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行车安全监控系统-测速子系统设计

发布时间:2020-01-20 15:20

  关键词:脉冲式激光测距;TDC-GPX;时间间隔测量;测控系统

  1.绪论

  随着人们生活水平的提高,汽车作为一种十分便利常见的交通工具进入千家万户,家庭汽车的保有量逐年上升,但随之而来的是道路交通安全问题的日益严重,引起了全社会的普遍关注。近年来汽车工业快速发展,政府对于公路交通的投入加大,道路交通事故近年来有所下降,但交通环境恶化的趋势没有改变。

  自从汽车诞生之后,由于其快捷方便的优越性,人们越来越多倾向于选择汽车作为出行工具。随着国家经济发展,我国的公路交通被投入巨大精力,这更进一步地促进了汽车行业的发展。国家经济的快速发展对交通也提出了更高的需求,交通部出台了法律法规文件,规划我国的高速公路覆盖面积需要达到8.2万公里,但是随着公路覆盖面积的逐渐增加,公路交通事故的数量也在不断上升,这就使得公路交通事故成为十分严重的安全隐患。2013年的道路安全全球现状报告指出,道路交通伤害是全球第八大死因,而这个趋势还在上升,每年,全世界约有124万人死于道路交通事故。根据《2014年国民经济和社会发展统计公报》的统计数据,我国2014年底全国民用汽车保有量达到历史新高,为15447万辆,比2013年末增长了12.4%。其中,民用轿车数量增长了16.6%,达8307万辆;私人轿车增长了18.4%,达7590万辆。发生交通事故导致的死亡人数为34292.34人,比2013年的死亡人数31604.3人增加了2688.04人,增长率为8.5%;相比2012年的死亡30222.5人,增加了4069.84人,增长率为13.46%。

  由此看来,国内交通事故死亡率与我国机动车数量的增加成正比关系。但是相对于发达国家而言,我国公路密度较低,汽车的人均占有率并不在世界前列,而交通事故发生率却一直是全球国家中最高的,我国人口约占世界总人口的20%,只占有全球10%的机动车辆,但是民用车事故死亡率却是发达国家的十几倍甚至几十倍

  通过对交通系统中“人一车一路”三要素的研究和分析,人的因素是三要素中最不稳定的因素,也是造成交通事故的主要因素之一,数据表明,由于人产生的交通事故约占交通事故总量的95.3%,其中机动车几十元的过失造成的交通事故占87.5%,交通运输学院教授、《中国巴士与客车》年鉴主编、中国公路学会客车分会专家委员会成员王健指出,人的因素在交通事故中占很大比例,13%至17%左右是由于驾驶人疲劳造成的。而依据欧洲的相关调查证实,要在发生碰撞前的0.5秒内获得适当的提示信息,就可以避免至少60%的追尾事故,30%的迎面撞车事故;若有is的“预警”时间,则可避免90%的事故发生,现在世界各国都在研发行车安全系统上投入

  随着激光仪的研制以及其相关器件及技术的飞速发展,激光技术在雷达、武器、制导、测距等各个领域均具有广泛应用,其中,激光测距作为一种新型非接触性测距技术,自诞生之初便以其不可忽视的发展潜能成功引起了科研人员的注意。有赖于激光的优良特性,采用激光测距相较于其它测距方法具有测距分辨率高、测程远、速度快等诸多优点

  激光测距设备的研制主要包括两部分,一部分是激光技术的研究,另一部分是对于其控制系统的研究。激光技术提高的同时,其控制系统的发展也应跟上脚步,才能使得激光测距设备往灵活化、自动化的方向发展,也能使得激光钡」距在各个行业各类不同环境中的应用更加广泛。本课题来源于实验室项目,旨在设计并实现一套基于脉冲法的高精度激光测控系统,该系统配合激光雷达外设工作,应具有宽量程、高精度、可定制化等优点。

  2.系统方案设计

  2.1系统需求分析

  与该系统连接的外部设备包括光电探测器、激光发射机和接收机,电机和光栅编码器、GPS双模天线以及电脑等。

  其中,电机、光栅编码器以及发射镜决定了激光发射的角度。激光由发射机发出,经由反射镜发生偏转,接触到障碍物后返回被接收器接收,光电探测器将接收到的光信号转换为电信号传回给测控系统,系统通过计算激光发射与返回的时间间隔,并通过一定换算得到距离信息。当测程较长(大于1500m)时,为防止接收器收到大量光噪声,其接收机的开启时间需通过每次的测量结果进行调整。每一次激光的发射时间和发射角度将连同该次测试结果被系统记录,个人电脑通过交互软件对系统进行控制以及数据交互。

