基于DSP的激光互相關測速系統(tǒng)

陽湘林

（益陽市農(nóng)業(yè)機械研究所，湖南益陽　413002）

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基于DSP的激光互相關測速系統(tǒng)

陽湘林

（益陽市農(nóng)業(yè)機械研究所，湖南益陽413002）

摘要：提出基于DSP的激光互相關測速方案。以電動機帶動的皮帶為測速研究對象，對其進行軟硬件設計和仿真分析，驗證此方案的正確性、可行性和優(yōu)越性。為物體速度的非接觸式在線測量提供一種有效方法，具有較大的理論研究和應用價值。

關鍵詞：激光測速；DSP；互相關測量

互相關測量技術是一種非接觸式測量技術，廣泛應用于各種物體速度、長度和位移的在線測量，特別適用于高溫、有毒、高輻射等惡劣環(huán)境或不便接觸測量的場合。國內(nèi)對相關測量技術的研究較晚，所需的此類設備大多依靠進口，且價格昂貴。本文將具有強大數(shù)據(jù)處理功能的DSP、測量精度較高的相關測量技術與單色性好、方向性好、會聚性好、高亮度的激光技術三者有機結合，提出基于DSP的激光互相關測速方案，并以電動機帶動的皮帶為測速對象，對其進行軟硬件設計和仿真分析。驗證此方案的正確性、可行性和優(yōu)越性，具有較大的理論研究和應用價值。

1　互相關測速原理及測速系統(tǒng)的組成

（1）測速原理。測速原理是利用相距一定距離L的上下游兩個傳感器X和Y對運動皮帶的同一位置點進行信號拾取，這兩路信號x（t）和y（t）的波形在理論上是完全一樣的，僅存在一個時間差，然后對這兩路信號進行互相關運算：

（2）測速系統(tǒng)的組成。測速系統(tǒng)的組成如圖1所示，利用激光傳感器的發(fā)射器和接收器拾取運動皮帶的表面隨機信號x（t）和y（t），調(diào)理電路對拾取的信號進行I/U轉化、放大、相敏檢波和濾波，再進行數(shù)據(jù)采集及AD轉換，并將其通過輸入接口送入DSP，DSP芯片進行互相關運算并通過峰值搜索求出渡越時間，最后算出速度并由LCD液晶顯示器輸出。

圖1　激光相關測速系統(tǒng)（皮帶）結構示意圖

2　測速系統(tǒng)的硬件設計

測速系統(tǒng)的硬件設計主要包括激光傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、DSP芯片和LCD液晶顯示器的設計。

（1）激光傳感器的設計。根據(jù)運動皮帶具體情況和激光本身單色性好、方向性好、會聚性好和高亮度等特點，選擇激光傳感器，用來拾取被測皮帶的表面隨機信號，并將這些被皮表面特征（如表面的凹凸等）所調(diào)制的隨機光信號轉換成電信號，然后將其前置放大再送入調(diào)理電路。激光傳感器主要包括發(fā)射器和接收器兩大部分,其中發(fā)射器由激光器和光學發(fā)射頭組成，而光學發(fā)射頭又由發(fā)射聚焦鏡和分光器組成；接收器則由接收聚焦鏡、光電探測器和前置放大器組成，整個傳感器的光路結構如圖2所示。

圖2　激光傳感器的光路結構圖

其工作原理為：半導體激光器發(fā)射的一束激光經(jīng)過分光器分成兩束平行光，再經(jīng)發(fā)射聚焦鏡聚焦后照射在運動皮帶的表面，激光光強被運動皮帶的表面特征調(diào)制后產(chǎn)生散射，此散射光經(jīng)過接收聚焦鏡會聚后被兩個光電探測器接收，隨后光電探測器將這兩路光信號轉換成電流信號，最后將其前置放大后送入調(diào)理電路。

（2）調(diào)理電路設計。光電探測器的光電流信號通過跨阻型前置放大電路后進行I/U轉化（將其變成電壓信號），然后交流放大，再通過相敏檢波、低通濾波、最后再次放大，經(jīng)過以上調(diào)理后可得兩路能較好反映皮帶表面信息的模擬信號，并把這兩路模擬信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡。調(diào)理電路的原理如圖3所示，其結構主要包括I/U轉化電路、放大器、相敏檢波電路和低通濾波器。測速時應該采用兩路完全一致的調(diào)理電路以確保調(diào)理后的兩路隨機信號在理論上完全相同的，只相差一個渡越時間，為后繼的采樣及相關運算做好充分的準備。

圖3　　調(diào)理電路的原理框圖

（3）數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡的作用是把調(diào)理電路送來兩路模擬信號通過離散采樣轉換成數(shù)字信號（即A/D轉換），并將其從I/O接口送入DSP芯片進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集卡是現(xiàn)代數(shù)字信號處理中必不可少的一個關鍵元件。基于不同的應用，可選擇不同的數(shù)據(jù)采集卡。在選擇時，主要考慮轉換位數(shù)、轉換時間、采樣頻率、通道數(shù)和價格等因素。根據(jù)皮帶表面的運動情況和相關分析的要求，本測速系統(tǒng)選擇研華PCI-1710HG數(shù)據(jù)采集卡。

