車輛超聲測(cè)速儀

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(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710129)

Speedometer of Vehicle Based on Doppler

BAN Jingxuan， LI Suilao，CHEN Shu，ZHOU Bo

(School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China)

車輛超聲測(cè)速儀

班敬軒，李歲勞，陳淑，周博

(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710129)

SpeedometerofVehicleBasedonDoppler

BANJingxuan，LISuilao，CHENShu，ZHOUBo

(SchoolofAutomation，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710129，China)

摘要：為車輛超聲測(cè)速儀的硬件設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，研制出了一臺(tái)車輛超聲測(cè)速儀原理樣機(jī)。設(shè)計(jì)了采用TMS320F28035為主控制器的超聲波測(cè)速儀各部分的硬件電路并對(duì)硬件電路進(jìn)行調(diào)試，最后用跑車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)；超聲波；測(cè)速儀

中圖分類號(hào)：TP368

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)10-0048-03

收稿日期：2015-07-03

基金項(xiàng)目：西北工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)重點(diǎn)扶持項(xiàng)目

Abstract：The paper includes the vehicle speedometer ultrasound hardware design， production， testing and experimentation， the target is to develop a prototype vehicle ultrasound velocimetry.Designing every part of a ultrasonic velocimetry hardware circuit using TMS320F28035 and testing prototype hardware circuit.Using ultrasound velocimetry to perform car speedometer experiment.The experimental results showed that: vehicle velocimetry meets basic design requirements.

作者簡(jiǎn)介：班敬軒(1991-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，碩士研究生，研究方向?yàn)榭刂乒こ?；李歲勞(1964-)，男，陜西寶雞人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閼T性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)測(cè)控等。

Keywords：dopplereffect；ultrasonic；speedometer

0引言

傳統(tǒng)的速度表或里程儀、全球定位系統(tǒng)GPS和慣性加速度計(jì)是當(dāng)前測(cè)量汽車速度的主要方式，但是存在受環(huán)境影響大、易受干擾等缺點(diǎn)。因此，迫切需要研究和尋找其他方法精確測(cè)量汽車速度，基于多普勒效應(yīng)的測(cè)速技術(shù)這時(shí)候進(jìn)入了科研人員的視線。

1工作原理

當(dāng)波源與接收物體之間存在相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收物體接收到的聲音頻率與波源發(fā)射的信號(hào)頻率不一致，這種就是多普勒效應(yīng)。只需測(cè)量接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的頻率差，就得到汽車速度。

車輛多普勒測(cè)速原理示意圖如圖1所示，假設(shè)發(fā)射信號(hào)的頻率為f0，汽車沿水平方向的速度為v，那么在P點(diǎn)接收到的頻率為：

O′點(diǎn)接收到的頻率為：

圖1　測(cè)速原理

多普勒頻移為：

根據(jù)此公式可解算車輛速度v。由于α和α′相差很小，波速c遠(yuǎn)大于車速v，可將公式簡(jiǎn)化為：

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多普勒測(cè)速儀的硬件系統(tǒng)包括電源、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、RS232接口、主控制器模塊等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主控制器選擇TMS320F28035芯片，采用開關(guān)電源芯片TPS5410[3-]4]和線性穩(wěn)壓電源芯片LM1117-3.3為系統(tǒng)提供5V和3.3V電源，下面詳細(xì)介紹發(fā)射電路和接收電路。

2.1　發(fā)射電路

超聲波探頭選擇基于壓電效應(yīng)的傳感器，超聲波發(fā)射模塊脈沖源來自控制器，由于控制器輸出信號(hào)的電流小，如果直接驅(qū)動(dòng)超聲換能器，輸出的聲波信號(hào)也很微弱，以至于很難接收到回波信號(hào)，所以，發(fā)射模塊需要設(shè)計(jì)功率放大電路。

設(shè)計(jì)了使用MAX232芯片的功率放大電路。MAX232芯片是單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，利用其內(nèi)部的電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的功率放大。

發(fā)射電路圖如圖3所示。圖中C4和C7是儲(chǔ)能電容，C5和C15是濾波電容。由于MAX232僅由+5 V單電源供電，為了得到±10 V的輸出電壓，采用電容C4和C5共同作用使V+端電壓升至+10 V。電容C7和C15實(shí)現(xiàn)V-端電壓由+10 V翻轉(zhuǎn)為-10 V，從而得到±10的電源電壓，±10 V電壓給內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換電路供電，在輸入為0～3.3 V的情況下，輸出可達(dá)到±10 V。經(jīng)過MAX232放大后驅(qū)動(dòng)電壓為20V，接收電路可以接收到比較清晰的回波信號(hào)。