  根据系统的工作流程分析可知,该系统的功能需求如下:

  能够对激光脉冲发射与返回的时间间隔进行高精度多通道测量,获取高精度时间信息,并转换为距离信息;

  能够控制激光发射器与接收机的开启,按照系统要求频率周期性发射激光,并根据测量结果控制接收器开启时间,使得激光回波信号能够在尽可能小的噪声条件下被准确接收;

  结合电机控制和光栅编码器信息读取完成反射镜偏转控制及激光发射角记录。并通过GPS授时获取时间标签,对测量数据进行时间标定,并能够将测试数据进行存储。

  表2-1 高精度测控系统的性能指标

  根据脉冲式激光测距法,将距离指标进行换算,可得到系统对脉冲时间间隔测量的性能指标要求如表2-2所示,根据整体需求分析可知,本课题所设计的高精度测控系统需要具有如下特点:

  (1)低抖动:系统测量结果及发射器接收器的控制脉冲与信号边沿抖动高度相关,要求极低的信号抖动;

  (2)强时序:系统各路时序输出与测量结果之间存在复杂的控制逻辑,存在强时序性;

  (3)多通道:系统能够同时完成多通道测量,可提高测量效率;

  (4)高精度:系统设计多路高精度测量及高精度时序输出;

  (5)高灵活性:系统的控制逻辑和控制参数能够依据现场测试需求进行设置和调整,可满足定制化需求。

  表2-2 测距功能具体性能指标

  2.2系统设计方案

  (1)时间间隔测量模块负责对激光发射和返回的脉冲时间间隔进行高精度测量,其在10μs测时范围内应能同时进行8通道测量,10μs-100μs测时范围内应能进行双通道测量,测时抖动应小于500ps;

  (2)时序发生模块负责对激光发射机和接收机进行控制,使系统能够控制测量周期,并根据时间间隔测量结果控制接收器开启时间,使返回激光能 噪声尽量小的情况下被准确接收。

  (3)GPS授时模块负责获取GPS数据,为系统的每一次测量添加时间标签,授时精度需控制在1μs以内;

  (4)电机码盘控制模块负责控制反射镜按设定参数旋转,实时获取码盘数据,并记录每次激光发射时的反射镜偏转角;

  (5)存储模块负责系统测试数据存储,存储内容应包括测量时间、时间间隔测量数据、反射镜偏转角(码盘数据)、以及接收器开启延时等;

  (6)信号调理模块负责对系统输入输出信号进行调理,使输入信号满足系统接收标准,输出信号满足外设要求;

  2.2.1时间间隔测量模块

  高精度测时功能将采用德国ACAM公司生产的TDC-GPX作为核心测时芯片,该芯片能完成高精度时数转换,并且测量分辨率最高为lops,并且有多种工作模式,分别为I-模式、G-模式、M-模式、R-模式,其中I一模式可满足10μs内8通道测时,测量分辨率为81ps,测量抖动可达到100ps, G-模式可用于10μs-100μs内双通道测时,测量分辨率为40ps, 100μs内测时抖动可达到440ps

  通过为该芯片配置外围电路并与系统连接,可对该芯片的工作模式进行配置,考虑到该芯片的数据传输速率最高可达40MHz,并且系统工作时需要弹性切换工作模式,因此对于该芯片的控制方案选择基于ZYNQ的特殊架构进行软硬件共同设计,其中,FPGA负责总线读写以及数据传输,ARM处理器进行工作模式配置。

  2.2.2时序发生模块

  时序发生将采用FPGA内部1 OOM时钟作为基准时钟,根据时序逻辑对时钟分频得到。其对激光发射器的控制较为简单,产生周期可调的输出脉冲即可。对于接收器的控制,将采用TDC-GPX的测时结果叠加用户输入的偏移量作为接收器触发延时时间,即利用上一次激光脉冲走过的时间预测下一次脉冲的返回时间,并允许用户在此基础上进行微调,通过此种方式,可最大程度预测返回脉冲的到达时间,有效减少接收器开启时间过长导致的光噪声。

  时序发生同样采用软硬件合作方式,用户对延时偏移量的设定值将由ARM处理器获取,并于系统初始化过程中完成,系统测量过程中的时序脉冲输出将由FPGA完成,以保时序脉冲的响应速度与实时性。

