基于DSP的實時互相關測速系統設計與實現*

劉曉杰 ，宋占偉 ，張 旻

(1.江蘇技術師范學院，江蘇 常州213001；2.吉林大學，吉林 長春131012)

以往，速度測量系統普遍采用單片機和轉速傳感器相結合的結構，其穩定性和快速響應性較差。針對這一缺點[1]，本系統利用信息相關理論結合電子技術來設計和開發測速裝置，可實現對任何運動物體速度的非接觸式測量，具有測量精度高、裝置電路簡單、成本低以及智能化等特點，因此可在汽車測速、產品檢測線測速和管道流量檢測等許多領域內得到廣泛應用[2]。

1 測速原理

應用信息相關理論來測量物體運動速度的基本原理是：物體運動過程中，物體同一位置上的信息在不同時間依然保持相同的特性。通過在某時間內，利用對固定位置上的兩個信息采集點進行連續采集，所采集到的兩組信號具有相關特性[3]。對兩組信號進行相關運算，即可找出兩組采集信號的時間間隔，從而計算出該物體運動速度[4]。沿車輛運動速度方向，在車輛底部相隔一定距離安裝兩個傳感器Y1和Y2，如圖1所示。通過Y1、Y2獲得車輛運動相對地面表面的特征信號Y1(t)和Y2(t)，如圖2所示。

在上游傳感器Y1和下游傳感器Y2之間距離比較小的情況下(一般小于30 cm)，可以近似認為車輛在D距離區間內勻速行駛。互相關信號Y1(t)和Y2(t)之間僅僅是一個運動車輛同樣的一點，通過上游傳感器Y1和通過下游傳感器Y2的時間延時δ(t)，稱為“渡越時間”。通過互相關算法即可求得渡越時間 δ(t)，從而獲得目標車輛運動速度：

求渡越時間 δ(t)，需作 Y1(t)和 Y2(t)的互相關函數，在式(2)中代入 Y2(t)=Y1(t-δ(t))的關系，則有下式：

由式(4)可知，在時間 τ等于渡越時間 δ(t)時，互相關函數R取得最大值。實際應用時不可能取時間無窮大，故一般用有限時間的積分代替上式，這樣就有

求得的互相關運算結果圖形如圖3所示。

2 嵌入式DSP測速系統硬件設計

由于一般車輛在正常行駛時速度在20 km/h～200 km/h之間， 通過 30 cm 距離的時間為 54 000 μs～5 400 μs，只要數/模轉換時間與MCU互相關運算時間小于1 000 μs，即可完成車輛實時相關測速[5]。

選用32 bit數字信號處理器TMS320F2812作為控制運算核心，它能工作在150 MHz工作頻率，其具有150 MIPS處理能力，128 K×16 bit Flash存儲器，16通道 12 bit的ADC，無需外接ADC轉換器，2個標準的RS232串行通信接口和一個SPI串行接口，自帶有看門狗電路等多種片內外設資源，可充分滿足系統設計需要。系統硬件設計方案如圖4所示。

3 系統軟件開發設計

(1)實時互相關函數運算

在數字化的處理中，若選定采樣周期為T，采樣時間范圍為N，互相關函數的點數為m，則上下游被測信號表示為離散的 Y1(nT)和 Y2(nT)，n為整數[6-8]。其互相關函數表示為：

通過找出使R取得最大值的點m=m0，即得渡越時間為 τ=m0·T。

(2)峰值搜索

在實時測量方式下，全部互相關函數值的運算以及峰值在各階段的搜索，都是與被測信號的采樣值數組Y1(I)，Y2(J)的采樣同時進行的。在兩個被測量信號連續輸入采樣操作之間，必須計算出Nk個互相關函數值增量。可見，Nk個累加和的值作為最后結果保存在Nk個存儲單元中，可以采用掃描法進行峰值搜索。在搜索到峰值之后，延時時間τ也就確定，結合兩傳感器間已經固定的30 cm距離即可計算出該車輛的當前行駛速度。

(3)系統軟件策略

由于DSP處理器TMS320F2812工作頻率高達150 MHz，且通過利用TI提供的開發工具包可使其程序運行代碼具有很高的效率。該系統軟件策略采用基于DSP處理器BIOS的實時多任務編程方法設計了6個實時工作任務模塊，通過主調度模塊來自動控制任務模塊的工作，系統軟件策略設計主流程如圖5所示。

4 實驗測量結果

在實驗測試中，以電機轉盤線速度為標準速度值，利用該系統來實測電機轉盤線速度的顯示數據值和標準速度值對比，記錄測試實驗結果，如表1所示。

表1 測試實驗數據

對實驗結果的分析表明，該系統測量的最大相對誤差為0.9%，小于1%。通過長時間對該系統的測試顯示，其工作穩定性強，可靠性高。

本文探討了利用信息相關理論，結合嵌入式DSP系統來設計和開發了車輛實時互相關測速系統。利用測速裝置實測電機轉盤線速度的實驗結果表明，本文提出的測速系統測速可達190 km/h，所提出的方案和具體實現方法是可行的，它能實現對任何運動物體線速度的非接觸式測量速度，其系統具有裝置電路簡單、成本低廉和智能化等優點。

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