基于高速公路能見度的測量研究

1、山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書1設(shè)計(jì)目的能見度是影響道路交通安全的一個(gè)重要因素，我國多條高速公路都曾因惡劣天氣影響能見度低而引發(fā)惡性交通事故，造成極大經(jīng)濟(jì)損失。在智能交通控制系統(tǒng)(ITS)中，能見度成為一個(gè)重要的監(jiān)測項(xiàng)目。傳統(tǒng)的能見度測量儀器采用的設(shè)備操作復(fù)雜，成本昂貴，具有一定的局限性;因此，改進(jìn)乃至革新能見度測量技術(shù)仍是一個(gè)具有重要意義的研究課題。在國內(nèi)，能見度測量技術(shù)還處于初級階段，海港、公路交通和大多數(shù)軍用、民用機(jī)場所使用的能見度測量儀器節(jié)本上是國外產(chǎn)品。應(yīng)用新技術(shù)，研制新型的能見度測量儀，對于促進(jìn)我國在這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，加速我國的現(xiàn)代化建設(shè)具有重大的意義。為此，從

2、長遠(yuǎn)的角度出發(fā)，研制一套適合我國國情并且具有實(shí)時(shí)應(yīng)用性強(qiáng)的新型能見度測量儀是很有價(jià)值的。2設(shè)計(jì)要求能見度是影響道路交通安全的一個(gè)重要因素，在智能交通控制系統(tǒng)（ITS）中，能見度成為一個(gè)重要的檢測項(xiàng)目。本設(shè)計(jì)要求完成一個(gè)基于DSP、CPLD、USB和CCD圖像傳感器組成的實(shí)時(shí)檢測平臺。硬件方面有六個(gè)模塊組成，分別是電源管理和監(jiān)控、圖像采集處理、存儲器、人機(jī)交互以及數(shù)據(jù)傳輸部分等。根據(jù)已知參數(shù)對輸入信號特征進(jìn)行分析、需求分析，選擇確定DSP芯片型號、視頻采集芯片型號，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。3設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1 DSP與數(shù)字圖像處理技術(shù)概述 能見度是指目標(biāo)物的能見距離，即指觀測目標(biāo)物時(shí)，能從背景中分辨出目標(biāo)

3、物的最大距離。超出這個(gè)最大距離，就看不清目標(biāo)物的輪廓，分不清形體，稱之為“不能見”。而在這個(gè)最大距離之內(nèi)，完全能見，甚至于清晰可見。 能見度是地面氣象觀測的重要項(xiàng)目，能見度的準(zhǔn)確測量在電力供應(yīng)、通訊工程、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域有著極其重要的意義。在航空、航海、高速公路等交通運(yùn)輸領(lǐng)域，能見度是關(guān)系到人員和設(shè)備安全的重要?dú)庀笠兀辉诘厍虻臍庀笱芯?、城市環(huán)境改善和沙塵暴監(jiān)測治理等部門，能見度也是重要的氣象參數(shù)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能見度儀已經(jīng)成為我軍科研、訓(xùn)練、作戰(zhàn)的重要軍事氣象保障裝備。能見度是與人的視覺因素緊密結(jié)合在一起的一種復(fù)雜的心理-物理現(xiàn)象，表示的是可視距離。根據(jù)柯西密德（Koschmi

4、eder）定律，對以水平天空為背景的黑體目標(biāo)物，目標(biāo)物和背景視亮度對比可以表示為： 經(jīng)對光的散射原理和大氣物理光學(xué)特性的進(jìn)一步研究和分析，并執(zhí)行世界氣象組織（WMO）和國際民航組織（ICAO）的有關(guān)規(guī)定，可以得出：（a）根據(jù)對散射線函數(shù)的研究可知，在為30o40o區(qū)間范圍為不敏感區(qū)，消光系數(shù)與散射系數(shù)的比值是不變的。（b）在一定條件下，光的吸收效應(yīng)可以忽略，因而在工程應(yīng)用上，消光系數(shù)被認(rèn)為等于散射系數(shù)。（c）對能見度觀測來講，視覺對比閾值選用0.05是合適的。（d）只要能遮蔽來自其它光源的干擾，能見度觀測儀器在白天和夜間都可以使用。由物理學(xué)光學(xué)的知識，當(dāng)一束平行光由空氣垂直照射到被測的水中，在

