车辆超声测速仪

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(西北工业大学自动化学院，陕西 西安 710129)

Speedometer of Vehicle Based on Doppler

BAN Jingxuan， LI Suilao，CHEN Shu，ZHOU Bo

(School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China)

车辆超声测速仪

班敬轩，李岁劳，陈淑，周博

(西北工业大学自动化学院，陕西 西安 710129)

SpeedometerofVehicleBasedonDoppler

BANJingxuan，LISuilao，CHENShu，ZHOUBo

(SchoolofAutomation，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710129，China)

摘要：为车辆超声测速仪的硬件设计、制作、调试和实验，研制出了一台车辆超声测速仪原理样机。设计了采用TMS320F28035为主控制器的超声波测速仪各部分的硬件电路并对硬件电路进行调试，最后用跑车实验验证了设计方案的可行性。

关键词：多普勒效应；超声波；测速仪

中图分类号：TP368

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)10-0048-03

收稿日期：2015-07-03

基金项目：西北工业大学本科生毕业设计(论文)重点扶持项目

Abstract：The paper includes the vehicle speedometer ultrasound hardware design， production， testing and experimentation， the target is to develop a prototype vehicle ultrasound velocimetry.Designing every part of a ultrasonic velocimetry hardware circuit using TMS320F28035 and testing prototype hardware circuit.Using ultrasound velocimetry to perform car speedometer experiment.The experimental results showed that: vehicle velocimetry meets basic design requirements.

作者简介：班敬轩(1991-)，男，内蒙古巴彦淖尔人，硕士研究生，研究方向为控制工程；李岁劳(1964-)，男，陕西宝鸡人，副教授，硕士研究生导师，研究方向为惯性导航和组合导航、计算机测控等。

Keywords：dopplereffect；ultrasonic；speedometer

0引言

传统的速度表或里程仪、全球定位系统GPS和惯性加速度计是当前测量汽车速度的主要方式，但是存在受环境影响大、易受干扰等缺点。因此，迫切需要研究和寻找其他方法精确测量汽车速度，基于多普勒效应的测速技术这时候进入了科研人员的视线。

1工作原理

当波源与接收物体之间存在相对径向运动时，接收物体接收到的声音频率与波源发射的信号频率不一致，这种就是多普勒效应。只需测量接收信号和发射信号的频率差，就得到汽车速度。

车辆多普勒测速原理示意图如图1所示，假设发射信号的频率为f0，汽车沿水平方向的速度为v，那么在P点接收到的频率为：

O′点接收到的频率为：

图1　测速原理

多普勒频移为：

根据此公式可解算车辆速度v。由于α和α′相差很小，波速c远大于车速v，可将公式简化为：

2系统硬件设计

多普勒测速仪的硬件系统包括电源、超声波发射电路、超声波接收电路、RS232接口、主控制器模块等，系统结构如图2所示。

图2　系统结构

主控制器选择TMS320F28035芯片，采用开关电源芯片TPS5410[3-]4]和线性稳压电源芯片LM1117-3.3为系统提供5V和3.3V电源，下面详细介绍发射电路和接收电路。

2.1　发射电路

超声波探头选择基于压电效应的传感器，超声波发射模块脉冲源来自控制器，由于控制器输出信号的电流小，如果直接驱动超声换能器，输出的声波信号也很微弱，以至于很难接收到回波信号，所以，发射模块需要设计功率放大电路。

设计了使用MAX232芯片的功率放大电路。MAX232芯片是单电源电平转换芯片，利用其内部的电平转换电路实现对输入信号的功率放大。

发射电路图如图3所示。图中C4和C7是储能电容，C5和C15是滤波电容。由于MAX232仅由+5 V单电源供电，为了得到±10 V的输出电压，采用电容C4和C5共同作用使V+端电压升至+10 V。电容C7和C15实现V-端电压由+10 V翻转为-10 V，从而得到±10的电源电压，±10 V电压给内部电平转换电路供电，在输入为0～3.3 V的情况下，输出可达到±10 V。经过MAX232放大后驱动电压为20V，接收电路可以接收到比较清晰的回波信号。

