車輛超聲測速儀

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(西北工業(yè)大學自動化學院，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)

車輛超聲測速儀

班敬軒，李歲勞，陳淑，周博

(西北工業(yè)大學自動化學院，陜西 西安 710129)

SpeedometerofVehicleBasedonDoppler

BANJingxuan，LISuilao，CHENShu，ZHOUBo

(SchoolofAutomation，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710129，China)

摘要：為車輛超聲測速儀的硬件設(shè)計、制作、調(diào)試和實驗，研制出了一臺車輛超聲測速儀原理樣機。設(shè)計了采用TMS320F28035為主控制器的超聲波測速儀各部分的硬件電路并對硬件電路進行調(diào)試，最后用跑車實驗驗證了設(shè)計方案的可行性。

關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)；超聲波；測速儀

中圖分類號：TP368

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)10-0048-03

收稿日期：2015-07-03

基金項目：西北工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)重點扶持項目

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.

作者簡介：班敬軒(1991-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，碩士研究生，研究方向為控制工程；李歲勞(1964-)，男，陜西寶雞人，副教授，碩士研究生導師，研究方向為慣性導航和組合導航、計算機測控等。

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和慣性加速度計是當前測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。因此，迫切需要研究和尋找其他方法精確測量汽車速度，基于多普勒效應(yīng)的測速技術(shù)這時候進入了科研人員的視線。

1工作原理

當波源與接收物體之間存在相對徑向運動時，接收物體接收到的聲音頻率與波源發(fā)射的信號頻率不一致，這種就是多普勒效應(yīng)。只需測量接收信號和發(fā)射信號的頻率差，就得到汽車速度。

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

O′點接收到的頻率為：

圖1　測速原理

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遠大于車速v，可將公式簡化為：

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

多普勒測速儀的硬件系統(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的電流小，如果直接驅(qū)動超聲換能器，輸出的聲波信號也很微弱，以至于很難接收到回波信號，所以，發(fā)射模塊需要設(shè)計功率放大電路。

設(shè)計了使用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)換電路實現(xiàn)對輸入信號的功率放大。

發(fā)射電路圖如圖3所示。圖中C4和C7是儲能電容，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，輸出可達到±10 V。經(jīng)過MAX232放大后驅(qū)動電壓為20V，接收電路可以接收到比較清晰的回波信號。

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，由于換能器輸出的電信號太弱，根本無法分辨回波信號，而且信號噪聲很大，所以需要運算放大電路將信號放大并且需要濾波。設(shè)計一級帶通濾波放大電路如圖4所示。運算放大器選擇AD8606，單級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供電且回波信號以0V為對稱軸上下波動，為了對整個回波信號可以無失真的放大以便進行后續(xù)的AD采樣，將回波信號向上平移1.65V。

根據(jù)實驗，在設(shè)計的放大倍數(shù)下，回波信號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，回波信號也可以被不失真的放大。

3跑車實驗

3.1　跑車實驗數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

在跑車實驗中，為了便于調(diào)試算法和觀察算法改進的效果，設(shè)計如下的跑車實驗采集程序，將超聲波回波信號采樣值發(fā)送到計算機上。

使用定時器0控制GPI/O0和GPI/O1發(fā)送兩路互補的40kHz的方波脈沖；定時器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，考慮到車輛超聲測速儀原理樣機的安裝位置，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)送完畢后延時一定時間，關(guān)閉CPU定時器0，開啟AD；對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，在主程序中測量零位值并根據(jù)程序設(shè)定的閾值判斷回波是否到達，沒有到達則等待，如果AD緩沖區(qū)存滿回波都沒有到達則重新發(fā)送方波脈沖；如果回波到達，采樣2 200個點，開始采用過零檢測法進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)向上位機發(fā)送，數(shù)據(jù)存為.txt格式文件，文件名為當前系統(tǒng)時間。

3.2　實驗結(jié)果

車輛使用慣導實驗車，地點選擇環(huán)山公路。使用多普勒測速儀上位機數(shù)據(jù)采集軟件接收實時跑車實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過測速算法計算，得到車輛的行駛速度。

光電里程儀與多普勒測速儀跑車實驗數(shù)據(jù)如圖6所示，其中虛線代表光電里程儀速度曲線，實線代表多普勒測速儀速度曲線。圖中縱軸為速度(km/h)，橫軸為時間，格式為“(時刻-8)×3600+min×60+s”，比如X軸15 150s表示中午12時12分30秒。實驗結(jié)果表明，多普勒測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。但是在某些時段，多普勒測速儀測得的速度誤差太大，這可能是由于車輛的抖動，安裝探頭的晃動，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

設(shè)計了車輛超聲測速儀的硬件，克服了傳統(tǒng)測速方式受環(huán)境因素影響大、抗干擾能力差等缺點。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)計使用變壓器發(fā)射電路，提高發(fā)射信號功率；使用MEMS陀螺測量車輛顛簸角，補償顛簸引起的誤差。

參考文獻：

周健. 用于車載自主導航激光多普勒測速儀的初步研究.長沙：國防科學技術(shù)大學，2011.

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AbrahamI，Pressman.SwitchingPowerSupplyDesign.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

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

毛劍波.壓電陶瓷換能器在超聲波測距儀中的應(yīng)用.合肥工業(yè)大學學報，2005，28(6)： 696 -698.

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