5、水的深度Y處，其光強(qiáng)可表示為2：(1)其中：K0表示入射角為0°時(shí)光從空氣到水中的透射系數(shù)，K1為溶液對光的吸收系數(shù)。I0為入射光強(qiáng)度，T為濁度。免費(fèi)論文，前置放大。當(dāng)溶液中微粒大小均勻時(shí)，在Y軸方向的某一區(qū)域的dy，在某方向的散射光也與濁度成正比：（2）水平軸下面充滿水，有一光束強(qiáng)度為I0入射到水面，一部分經(jīng)表面反射，另一部分進(jìn)入水面?zhèn)鞑ィ瑒t在Y坐標(biāo)的小區(qū)域內(nèi)即dy，其X方向的散射光，可由式(1)和式(2)得到18：（3）因?yàn)閄方向的散射光經(jīng)水的X方向吸收后過段距離后才能進(jìn)入光電池（關(guān)于光電池的知識將在后文介紹），故實(shí)際到達(dá)光電池的散射光強(qiáng)為：（4）式中X為散射光到達(dá)光電池的距離。

6、免費(fèi)論文，前置放大。因此從0到Y(jié)0，X方向的總散射光強(qiáng)為： (5)對進(jìn)行泰勒展開，可以得到：在濁度較低的情況下，可以省略2階及2階以上的小量，則可以得到： (6)同理， (7)并且在濁度很小的情況下，即<<1的情況下，（8）將簡寫式(7)和式(8)代入式(5)中得到線性公式（9）： (9)即到達(dá)光電池的光強(qiáng)與入射光強(qiáng)I0和濁度T成正比3基于此原理，本文將提出一種基于犯位的浮點(diǎn)型DSP進(jìn)行道路能見度檢測的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)開發(fā)一種以DSP、CPLD、USB和CCD圖像傳感器組成的實(shí)時(shí)檢測處理平臺，用于研究、監(jiān)測可見光波段大氣光學(xué)特性的實(shí)用型圖像測量系統(tǒng)，它可以直接用來測量和監(jiān)測白天的

7、大氣透射比或水平氣象能見度。在該系統(tǒng)中我們采用CCD采集圖像，并借助高速的數(shù)字信號處理器DSP進(jìn)行圖像處理和能見度計(jì)算，并通過人機(jī)交互系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的高速公路能見度值顯示出來。3.2 方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖其中，CCD圖像傳感器負(fù)責(zé)采集640x480，256級灰度圖像，其采集的圖像數(shù)據(jù)由CPLD分配地址存儲在512K字節(jié)SRAM中。本系統(tǒng)的能見度測量算法全部由DSP完成。其中，2M字節(jié)閃存(FLASH)用于存儲程序代碼和路況特征庫。另外，本系統(tǒng)還提供了一個(gè)RS232接口以實(shí)現(xiàn)DSP和PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，允許在系統(tǒng)和上位機(jī)之間上傳、下載路況特征數(shù)據(jù)庫。整個(gè)系統(tǒng)中，DSP不僅要完成數(shù)字圖象處理工作

8、，還負(fù)責(zé)控制其他外部設(shè)備(LCD等)。CPLD則用于存儲CCD的輸出數(shù)據(jù)、產(chǎn)生HOLD總線仲裁信號以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制邏輯。3.3器件選型（1）CCD圖像傳感器的選擇CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測量等領(lǐng)域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。CCD攝像機(jī)按照其使用的CCD器件可以也分為線陣式和面陣式兩大類。面陣CCD：允許拍攝者在任何快門速度下一次曝光拍攝移動物體

9、。線陣CCD，線性傳感器是捕捉一維圖像。初期應(yīng)用于廣告界拍攝靜態(tài)圖像，線性陣列，處理高分辨率的圖像時(shí)，受局限于非移動的連續(xù)光照的物體。綜上所述，此處選擇面陣型CCD。（2）DSP芯片型號的選擇DSP芯片是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。DSP的選擇一般從速度、精度、尋址空間、成本、實(shí)現(xiàn)方便、內(nèi)部器件等幾個(gè)方面入手。TMS320C6713高性能DSP是為了滿足專業(yè)音頻、高端消費(fèi)類音頻、工業(yè)及醫(yī)療等領(lǐng)域與日俱增的處理需求而推出的300MHZ數(shù)字信號處理器(DSP)。對于需要浮點(diǎn)計(jì)算提供高精度動態(tài)范圍的高性能信號處理應(yīng)用，TMS320C6