（4）DSP數(shù)據(jù)處理芯片。反映運動皮帶表面特征的信號經(jīng)過調(diào)理和數(shù)據(jù)采集以后，被送入數(shù)據(jù)處理芯片DSP進行互相關運算，所以數(shù)據(jù)處理芯片的性能對測速系統(tǒng)的測量精度和實時性影響很大，同時要考慮成本問題，因此數(shù)據(jù)處理芯片的選擇至關重要，必須權衡利弊綜合考慮。互相關運算包含大量的乘法和加法運算，運算量很大，且測速系統(tǒng)對實時性要求較高（要求運算速度快），但對控制功能要求不高，所以本測速系統(tǒng)選擇控制能力稍弱但運算能力很強且成本也不高的TMS320VC5402型DSP芯片作為數(shù)據(jù)處理芯片。

（5）顯示輸出部分。兩路隨機信號在DSP中經(jīng)過互相關運算后得到渡越時間，進而算出運動皮帶的速度，再把這個速度送到LCD液晶屏顯示出來。本測速系統(tǒng)選用AT320240Q1 型LCD液晶顯示器。

3　測速系統(tǒng)的軟件設計

測速系統(tǒng)的軟件設計包括系統(tǒng)軟件、操作界面和互相關算法的設計。

（1）系統(tǒng)軟件設計。根據(jù)測速系統(tǒng)的原理及功能要求，采用模塊化的設計方法，將整個系統(tǒng)分為6個模塊：主調(diào)度模塊、信號拾取模塊、調(diào)理及采集模塊、互相關運算模塊、峰值搜索模塊和速度顯示模塊。系統(tǒng)通過主調(diào)度模塊控制各子模塊的工作，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的測速功能，系統(tǒng)軟件設計的主流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件設計的主流程圖

（2）操作界面的設計。操作界面是操作者與測速系統(tǒng)進行交流的接口，操作者通過操作界面可以進行相關參數(shù)的設置和修改，而操作界面則把系統(tǒng)運行的實時狀態(tài)和測量結果實時顯示出來，以實現(xiàn)操作者對測速系統(tǒng)的使用與控制。相關測速系統(tǒng)軟件的操作界面如圖5所示，包括圖形顯示區(qū)、測速參數(shù)輸入?yún)^(qū)、測速結果顯示區(qū)、測速控制區(qū)和系統(tǒng)常規(guī)信息區(qū)。

圖6　用快速互相關算法測速的流程圖

（4）互相關算法的仿真。因為上下游兩激光傳感器獲得信號的波形完全相同，只相差一個時間差（即相位差），所以取相位相差90°，其它參數(shù)完全一樣的兩路正弦信號作為一組仿真信號，然后再改變采樣頻率、采樣點數(shù)、信號的頻率和幅值進行四組仿真，仿真的數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)快速互相關算法的流程與步驟，在Labview上進行仿真。主要的編程步驟如下：①創(chuàng)建兩個仿真信號子VI；②創(chuàng)建條件選擇結構子VI；③創(chuàng)建補零公式節(jié)點子VI；④創(chuàng)建兩個FFT子VI；⑤創(chuàng)建復共軛和乘兩個子VI；⑥創(chuàng)建Inverse FFT子VI；⑦創(chuàng)建Peak Detector子VI；⑧創(chuàng)建乘和除兩個子VI。

表1　用快速互相關算法測速的仿真數(shù)據(jù)和結果

最后對所有子VI連線，并輸入正確的參數(shù)（其中L為8mm保持不變），即可進行仿真，仿真的界面如圖7所示。從表1仿真結果可知，此算法能實現(xiàn)兩路信號x（t）和y（t）的互相關運算，而且能適應不同采樣頻率、采樣點、信號頻率和幅值的互相關運算。此算法在采樣頻率較低時誤差較大，但是當采樣頻率較高時，其精度還是較高的。從而驗證了此算法的正確性、可行性和優(yōu)越性。

圖7　用快速互相關算法測速的仿真界面

4　結論

本文提出了基于DSP的激光互相關測速方案，并對其硬件和軟件分別進行設計，通過理論分析和軟件仿真驗證了此方案的正確性、可行性和優(yōu)越性。本測速系統(tǒng)為工業(yè)領域內(nèi)速度的非接觸式在線測量提供了一種有效方法，具有較大的理論研究和應用價值。由于條件和時間有限，本文僅在實驗室以電動機帶動的皮帶為對象進行研究，如果能在具體環(huán)境下對某一具體對象進行測速系統(tǒng)的研制，將具有更大的針對性，勢必產(chǎn)生較大的社會效益和經(jīng)濟效益。

參考文獻

［1］陽湘林.基于DSP的激光互相關測速系統(tǒng)研究［D］.成都：西華大學，2013.

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［3］蔡肯.基于FPGA的固體表面速度激光雙焦點互相關測量系統(tǒng)的研制［D］.廣州：廣東工業(yè)大學，2006.

［4］韓先一.車輛運行速度測量方法的研究［D］.西安：西安理工大學，2004.

The System for Laser Cross-correlation Velocity Measurement Based on DSP

YANG Xiang-lin
（Yiyang Agricultural Machinery Research Institute，Yiyang Hunan 413002，China）

Abstract:In this paper，the scheme of laser cross-correlation velocity measurement based on DSP is proposed，the principle and system composition of the correlation velocity measurement are introduced.The belt driven by motor is chosen as object of velocity measurement，the hardware and software of it are designed，the simulation analysis of it is completed，the correctness，feasibility and superiority of this scheme is verified.This paper provides a kind of effective method for the non-contact on-line measurement of the speed of the object，which has great value to theoretical research and application.

Key words：measurement of velocity by laser；DSP；cross correlation measurement

作者簡介：陽湘林（1981-），男，湖南郴州人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：機械工程測試技術和汽車拖拉機。

收稿日期：2015-12-19

中圖分類號：TP274

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0040-03