  2.2.3 GPS授时模块

  GPS授时用于为测量数据添加时间标签,设计方案采用BD-126北斗模块作为基础授时模块,考虑到系统最高SkHz的授时频率,以及对微秒级授时精度的要求,系统将实现一个内部计时器,以满足授时精度以及授时频率的要求。

  实际工作中,系统将通过BD-126北斗模块获取当前时间,内部计时器以此时间作为基准时间并开始内部计时,此后北斗模块可通过PPS对该计时器进行授时校正,以保证授时的精确性。

  该模块的整体实现也将以软硬件合作的方式完成,其中,北斗模块时间包的获取由ARM处理器完成,对于实时性要求较高的计时器将由FPGA完成。

  2.2.4电机码盘控制模块

  测量过程中,伺服电机将带动激光反射镜以α角度正反转交替旋转。其旋转参数包括:旋转角度α、正向旋转时间、以及反向旋转时间。

  系统采用松下公司的MBDHDHT2510E作为电机驱动,并采用脉冲列与方向信息作为该驱动的位置控制信号,当方向信号为高电平时,电机正向旋转,为低电平时,电机反向旋转。其脉冲列个数控制电机旋转角度,脉冲列输出频率决定电机旋转速度。

  此外,考虑到电机正反转切换间需要减速,并且,当电机高速旋转时,采用脉冲列控制电机可能会引起电机震动,本设计方案将利用电机驱动中的FIR滤波器功能对位置指令进行平滑处理,因此,实际脉冲列输出时,系统将在正反方向脉冲列切换间保留0.75ms的等待时间,以保证电机驱动完成滤波器处理。

  光栅编码器将采用雷尼绍公司的TI1000A50A增量式光栅编码器,该光栅编码器旋转一圈可输出8 192 000个脉冲,精度为0.000 044°,可提供足够精度的转角信息。实际应用中,该光栅编码器的原点与激光反射镜原点对应,系统通过统计光栅编码器传回的脉冲数可得到反射镜实际偏转角。

  电机旋转控制及光栅编码器脉冲统计部分由FPGA完成,控制参数由ARM端软件进行配置。

  2.2.5数据存储模块

  数据存储设计方案采用SD卡作为存储介质,并采用Fat文件系统作为存储体系,存储的内容将包括时间标签、测时信息、反射镜角度以及接收器开启延时时间等。

  考虑到系统较高的测试频率所带来的大量测试数据,数据存储方案仍然采用软硬件合作处理。测试数据将首先被缓存于FPGA端的FIFO,上层ARM处理器将每隔一段时间取出缓存数据并存储。同时,为方便用户查找测量文件,系统将于每次开机时新建一个以当前时间命名的文件夹作为文件存储路径。

  同样,由于测试过程中将产生大量的测试数据,为保证ARM端工作的效率,测试数据将以二进制文件的形式被存储。实际运用中,用户可于测试完毕后,将SD卡取出并运行数据转换软件获得可读文件,相应的数据转换软件将在用户交互设计方案中说明。

  2.2.6信号调理模块

  根据系统对输入输出波形的要求,信号调理方案将采用如图2-4所示结构进行信号调理,放大电路负责对输入波形进行放大,整形电路负责抑制杂波并调整脉冲边沿抖动,缓冲电路负责加强输出驱动能力。

  流反馈型放大器,其较高的压摆率,满足系统对窄脉冲信号放大的需求,并且其在较宽带宽范围均能保持低失真,与信号调理模块需求相吻合。比较器将采用ADI公司的ADCMP600高速比较器,其额定轨到轨电压为2.5V至S.SV,符合系统电平需求。缓冲器采用德州仪器(TI)公司生产的BUF602高速闭环缓冲器,提供驱动能力。

  2.2.7用户交互模块

  根据系统需求,用户交互设计将采用上位机控制软件与系统连接控制的方案。具体配置参数将包括电机转角、电机正反转时间、接收机开启延时偏移、接收器开启时长等。

  同时,由前述存储模块设计方案可知,用户交互部分还应设计windows端可用的数据转换软件,负责将原始的测试文件转换为用户可读文件。为完善用户体验,用户将存放测量文件的文件夹名输入后,数据转换软件应能自动将文件夹中的所有数据文件进行转换。

  2.2.8核心控制模块

  核心控制模块作为系统运行流程的整体控制模块,将运行于ARM处理器上,负责接收上位机指令,并通过协调各子模块的工作统筹全局。

  2.3硬件平台的选型与概述

  本课题由于高速数据传输需求及纳秒级高精度时序脉冲输出需求等,需采用FPGA实现,同时,各功能模块的模式切换及用户参数配置等弹性需求需要通过ARM处理器来实现,因此,所选取的硬件工作平台应能同时满足FPGA需求核ARM处理器需求。

