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    一種用于車輛測速的數據采集系統
    
				
    
					文章出處：http://www.xujuanpiju.com
					作者：王水波，宋煥生，王國強，郭 亞，鄭 輝  
					人氣：
    
    
					發表時間：2011年12月07日
                                        
				
    
				
    
                               
    [文章內容簡介]：車輛超速等交通違規行為的抓拍要求對車速進行精確檢測，傳統線圈檢測器存在測速精度不高等缺點。該文設計一種用于車輛測速的交通數據采集系統，以CPLD為控制核心，通過設計相關的數據采集電路，實現對車輛交通數據的采集。通過CH365接口芯片，將數據實時地傳到計算機中進行分析處理，并輸出不同信號，滿足不同檢測需求。實驗表明，該系統設計合理，能較好地用于車輛測速等交通檢測系統中。

    
                              
      
     
        1 概述 
    

    
    車速是交通信息中一個重要參數，車速檢測對城市交通控制與管理有著重要的作用和意義[1]。通常，這些信息的獲取是靠各種檢測設備來完成的，現有的交通檢測設備主要有環形線圈檢測器、視頻檢測器和微波檢測器，其中，環形線圈檢測器[1-2]由于其性能穩定可靠、靈敏度高、檢測數據精確和成本低等優點而被廣泛使用。 
    

    
    環形線圈檢測器是一種基于電磁感應現象的車輛檢測設備，利用車輛經過檢測區域時，引起線圈電感發生變化的原理來工作。車輛檢測器檢測出這個電感變化量，就能檢測出車輛的通過或存在情況。檢測這個電感的變化量有2種方式：(1)利用相位鎖存器和相位比較器的技術來檢測相位變化[1-4]；(2)利用耦合振蕩電路對振蕩頻率進行檢測[5-6]。 
    

    
    傳統的線圈檢測器主要用于檢測車輛的存在或通過情況，在速度的檢測上，存在很大缺陷：(1)由于環形線圈的工作頻率與靈敏度、線圈匝數和線圈埋設深度有關，經過處理后的二值化結果會有較大波動，很難精確檢測車速；(2)傳統的線圈檢測器是以獨立的單個線圈來工作的，當有車輛經過不同線圈邊緣時，會發生“誤觸發”，也會導致速度檢測的不準確性。
    
 
    
    本文針對現有線圈檢測器的設計方式和檢測功能進行研究，并在第2種檢測方式的基礎上，設計一種可用于車輛測速的交通數據采集系統。該系統采用可編程邏輯器件，在短時間內，同時完成多通道數據采集功能的設計，也能根據需要，隨時更改設計，使系統占有資源少，開發周期短，設計方便。該系統采集的數據可通過CH365接口芯片和PCI總線實時地傳輸到計算機中，可以為各種檢測提供需要的數據信息，尤其適合同時實現多通道數據的采集，提高了數據的采集效率和精度。 
    

    
    2 系統總體設計 
    

    
    利用可編程器件，簡化系統的硬件設計，使系統具有小型化和簡易化的特點。本系統采用Altera公司MAX7000系列芯片(EPM7128STC-100-10)。其片上資源很豐富，可以滿足現階段的設計需要，系統總體設計框圖如圖1所示。
    

    

        為了調節振蕩頻率，在多個通道同時工作時，避免線圈間的頻率干擾，在耦合振蕩電路中，加入電子開關選擇電路，這樣，在實現多通道數據采集時，可以保證檢測精度。另外，它還具有靈敏度的調節功能。 
    

    
    振蕩電路引起的頻率變化是個模擬信號，檢測頻率的變化是通過設計合適的計數電路來完成的，信號整形電路是用來完成從模擬信號到數字信號的轉換。有源晶振電路輸出一個高頻(30 MHz)時鐘脈沖信號，作為計數電路的基準信號。電源模塊電路提供+12 V和+5 V輸出電壓，為耦合振蕩電路和CPLD的正常工作提供所需電壓。JTAG接口電路為編程下載和隨時更改設計，提供一個快速途徑。 
    

    
    為使系統正常工作，該系統還配有復位電路、LED輸出顯示電路等外圍電路。整個數據采集電路的設計都集中在CPLD芯片中完成。 
    

    
    2.1 耦合振蕩電路 
    

    
    機動車經過埋有線圈的路面時，會產生耦合振蕩電路頻率的變化，該變化是由地埋線圈構成的耦合振蕩電路引起的。系統中的耦合振蕩電路如圖2所示。
    

    

        可以看出，這是一個電容反饋3點式振蕩電路[6]。電源+12 V通過高頻扼流圈LC加到三極管BJT上，扼流圈LC的功能是避免電源對振蕩回路的高頻信號造成短路。 
    

    
    2.2 CPLD的硬件設計CPLD完成對數據的采集和提供與CH365進行數據傳輸的接口信號，將待測信號在CPLD中進行分頻處理，對已知的高頻信號進行計數。CPLD的硬件設計采用原理圖和AHDL硬件描述語言相結合的方式，頂層設計采用原理圖輸入方式，圖3給出了該部分頂層設計電路圖。
    

    

        在圖3中，LOOP1和LOOP2是2路經過信號整形電路后的數字信號；CLK30M是有源晶振電路輸出的高頻基準信號，輸出頻率為30 MHz；模塊LOOP_CNT完成分頻和計數，其原理設計是采用AHDL來實現的，其語言描述程序為 
    