圖3　發(fā)射電路

2.2　接收電路

超聲波接收電路用來接收回波信號(hào)，由于換能器輸出的電信號(hào)太弱，根本無法分辨回波信號(hào)，而且信號(hào)噪聲很大，所以需要運(yùn)算放大電路將信號(hào)放大并且需要濾波。設(shè)計(jì)一級(jí)帶通濾波放大電路如圖4所示。運(yùn)算放大器選擇AD8606，單級(jí)一階高通濾波器的傳遞函數(shù)為：

圖4　接收電路

由于多普勒效應(yīng)回波信號(hào)的頻率應(yīng)滿足：40kHz≤f≤46kHz，所以參數(shù)選擇為：A=R2/R1=100，R1=1kΩ，R2=100 kΩ，C1=5 nF，C2=30 pF。

由于AD8606由單電源+3.3V供電且回波信號(hào)以0V為對(duì)稱軸上下波動(dòng)，為了對(duì)整個(gè)回波信號(hào)可以無失真的放大以便進(jìn)行后續(xù)的AD采樣，將回波信號(hào)向上平移1.65V。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)下，回波信號(hào)可以被不失真的放大，而且放大倍數(shù)也留有余量，使得反射距離由于車輛顛簸變小時(shí)，回波信號(hào)也可以被不失真的放大。

3跑車實(shí)驗(yàn)

3.1　跑車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

在跑車實(shí)驗(yàn)中，為了便于調(diào)試算法和觀察算法改進(jìn)的效果，設(shè)計(jì)如下的跑車實(shí)驗(yàn)采集程序，將超聲波回波信號(hào)采樣值發(fā)送到計(jì)算機(jī)上。

使用定時(shí)器0控制GPI/O0和GPI/O1發(fā)送兩路互補(bǔ)的40kHz的方波脈沖；定時(shí)器2用于觸發(fā)AD，AD采樣頻率控制為800ks/s。

數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢方式，考慮到車輛超聲測(cè)速儀原理樣機(jī)的安裝位置，為使數(shù)據(jù)傳輸可靠，設(shè)置波特率為38 400b/s。

主程序流程圖如圖5所示。方波脈沖發(fā)送完畢后延時(shí)一定時(shí)間，關(guān)閉CPU定時(shí)器0，開啟AD；對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在主程序中測(cè)量零位值并根據(jù)程序設(shè)定的閾值判斷回波是否到達(dá)，沒有到達(dá)則等待，如果AD緩沖區(qū)存滿回波都沒有到達(dá)則重新發(fā)送方波脈沖；如果回波到達(dá)，采樣2 200個(gè)點(diǎn)，開始采用過零檢測(cè)法進(jìn)行多普勒頻移和速度結(jié)算。

圖5　主程序流程

數(shù)據(jù)處理完畢后將數(shù)據(jù)向上位機(jī)發(fā)送，數(shù)據(jù)存為.txt格式文件，文件名為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間。

3.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

車輛使用慣導(dǎo)實(shí)驗(yàn)車，地點(diǎn)選擇環(huán)山公路。使用多普勒測(cè)速儀上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件接收實(shí)時(shí)跑車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過測(cè)速算法計(jì)算，得到車輛的行駛速度。

光電里程儀與多普勒測(cè)速儀跑車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示，其中虛線代表光電里程儀速度曲線，實(shí)線代表多普勒測(cè)速儀速度曲線。圖中縱軸為速度(km/h)，橫軸為時(shí)間，格式為“(時(shí)刻-8)×3600+min×60+s”，比如X軸15 150s表示中午12時(shí)12分30秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多普勒測(cè)速儀速度曲線與光電里程儀的速度曲線基本一致，可以反應(yīng)速度變化。但是在某些時(shí)段，多普勒測(cè)速儀測(cè)得的速度誤差太大，這可能是由于車輛的抖動(dòng)，安裝探頭的晃動(dòng)，探頭指向性較差等因素造成的。

圖6　里程儀速度曲線

4結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了車輛超聲測(cè)速儀的硬件，克服了傳統(tǒng)測(cè)速方式受環(huán)境因素影響大、抗干擾能力差等缺點(diǎn)。但是精度有待提高，為了提高精度，可采取的措施是，選擇指向性能好、功率大的超聲傳感器；設(shè)計(jì)使用變壓器發(fā)射電路，提高發(fā)射信號(hào)功率；使用MEMS陀螺測(cè)量車輛顛簸角，補(bǔ)償顛簸引起的誤差。

參考文獻(xiàn)：

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慕丕勛，馮桂林.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理與實(shí)用技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2006.

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