利用復雜可編程器件設計速度測量系統

柳鳳伶，賀 健，董 晨，寧 川

(北京聯合大學 應用文理學院，北京 100083)

利用復雜可編程器件設計速度測量系統

柳鳳伶，賀 健，董 晨，寧 川

(北京聯合大學 應用文理學院，北京 100083)

基于復雜可編程邏輯器件和紅外傳感器的綜合技術，設計了物體速度測量系統。該系統根據精度要求設計可編程邏輯器件的時鐘頻率，用線性擬合方法進行數據處理。通過數值實驗，該系統測量精度達0.1 m/s，測量精度較高、成本較低，具有能實時連續測量、自動復位、操作方便等優點。該設計解決了傳統測量方法中系統龐大、精度受限的問題。

速度測量;復雜可編程器件;紅外傳感器;計數器;分頻

速度測量是很多行業非常關注的問題。為滿足交通工程中的限速系統以及田徑、自行車運動員訓練中的速度檢測等需求，復雜可編程器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)的速度測量系統對傳統的測速方法做了一些改進。目前，大多數測速電路采用單片機外加部分模擬和數字小規模集成電路來進行制作，其測量精度、工作速度完全受限于單片機的工作頻率［1-4］。此外，這類測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光線、被測物顏色等影響，抗干擾能力強，對工作環境要求較低［5］。同時，CPLD編程靈活、集成度高、速度快、設計開發周期短、適用范圍寬、開發工具先進、設計制造成本低、標準產品無需測試、保密性強［6］。本文擬利用紅外傳感器捕獲物體通過定點的信號，并控制計數器正確計出汽車通過兩紅外探頭的時間間隔，根據CPLD計數器的值，在相應的擬合直線上映像出此點對應的速度，實現物體通過固定距離時的速度測量。

1 系統總體設計

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

當物體順序通過兩組傳感器時，會產生兩個信號，分別作為CPLD計數器的開啟信號和停止信號。通過計數器的計數值，可以得到物體通過該傳感器兩探頭的時間間隔ΔT。設紅外傳感器兩探頭之間的距離為ΔS、計數器所計數值為 N、計數器的主振頻率為f0(Hz)，則物體運行的平均速度V通常可由式(1)計算得出。本系統使用的中央處理器件為CPLD器件，本身計算功能較弱，因此選用線性擬合方法進行數據處理［7］。

圖1 系統框圖

2 傳感器設計

敏感器件采用的是紅外對射型光電開關，兩個為一組，其中，一個發射紅外光，一個接收紅外光。當有物體在一組對射管之間時，紅外光線被切斷，接收管發出電平跳變信號。轉換電路將其轉換成CPLD能夠識別的電平信號，其邏輯功能為:當沒有物體遮斷該傳感器發射的紅外光時，兩對紅外接收與處理裝置將接收到的紅外光進行處理，輸出高電平，不能觸發計數器。當傳感器感應到物體通過時，輸出低電平，計數器開始計數。當物體繼續前行，切斷第二束紅外光后，傳感器II輸出低電平，計數器停止計數。計數器的計數值是汽車通過該傳感器兩探頭的時間間隔。圖2為其中一組傳感器的原理圖。

圖2 傳感器I原理圖

3 軟件設計

由圖3可知，均勻的是Δt區間，Δv是非均勻分布的，按照精度(0.1 m/s)要求，將整個曲線分為n段，每段近似為線性。根據計數器的值 N，對應到橫坐標上某個 t點，通過對應線段，映像出此點對應的運動物體的速度。軟件流程如圖4所示［8］。

圖3 速度－時間圖

圖4 程序流程圖

4 CPLD功能模塊設計

按照數據處理需要，將CPLD組成多個邏輯模塊 DP0－DPX，用于分段計算物體的速度［9-10］(見圖5)。考慮到本系統的精度是0.1 m/s，應以能滿足最高速度50.0 m/s測量精度的時鐘為計數時鐘。設固定距離為10 m，則本系統時間精度:

2 500 Hz的時鐘能滿足本系統的精度要求。按照常規的方法，測量范圍在(1.0－50.0)m/s內的計數器至少要能容納25 000(2 500*10)個數據。其中，只有約500(50*10)個數據對精度范圍內的速度改變有貢獻。將一個高頻的晶振信號分頻為f0－fx范圍后，分別作為各模塊計數時鐘。時序如圖6所示。door1和door2是來自于傳感器的輸出信號，從T1時刻開始依次啟動計數器 DPi計數，T2時刻停止計數并給出準確的速度值，在下一個啟動信號到來之前，系統一直顯示本次測量的速度值。這種方法降低了資源成本和工作量，減少了數據處理中發生錯誤的概率。

圖5 模塊圖

圖6 系統時序圖

5 結論

此系統利用紅外傳感器和CPLD器件，通過測量物體經過固定距離的時間，實現了物體速度的計算。系統中涉及的紅外傳感器不受可見光線、被測物體顏色等影響，使用方便;CPLD器件具有編程靈活、集成度高、速度快等優點，可操作性強。該系統速度測量范圍為1.0～49.9 m/s，精度為0.1 s/m，適用于測量運動物體在指定10 m內的平均速度。利用復雜可編程器件實現的速度測量系統具有裝置簡單、便于操作、測量精度高、自動復位、價格低廉等優點。

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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

柳風伶(1956—)，女，北京市人，北京聯合大學應用文理學院信息與科學技術系實驗室主任、高級實驗師，研究方向為物理及物理實驗教學、傳感器應用技術。

(責任編輯 彭丹宇)