    SUBDESIGN LOOP_CNT 
    
    (SIG: INPUT; FROM LOOP DETECTOR 
    
    CLK: INPUT; 30M CLOCK 
    
    /CLR: INPUT; CLEAR INT_REQ AND END_REG[] 
    
    RESULT[15..0]: OUTPUT; COUNT RESULT) 
    
    VARIABLE 
    
    … 
    
    BEGIN 
    
    … 
    
    END; 
    
    模塊BUSMUX通過地址總線，對線圈通道采集到的數據進行選擇，通過不同的地址來讀取不同線圈通道中的數據，
    

    
    實現數據的實時傳輸。模塊CPU_INTERFACE將采集到的數據通過PCI接口芯片CH365和PCI總線傳入計算機中。編寫相應的軟件程序，能實時讀取線圈通道中的數據，對采集到的數據進行分析和處理，從而檢測出車輛的存在或通過情況。 
    

    
    3 硬件設計仿真 
    

    
    借助AHDL硬件描述語言和MAX PLUS II開發工具，可以得到如圖4所示的仿真結果。
    

    

        當讀選通信號(RD)有效(低電平)時，可以通過不同的地址讀出檢測到的計數值，每個線圈通道所檢測到的計數結果都是2 Byte。圖中，A和D分別是16 bit的地址總線和8 bit的數據總線；H000和H0001對應一個線圈通道；H0002和H0003對應另一個線圈通道。當計算機讀完數據后，可以在寫選通信號(WR)有效(低電平)時，在某一地址上寫入數據，并清除存儲器中已讀數據，為下一次計算機進行讀數據操作做準備。 
    

    
    4 數據采集系統的軟件實現 
    

    
    軟件功能的實現是在Visual C++6.0集成開發環境上，采用C語言進行編程的，可運行在Windows XP操作系統上。 
    
數據采集的軟件是通過對PCI接口芯片CH365編寫相應的程序來實現的，CH365有豐富的地址、數據總線以及讀寫選通信號，為實現數據與計算機通信提供一個可靠接口。其軟件實現過程如下： 
    
    (1)裝載CH365設備和獲取相關的參數信息，如果CH365動態鏈接庫裝載成功，就能打開設備，獲取IO基地址，讀取數據。如果打開CH365設備失敗，返回重新裝載。 
    
    if(LoadLibrary("CH365DLL.DLL")==NULL) return; 
    
    //裝載CH365動態鏈接庫 
    
    if(CH365mOpenDevice(Device_Number,TRUE,TRUE)== INVALID_HANDLE_VALUE ) return; 
    
    if(CH365mGetIoBaseAddr(Device_Number,&mIoBase)== FALSE) printf("ERROR"); 
    
    if(CH365mSetA15_A8(Device_Number,data)==FALSE) printf("ERROR"); 
    

    
    (2)讀取相應端口中的數據。CH365設備打開成功后，設置不同的端口地址，在CH365讀選通信號(RD)有效(低電平)時，讀取對應端口中的數據，下面是2通道端口數據的讀取。 
    
    CH365mReadIoWord(Device_Number,&mIoBase->mCh365IoPort [0x00], &mWord); 
    
    CH365mReadIoWord(Device_Number,&mIoBase->mCh365IoPort [0x02], &mWord2); 
    

    
    (3)將端口地址中的數據清除，為下次讀取數據做準備。一次數據讀取完后，在CH365寫選通信號(WR)有效(低電平)時，在相應端口地址中寫入數據，以清除計算機已讀完的數據，為計算機下  一次讀數據做準備，下面是實現該過程的程序語句： 
    
    if(CH365mSetA15_A8(Device_Number,data)==FALSE) printf("ERROR")； 
    
    if(CH365mWriteIoByte(Device_Number,&mIoBase->mCh365Io Port[0x00], 0x00)==FALSE) printf("ERROR"); 
    
    //在端口0x00中寫入數據
    
    if(CH365mWriteIoByte(Device_Number,&mIoBase->mCh365Io Port[0x02], 0x00)==FALSE) printf("ERROR"); 
    
    //在端口0x02中寫入數據 
    

    
    5 實驗結果分析 
    

    
    利用該系統和數據采集軟件，在某路面上進行實車采集，其結果如圖5、圖6所示。
    

    

        圖5顯示了沒有車輛經過時的采集情況。當無車經過時，其振蕩頻率穩定，采集的數據顯示為直線，出現個別數值較大的數據，屬于正常情況。圖中還顯示了當前采集數據對應的實際數值，根據測得的頻率，該數值與實際計算結果一致。圖6是其中某一通道有車輛經過時的情況。可以看出，該通道在有車輛通過時，其數據會出現一個小波動。這是因為有車經過時，其振蕩頻率要增大，計數值必然會減小，這也與實際情形吻合。
    
 
    
    6 結束語 
    

    
    針對現有線圈檢測器不能很好地應用于車速檢測，設計一種用于車速檢測的數據采集系統。該系統選用CPLD作為核心器件，精簡了系統的結構設計。系統的功能設計不僅利用模擬仿真，證實其正確性，而且在實驗中，驗證了系統的可靠性，該系統可應用于車輛測速等交通檢測中。
    
    
   
									
    
			
    

                       
    本文關鍵詞：車輛測速,數據采集,采集系統,芯片
                           
                        
    
					
			



			
			
			
		
                   
	
    

    

   




    
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