图3　发射电路

2.2　接收电路

超声波接收电路用来接收回波信号，由于换能器输出的电信号太弱，根本无法分辨回波信号，而且信号噪声很大，所以需要运算放大电路将信号放大并且需要滤波。设计一级带通滤波放大电路如图4所示。运算放大器选择AD8606，单级一阶高通滤波器的传递函数为：

图4　接收电路

由于多普勒效应回波信号的频率应满足：40kHz≤f≤46kHz，所以参数选择为：A=R2/R1=100，R1=1kΩ，R2=100 kΩ，C1=5 nF，C2=30 pF。

由于AD8606由单电源+3.3V供电且回波信号以0V为对称轴上下波动，为了对整个回波信号可以无失真的放大以便进行后续的AD采样，将回波信号向上平移1.65V。

根据实验，在设计的放大倍数下，回波信号可以被不失真的放大，而且放大倍数也留有余量，使得反射距离由于车辆颠簸变小时，回波信号也可以被不失真的放大。

3跑车实验

3.1　跑车实验数据采集程序设计

在跑车实验中，为了便于调试算法和观察算法改进的效果，设计如下的跑车实验采集程序，将超声波回波信号采样值发送到计算机上。

使用定时器0控制GPI/O0和GPI/O1发送两路互补的40kHz的方波脉冲；定时器2用于触发AD，AD采样频率控制为800ks/s。

数据发送采用查询方式，考虑到车辆超声测速仪原理样机的安装位置，为使数据传输可靠，设置波特率为38 400b/s。

主程序流程图如图5所示。方波脉冲发送完毕后延时一定时间，关闭CPU定时器0，开启AD；对采集到的数据进行处理，在主程序中测量零位值并根据程序设定的阈值判断回波是否到达，没有到达则等待，如果AD缓冲区存满回波都没有到达则重新发送方波脉冲；如果回波到达，采样2 200个点，开始采用过零检测法进行多普勒频移和速度结算。

图5　主程序流程

数据处理完毕后将数据向上位机发送，数据存为.txt格式文件，文件名为当前系统时间。

3.2　实验结果

车辆使用惯导实验车，地点选择环山公路。使用多普勒测速仪上位机数据采集软件接收实时跑车实验数据，经过测速算法计算，得到车辆的行驶速度。

光电里程仪与多普勒测速仪跑车实验数据如图6所示，其中虚线代表光电里程仪速度曲线，实线代表多普勒测速仪速度曲线。图中纵轴为速度(km/h)，横轴为时间，格式为“(时刻-8)×3600+min×60+s”，比如X轴15 150s表示中午12时12分30秒。实验结果表明，多普勒测速仪速度曲线与光电里程仪的速度曲线基本一致，可以反应速度变化。但是在某些时段，多普勒测速仪测得的速度误差太大，这可能是由于车辆的抖动，安装探头的晃动，探头指向性较差等因素造成的。

图6　里程仪速度曲线

4结束语

设计了车辆超声测速仪的硬件，克服了传统测速方式受环境因素影响大、抗干扰能力差等缺点。但是精度有待提高，为了提高精度，可采取的措施是，选择指向性能好、功率大的超声传感器；设计使用变压器发射电路，提高发射信号功率；使用MEMS陀螺测量车辆颠簸角，补偿颠簸引起的误差。

参考文献：

周健. 用于车载自主导航激光多普勒测速仪的初步研究.长沙：国防科学技术大学，2011.

刘立财.多普勒效应及其应用.科技创新导报，2007(35)：249-250.

AbrahamI，Pressman.SwitchingPowerSupplyDesign.北京：电子工业出版社，2006.

慕丕勋，冯桂林.开关稳压电源原理与实用技术.北京：科学出版社，2006.

毛剑波.压电陶瓷换能器在超声波测距仪中的应用.合肥工业大学学报，2005，28(6)： 696 -698.

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