基于鎖相環(huán)技術(shù)提高車(chē)輛探測(cè)靈敏度及抗干擾能力

1 引言

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(xiàn)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(xiàn)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)閱纹瑱C(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(mǎn)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)

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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。

3．2 探測(cè)電路

3．2．1 PLL電路設(shè)計(jì)

通過(guò)檢測(cè)鎖相環(huán)判定是否有車(chē)輛經(jīng)過(guò)。當(dāng)車(chē)輛移動(dòng)到埋入地下的線(xiàn)圈上時(shí)，傳感電路的輸出頻率發(fā)生變化，PLL失鎖，通過(guò)檢測(cè)該失鎖信號(hào)即可得知是否有車(chē)越道。因?yàn)樵撎綔y(cè)電路是以相對(duì)頻率變化而不是絕對(duì)頻率變化來(lái)判斷是否有車(chē)輛經(jīng)過(guò)，因此具有自我調(diào)節(jié)能力，不會(huì)因?yàn)橹車(chē)碾姶怒h(huán)境改變而失效。

在該設(shè)計(jì)中PLL用于跟蹤傳感電路輸出信號(hào)的頻率變化，產(chǎn)生本振信號(hào)u1（t），具體要求是：

（1）在us（t）的頻率變化范圍（f0~fmax）內(nèi)，PLL鎖定換句話(huà)說(shuō)，PLL的中心頻率應(yīng)設(shè)定在f0與fmax的之間，且PLL的“捕捉范圍”應(yīng)大于或至少等于us（t）的頻率變化范圍。這樣就保證當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí)，PLL始終能夠達(dá)到鎖定狀態(tài)。

（2）PLL建立的鎖定時(shí)間不能太長(zhǎng)或太短如果建立的鎖定時(shí)間太短，PLL很快鎖定，不能看到差頻信號(hào)。如果建立的鎖定時(shí)間太長(zhǎng)，PLL很難從失鎖狀態(tài)恢復(fù)到鎖定狀態(tài)，使得反映速度變慢。因此要選擇適當(dāng)?shù)姆e分電阻R和C，選擇適當(dāng)?shù)逆i定時(shí)間。

該設(shè)計(jì)選用了集成鎖相環(huán)CD4046來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2為其連接電路。根據(jù)CD4046的工作原理，其中心頻率是由引腳6，7之間的C1及引腳11的接地電阻R1決定的，所以要選擇適當(dāng)?shù)腞1，C1，使得PLL的中心頻率達(dá)到要求。為了增加PLL中心頻率的可調(diào)性，在R1上串聯(lián)一只可變電阻R2。因?yàn)檫@里的PLL對(duì)輸入頻率的寬度無(wú)要求，所以引腳12懸空。

按照?qǐng)D2所示，調(diào)節(jié)可變電阻R3，使得引腳9的電壓U9=Ucc/2=4．5 V，此時(shí)引腳4的輸出頻率即為PLL的中心頻率。選取C1=1 000 pF，R1=5．1 kΩ，R2=10 kΩ，此時(shí)中心頻率f0=23．7 kHz，剛好滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

3．2．2 確定建立鎖定時(shí)間

根據(jù)鎖相環(huán)CD4046的工作原理，建立鎖定時(shí)間則由引腳13（或引腳2）與引腳9之間的積分電阻電容決定。引腳13的輸出通過(guò)積分電容C2充放電，使得U9發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)VCO的輸出，即引腳4的輸出頻率。

4 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，在實(shí)驗(yàn)室做了驗(yàn)證試驗(yàn)。車(chē)輛和線(xiàn)圈都按相同比例縮小。采用直徑為5 mm的普通，電線(xiàn)繞了100 cmx2 cm的線(xiàn)圈（匝數(shù)n=16），用于模擬實(shí)際應(yīng)用的地線(xiàn)圈；再用一塊20 cmxl0 cm的矩形金屬板模擬實(shí)際的車(chē)輛。實(shí)驗(yàn)證明，正常狀態(tài)下的輸出頻率f0=23．7 kHz，有車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的最大輸出頻率（將金屬板完全放在線(xiàn)圈上時(shí)所測(cè)得值）為fmax=24．5 kHz，因此△fmax=0．8 kHz。

改變金屬板到線(xiàn)圈的垂直距離，測(cè)量金屬板移動(dòng)到線(xiàn)圈上方后PLL的輸出頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬板距離線(xiàn)圈越近，PLL的輸出頻率越大。利用示波器觀(guān)察PLL從失鎖到鎖定的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，在金屬板距離線(xiàn)圈2～15 cm時(shí)，均能觀(guān)察到明顯的從失鎖到鎖定的變化。當(dāng)金屬板長(zhǎng)時(shí)間靜止于線(xiàn)圈上時(shí)，PLL也均能恢復(fù)鎖定狀態(tài)。金屬板到線(xiàn)圈的垂直距離，對(duì)應(yīng)于實(shí)用中車(chē)輛底盤(pán)到地下線(xiàn)圈的距離，按相應(yīng)比例看，實(shí)驗(yàn)所能測(cè)量的范圍完全能滿(mǎn)足實(shí)用的需要。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是通過(guò)觀(guān)察示波器判定PLL失鎖的，為了效果明顯，則設(shè)定的鎖定時(shí)間較長(zhǎng)。實(shí)用中可采用其他方式檢測(cè)PLL失鎖，以判定有車(chē)經(jīng)過(guò)，可調(diào)整相應(yīng)的電路參數(shù)，使鎖定時(shí)間變得更短，探測(cè)靈敏度也會(huì)相應(yīng)提高。實(shí)驗(yàn)證明，利用PLL實(shí)現(xiàn)的探測(cè)靈敏度完全達(dá)到系統(tǒng)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的車(chē)輛檢測(cè)技術(shù)比現(xiàn)行采用單片機(jī)計(jì)數(shù)的車(chē)輛檢測(cè)技術(shù)可靠性更高，而且通過(guò)檢測(cè)鎖相環(huán)失鎖判定是否有車(chē)量經(jīng)過(guò)，是以相對(duì)的頻率變化而非絕對(duì)的頻率變化進(jìn)行判斷，因此具有自我調(diào)節(jié)能力，不會(huì)因?yàn)橹車(chē)姶怒h(huán)境的改變導(dǎo)致中心頻率偏移而失效。因此本文提出的鎖相環(huán)技術(shù)在提高靈敏度方面確有明顯效果，而且成本低，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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)。

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