  根据系统指标分析和各个模块的设计需求分析,本课题选取Digilent公司生产的Zedboard开发板作为系统开发板,该开发板基于Xilinx Zynq-7000扩展式处理平台,其采用Artix-7系列可编程逻辑单元并配合Xilinx All Programmable System-on-Chip (AP SOC)架构,其不仅采用28nm的工艺,能够完成具有扩展性的FPGA可编程逻辑,又具备以ARM Cortex-A9为核心的双核处理器,使得可编程逻辑部分与ARM处理单元紧密结合,充分发挥了FPGA硬件编程的灵活性和强时序性的同时又提供了微处理器级的软件可编程易用性。同时,zedboard的外设控制器还包含1G以太网口、SDIO , DART和SPI等,满足本课题的设计平台需求。

  3.激光雷达测距模块设计

  系统核心测距过程由三个模块共同完成,包括输入输出时序发生模块、时间间隔测量模块、以及信号调理模块。其中,时序发生模块通过预测激光返回时间调整激光接收器开启延时和开启时间;测时模块用于完成激光发射与返回的脉冲时间间隔测量;信号调理模块用于调理激光回波脉冲以及激光接收机控制脉冲。本章将分别介绍各模块的软硬件实现过程。

  3.1时序发生模块

  根据设计方案,时序发生模块的系统框图所示:

  Tstart用于控制激光发射器发出脉冲,同时该信号还将启动TDC测时模块开启时间测量;4路延时脉冲(Ch1一Ch4 )用于控制激光接收器,其输出将根据TDC的测时数据(Tdatal [31:0])以及用户输入的偏移值进行改变。ARM端负责参数传递,时序发生的功能主体于FPGA端硬件单元中实现。

  设计时序模块FPGA端的硬件结构如图3-2所示,己知时序模块的输出延时时间由TDC测时数据决定,两者之间存在数据转换,同时FPGA端又存在与软件的数据交互,因此该硬件结构由三部分组成:负责与软件通信的AXI单元、数据转换单元、以及延时脉冲输出单元。

  AXI单元通过调用VIVADO当中的模块即可完成,以下将具体介绍数据转换单元与延时脉冲输出单元的实现。

  3.1.1数据转换单元

  TDC产生的测时数据与时序模块内部延时计数值均为数字量,两者分辨率不同,因此需要数据转换。

  3.1.2延时脉冲输出单元

  不论是Tstart触发脉冲还是CH1- CH4延时输出,其主体在于利用FPGA内部100M时钟进行分频实现。

  Tstart以cycle为周期触发,cycle由用户设置,最高频率为5kHz,脉宽采用30ns, cycle由用户输入,根据100M内部时钟分频可轻易得到。D_ init为通道1的初始化延时值,由用户设置,此后将根据每一次TDC的测时结果而改变,延时输出精度为l0ns。此外,图中的offset与witdh均由用户输入。

  3.2时间间隔测量模块

  时间间隔测量模块的具体架构如图3-5所示,TDC-GPX对高精度测时,FPGA负责与TDC-GPX进行数据交互以及总线读写,ARM端负责测量模式配置并通过FPGA完成模式切换。

  TDC-GPX为独立芯片,与系统开发板Zedboard进行连接时需设计实现一个基于该芯片的独立硬件模块。因此,时间间隔测量模块的设计共包括三部分:测时硬件设计、FPGA控制部分设计以及ARM端软件设计。

  3.2.1电路设计

  基于TDC-GPx的硬件设计主要是针对该芯片进行相应的外部电路配置,其配置电路主要结构如图3-6所示,共包括输入输出接口电路、电源电路、参考时钟以及锁相环电路等。

  3.2.2硬件设计

  FPGA部分主要对测时硬件模块进行功能控制及数据交互,同时该部分还可响应来自ARM端的读写芯片寄存器请求,完成测量模式切换。根据需求设计硬件整体架构如图3-7所示,其整体可分为AXI单元、读写单元、数据解码单元以及测时时序控制单元。其中,AXI单元用于与ARM端通信,寄存器读写单元用于与TDC模块通信,解码单元用于解析从TDC获取的测时数据,测时时序控制单元用于控制测时过程的信道开关和复位等。

  3.2.3软件设计

  本模块的ARM端软件部分负责TDC-GPX的初始化寄存器配置。

  系统启动后,将首先对工作模式进行选择,之后便将相应模式的配置参数传递至FPGA端进行处理。其中,G模式的分辨率由前述可知,为38.986 35ps,I模式的分辨率为G模式的两倍,为77.972 6ps。其余配置参数可由TDC官方手册获得。

