，采用不同的測速算法后實際的測試效果是不同的：M法適用于測量高速段；T法適用于測量低速段；M/T法測速范圍較廣，低速相當(dāng)于T法測速，高速相當(dāng)于M法。

5 結(jié) 論

通過對“飛思卡爾”智能模型車的測速模塊進行研究，根據(jù)速度傳感器的信號特點設(shè)計了測速信號處理電路。依據(jù)數(shù)字測速原理，對不同的速度測量方法進行了分析與比較，確定了M/T測速算法的適應(yīng)性最廣，準(zhǔn)確度最高。并以MC9S12DG128單片機為硬件開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)了該算法，并通過實驗證明了其可靠性。

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