基于鎖相環(huán)技術(shù)的高靈敏車(chē)輛探測(cè)
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在十字路口處，為了避免交通阻塞，保證交通安全，規(guī)定交通車(chē)輛必須按道行駛而不得越道。因此，必須采用相應(yīng)的感測(cè)裝置，監(jiān)控車(chē)輛的違規(guī)越道行為。目前，對(duì)闖紅燈行為的記錄處理大多是依靠在等待線下安裝相應(yīng)的感測(cè)裝置，當(dāng)有車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，即刻發(fā)出特定信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)該信號(hào)進(jìn)行判斷處理，再通過(guò)路口攝像頭對(duì)違章車(chē)輛進(jìn)行拍照記錄。也可采用類(lèi)似方法探測(cè)車(chē)輛越道行為，即利用埋入地下的感測(cè)裝置。但由于感測(cè)裝置的大小和形狀受分道行駛標(biāo)記線寬度的限制，為了有效探測(cè)車(chē)輛越道行駛行為，對(duì)測(cè)量靈敏度提出更高要求?，F(xiàn)行方案一般采用單片機(jī)測(cè)量頻率，其靈敏度低，抗干擾能力差，這是因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/單片機(jī)">單片機(jī)測(cè)量頻率在一定時(shí)間t內(nèi)統(tǒng)計(jì)脈沖信號(hào)數(shù)，根據(jù)脈沖數(shù)的變化反映頻率變化。假設(shè)傳感振蕩電路的頻率為100 kHz(該值已接近實(shí)際應(yīng)用極限，若再增大振蕩頻率，將會(huì)向外發(fā)射能量，對(duì)周?chē)a(chǎn)生電磁干擾)，如果統(tǒng)計(jì)時(shí)間t=l ms，則可記錄100個(gè)脈沖，此時(shí)靈敏度的最大理論值能達(dá)到1％，但實(shí)際上除去不穩(wěn)定因素的影響，靈敏度不可能太高；如果統(tǒng)計(jì)時(shí)間延長(zhǎng)到10 ms，則靈敏度的最大理論值能達(dá)到0．1％，這樣不僅影響反映速度，而且實(shí)際值也照樣打折扣，所以靈敏度仍不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。
雖然使用單片機(jī)探測(cè)車(chē)輛也曾有過(guò)一些改進(jìn)方案，但都很難從根本上提高探測(cè)靈敏度。為此，提出一種利用鎖相環(huán)技術(shù)提高感測(cè)裝置靈敏度及抗干擾能力的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。
2 鎖相環(huán)原理
“鎖相”就是相位同步的自動(dòng)控制。能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)。鎖相環(huán)廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。
鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop，簡(jiǎn)稱(chēng)PLL)主要是由鑒相器(Phase Detector，簡(jiǎn)稱(chēng)PD)、壓控振蕩器(Voltage ControlledOsillator簡(jiǎn)稱(chēng)VCO)、環(huán)路濾波器(Loop Filter，簡(jiǎn)稱(chēng)LF)3部分組成。PD為相位比較裝置，用于比較輸入信號(hào)Ui(t)與VCO的輸出信號(hào)Uo(t)的相位，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩個(gè)相位差信號(hào)的誤差電壓Ue(t)。LF用于濾除Ue(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受控制電壓Ud(t)的控制，用于將LF的頻率向輸入信號(hào)的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定。
PLL的工作原理是：比較Ui(t)與Uo(t)之間的相位差，產(chǎn)生Ue(t)調(diào)整VCO的頻率，以達(dá)到與Ui(t)同頻。在環(huán)路開(kāi)始工作時(shí)，如果輸入信號(hào)頻率fi與壓控振蕩器頻率fVCO不同，則因fi與fVCO之間存在固有頻率差，而使相位差一直變化，導(dǎo)致PD輸出的誤差電壓UPD在一定范圍內(nèi)變化。在該誤差電壓的控制下，fVCO也發(fā)生變化。若fVCO能夠與fi相等，則在滿足穩(wěn)定性條件下應(yīng)穩(wěn)定在該頻率，穩(wěn)定后，fUi(t)-fUo(t)=0，相位差不隨時(shí)間變化，且Ue(t)為固定值，這時(shí)環(huán)路就進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
利用現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)計(jì)傳感電路，用于初步探測(cè)車(chē)輛。而檢測(cè)電路把傳感電路的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯语@示或測(cè)量的電信號(hào)，以便系統(tǒng)進(jìn)一步處理。這部分設(shè)計(jì)采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
3．1 傳感電路
圖1給出正弦波振蕩電路。它為電容三點(diǎn)式電路，也即考畢茲振蕩電路。傳感電路用于感應(yīng)出金屬物體的存在。設(shè)計(jì)中采用已實(shí)際應(yīng)用的渦流傳感方法，將埋入地下的探測(cè)線圈直接接入正弦振蕩電路，即振蕩電路輸出的頻率帶有傳感信號(hào)。
圖1電路中：Rbl=Rb2=62 kΩ；Rc=1 kΩ；Re=2．2 kΩ；Ce=Cb=10μF；C1=C2=0．1μF；L為電感線圈，此時(shí)晶體管VT1為共射放大組態(tài)，工作在放大狀態(tài)。
系統(tǒng)正常狀態(tài)下即無(wú)車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，傳感振蕩電路的輸出信號(hào)us(t)為頻率保持不變(f=f0)的正弦波。當(dāng)有車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，us(t)的頻率變大，即f=f'，其頻率差為△f=f'-f0，范圍大概在幾百赫茲到幾千赫茲。該電路的振蕩頻率f為：
由式(1)可見(jiàn)，f與電路中電感L、電容C1，C2有關(guān)(C1，C2為固定值)，所以f為L(zhǎng)的單值函數(shù)，當(dāng)L發(fā)生變化時(shí)，該振蕩電路的振蕩頻率也發(fā)生反方向變化。把地線圈作為L(zhǎng)，直接連接到電路中，通過(guò)檢測(cè)電路振蕩頻率的變化來(lái)反映L的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的探測(cè)。
設(shè)正常狀態(tài)下即無(wú)車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的輸出信號(hào)頻率為f0，有車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的振蕩頻率為f’，則易獲知：f’>f0。由于f’不易通過(guò)固定公式直接計(jì)算，而只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)法大概估算，而且實(shí)際應(yīng)用中無(wú)需知道f’的具體數(shù)值，只需估計(jì)△f=f’-f0的范圍即可。
評(píng)論