  3.3信号调理模块

  根据前述设计方案己知该模块的结构框,该模块应包括放大电路、信号整形电路以及缓冲电路,放大电路将信号放大后交由整形电路对信号整形以控制其边沿抖动,最后由缓冲器加强其驱动能力。

  3.3.1放大电路

  选取亚德诺半导体(ADI)公司的aDSOO9高速运放作为其放大芯片,则放大部分电路原理图如图3-10所示:

  当作为输入信号调理时,放大倍数被设置为10,将输入的100mV}200mV模拟输入放大至1V-2V;当作为输出信号调理时,放大倍数为2,将时序发生模块输出的信号放大至4.2V。

  3.3.2整形电路

  信号整形部分采用ADI公司的aDCNrn6oo高速比较器,其额定轨到轨电压为2.5V至5.5V,可满足输入信号调理与输出信号调理要求的电压标准。设计相应电路如图3-11所示:

  DCMP600的输出受供电电压VCC影响,其输出高电平为VCC一0.3V,用于TDC前端放大时,将VCC设置为2.5V,则输出高电平为2.2V,满足LVTTL要求;用于输出信号调理时,VCC为SV,输出最高电平为4.7V,满足激光接收器电平要求。R22为可调电阻,用于比较器阂值调整,将该阂值调整至信号上升沿稳定部分,可使输出抖动得到控制。

  3.3.3缓冲电路

  缓冲电路选用德州仪器(TI)生产的BUF602高速闭环缓冲器加强输出驱动能力,其原理图如图3-12所示:

  由于信号调理模块与外界连接要求50欧姆阻抗匹配,因此PCB布线时线宽按50欧姆阻抗设置。

  3.4用户交互模块

  由系统需求分析可知,用户在使用本系统时需要对其初始化参数进行配置,并且,由系统存储体系可知,测试数据以二进制形式存储于SD卡中,用户对此数据的获取需配置相应的应用程序进行转换。因此,用户交互模块设计共包含两项内容,一项是上位机控制软件设计,另一项是数据转换软件设计。

  3.4.1控制软件设计

  上位机控制软件的内容包括参数的初始化配置以及测试开启与关闭控制。其与系统的通信方式采用TCP/IP协议,根据需求设计流程图如图3-13所示:

  上位机在启动后首先尝试与系统连接,连接成功后提示用户选择系统外设,并输入电机配置参数及时序输出参数等,配置完成后将初始化配置信息发送至系统,等待系统初始化完成。由于系统在运行过程中不需要对配置参数进行改动,因此,当用户按下开始测试按钮后,其只需将测时使能位置1,系统接收到此信号后开始测试,此后上位机便等待测试结束按钮被按下。

  3.4.2数据转换软件设计

  转换软件的功能是将系统的二进制测试文件转换为格式整齐的Excel文件。根据需求设计Windows端的程序流程图如图4-19所示,其目的是将用户输入的文件夹中的所有数据文件转换完毕。图中,count为转换文件计数器,程序先遍历一次输入的文件夹,获取待转换文件的总数量,进而判断是否存在待转换的数据文件,若有则进行转换和存储,直到所有文件转换完毕,若没有则提示错误信息结束转换。用户在使用此软件时,需取下系统的SD卡,在Windows端进行操作。

  3.5核心集成模块

  集成模块的功能主要是将系统各个子模块进行协调调用,使系统完成完整的测时流程。根据需求设计系统流程如图3-14所示:

  由流程图可知,系统开机后首先将网口进行初始化,之后等待与用户进行连接。连接完成后等待用户输入配置参数,之后根据输入参数进行各子模块的初始化。初始化完毕后便等待用户按下测试键,此时系统将输出电机控制脉冲以及时序脉冲,并对测试数据进行存储。测时结束后,相关输出将立即关闭,系统停止测试,并将未保存的数据进行保存后退出。

  4.结论

  随着电子信息科学的发展,汽车的智能化逐渐成为未来发展方向,而汽车安全性一直是贯穿汽车智能化发展过程的导向目标,因此,行车安全监控系统的研究具有重大意义。本文设计了行车安全系统激光测距子系统用于测速,通过利用激光发射机来辅助车辆的识别,将图像识别中的车辆轮廓识别变为光斑识别,在降低系统软硬件负担的同时解决车辆轮廓识别干扰大的问题,实现较为准确和实时的测速功能。


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