利用复杂可编程器件设计速度测量系统

柳凤伶，贺 健，董 晨，宁 川

(北京联合大学 应用文理学院，北京 100083)

利用复杂可编程器件设计速度测量系统

柳凤伶，贺 健，董 晨，宁 川

(北京联合大学 应用文理学院，北京 100083)

基于复杂可编程逻辑器件和红外传感器的综合技术，设计了物体速度测量系统。该系统根据精度要求设计可编程逻辑器件的时钟频率，用线性拟合方法进行数据处理。通过数值实验，该系统测量精度达0.1 m/s，测量精度较高、成本较低，具有能实时连续测量、自动复位、操作方便等优点。该设计解决了传统测量方法中系统庞大、精度受限的问题。

速度测量;复杂可编程器件;红外传感器;计数器;分频

速度测量是很多行业非常关注的问题。为满足交通工程中的限速系统以及田径、自行车运动员训练中的速度检测等需求，复杂可编程器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)的速度测量系统对传统的测速方法做了一些改进。目前，大多数测速电路采用单片机外加部分模拟和数字小规模集成电路来进行制作，其测量精度、工作速度完全受限于单片机的工作频率［1-4］。此外，这类测量电路的集成度较低，抗干扰能力普遍较弱。红外传感器不受可见光线、被测物颜色等影响，抗干扰能力强，对工作环境要求较低［5］。同时，CPLD编程灵活、集成度高、速度快、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、标准产品无需测试、保密性强［6］。本文拟利用红外传感器捕获物体通过定点的信号，并控制计数器正确计出汽车通过两红外探头的时间间隔，根据CPLD计数器的值，在相应的拟合直线上映像出此点对应的速度，实现物体通过固定距离时的速度测量。

1 系统总体设计

该系统主要包括:两组红外传感器、一个基于CPLD的中央处理电路。系统框图如图1所示。

当物体顺序通过两组传感器时，会产生两个信号，分别作为CPLD计数器的开启信号和停止信号。通过计数器的计数值，可以得到物体通过该传感器两探头的时间间隔ΔT。设红外传感器两探头之间的距离为ΔS、计数器所计数值为 N、计数器的主振频率为f0(Hz)，则物体运行的平均速度V通常可由式(1)计算得出。本系统使用的中央处理器件为CPLD器件，本身计算功能较弱，因此选用线性拟合方法进行数据处理［7］。

图1 系统框图

2 传感器设计

敏感器件采用的是红外对射型光电开关，两个为一组，其中，一个发射红外光，一个接收红外光。当有物体在一组对射管之间时，红外光线被切断，接收管发出电平跳变信号。转换电路将其转换成CPLD能够识别的电平信号，其逻辑功能为:当没有物体遮断该传感器发射的红外光时，两对红外接收与处理装置将接收到的红外光进行处理，输出高电平，不能触发计数器。当传感器感应到物体通过时，输出低电平，计数器开始计数。当物体继续前行，切断第二束红外光后，传感器II输出低电平，计数器停止计数。计数器的计数值是汽车通过该传感器两探头的时间间隔。图2为其中一组传感器的原理图。

图2 传感器I原理图

3 软件设计

由图3可知，均匀的是Δt区间，Δv是非均匀分布的，按照精度(0.1 m/s)要求，将整个曲线分为n段，每段近似为线性。根据计数器的值 N，对应到横坐标上某个 t点，通过对应线段，映像出此点对应的运动物体的速度。软件流程如图4所示［8］。

图3 速度－时间图

图4 程序流程图

4 CPLD功能模块设计

按照数据处理需要，将CPLD组成多个逻辑模块 DP0－DPX，用于分段计算物体的速度［9-10］(见图5)。考虑到本系统的精度是0.1 m/s，应以能满足最高速度50.0 m/s测量精度的时钟为计数时钟。设固定距离为10 m，则本系统时间精度:

2 500 Hz的时钟能满足本系统的精度要求。按照常规的方法，测量范围在(1.0－50.0)m/s内的计数器至少要能容纳25 000(2 500*10)个数据。其中，只有约500(50*10)个数据对精度范围内的速度改变有贡献。将一个高频的晶振信号分频为f0－fx范围后，分别作为各模块计数时钟。时序如图6所示。door1和door2是来自于传感器的输出信号，从T1时刻开始依次启动计数器 DPi计数，T2时刻停止计数并给出准确的速度值，在下一个启动信号到来之前，系统一直显示本次测量的速度值。这种方法降低了资源成本和工作量，减少了数据处理中发生错误的概率。

图5 模块图

图6 系统时序图

5 结论

此系统利用红外传感器和CPLD器件，通过测量物体经过固定距离的时间，实现了物体速度的计算。系统中涉及的红外传感器不受可见光线、被测物体颜色等影响，使用方便;CPLD器件具有编程灵活、集成度高、速度快等优点，可操作性强。该系统速度测量范围为1.0～49.9 m/s，精度为0.1 s/m，适用于测量运动物体在指定10 m内的平均速度。利用复杂可编程器件实现的速度测量系统具有装置简单、便于操作、测量精度高、自动复位、价格低廉等优点。

［1］ 刘永富，朱昌平，林善明，等.基于复杂可编程逻辑器件的气介超声测距系统的设计［J］.声学技术，2006，25(4):317－320.

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［6］ 付慧生.复杂可编程逻辑器件与应用设计［M］.北京:中国矿业大学出版社，2005.

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［8］ 曾繁泰，邢建平.VHDL程序设计教程［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［9］ 马彧，王丹利，王丽英.CPLDFPGA可编程逻辑器件实用教程［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［10］ 张洪润，孙悦，金美华.FPGA/CPLD应用设计200例［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

The Design of Speed Masurement System by the Complex Programmable Logic Device

LIU Feng-ling，HE Jian，DONG Chen，NING Chuan
(College of Arts and Science，Beijing Union University，Beijing 100083，China)

Based on the integrated technology of complex programmable logic devices and infrared sensor，a speed measurement system was designed.The system designs programmable logic device’s clock frequency in accordance with the accuracy requirement of programmable logic device and processes data with linear fitting method.Numerical experiments indicate the system’s measurement accuracy is up to 0.1m/s.With a low cost，high accuracy，easy operation and an automatic real-time continuous measurement，the system solves the precision-constrained problems in traditional measurement system.

speed measuring;complex programmable logic device;infrared sensor;counter;frequency division

TP 332.1

A

1005-0310(2010)01-0046-03

2009－09－04

柳风伶(1956—)，女，北京市人，北京联合大学应用文理学院信息与科学技术系实验室主任、高级实验师，研究方向为物理及物理实验教学、传感器应用技术。

(责任编辑 彭丹宇)