10、713可提供每秒18億次浮點(diǎn)運(yùn)算 (1800MFLopS)。TMS320C6713的封裝與外引腳可與 225MHzC6713DSP處理器完全兼容，實(shí)現(xiàn)了簡單、直接的替代。此外，TMS320C6713能夠與TMs320C67n及其它目前已在市場中采用的C6713器件實(shí)現(xiàn)代碼兼容，還可以對應(yīng)用程序代碼進(jìn)行重新使用。 TMS320C6713DSP的基礎(chǔ)是音頻簡易I/O，可與典型音頻系統(tǒng)相關(guān)的總線標(biāo)準(zhǔn)輕松互連。這種便捷的I/O功能通過兩個(gè)I2C(內(nèi)部集成電路總線)多主從接口及兩個(gè)多聲道音頻串行端口(McASP)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)McASP均可提供獨(dú)立的Tx與Rx時(shí)區(qū)、八個(gè)串行數(shù)據(jù)引腳、廣泛的錯(cuò)誤檢查與恢復(fù)、1

11、2S支持以及其它位流格式。因此選擇TMS320C6713型號的DSP芯片。（3）可編成邏輯器件的選擇市場上較復(fù)雜的可編成邏輯器件主要分為兩種，CPLD和FPGA，盡管FPGA和CPLD都是可編程ASIC器件，有很多共同特點(diǎn)，但由于CPLD和FPGA結(jié)構(gòu)上的差異，具有各自的特點(diǎn)：CPLD更適合完成各種算法和組合邏輯，F(xiàn)PGA更適合于完成時(shí)序邏輯。換句話說，F(xiàn)PGA更適合于觸發(fā)器豐富的結(jié)構(gòu)，而CPLD更適合于觸發(fā)器有限而乘積項(xiàng)豐富的結(jié)構(gòu)。 CPLD的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)決定了它的時(shí)序延遲是均勻的和可預(yù)測的，而FPGA的分段式布線結(jié)構(gòu)決定了其延遲的不可預(yù)測性。CPLD比FPGA使用起來更方便。CPLD的編

12、程采用E2PROM或FASTFLASH技術(shù)，無需外部存儲器芯片，使用簡單。而FPGA的編程信息需存放在外部存儲器上，使用方法復(fù)雜。 CPLD的速度比FPGA快，并且具有較大的時(shí)間可預(yù)測性。這是由于FPGA是門級編程，并且CLB之間采用分布式互聯(lián)，而CPLD是邏輯塊級編程，并且其邏輯塊之間的互聯(lián)是集總式的。 在編程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存儲器編程，編程次數(shù)可達(dá)1萬次，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)斷電時(shí)編程信息也不丟失。CPLD又可分為在編 程器上編程和次上電時(shí)，需從器件外部將編程數(shù)據(jù)重新寫入SRAM中。其 優(yōu)點(diǎn)是可以編程任意次，可在工作中快速編程，從而實(shí)現(xiàn)板級和系統(tǒng)級的動態(tài)配置。 CP

13、LD保密性好，F(xiàn)PGA保密性差。隨著復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)密度的提高，數(shù)字器件設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行大型設(shè)計(jì)時(shí)，既靈活又容易，而且產(chǎn)品可以很快進(jìn)入市常許多設(shè)計(jì)人員已經(jīng)感受到 CPLD容易使用。綜上所述，本次設(shè)計(jì)選擇CPLD。3.4硬件的設(shè)計(jì)（1）CCD模塊（2）時(shí)鐘模塊（3）A/D轉(zhuǎn)換模塊（4）串口通信電路（5）CPLD模塊（6）SRAM模塊（7）片外FLASH程序存儲電路模塊（8）TMS320C6713的部分接線圖3.5軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，DSP將通過硬件開關(guān)的設(shè)置從FLASH中加載程序到DSP內(nèi)存中，這段過程也是DSP初始化的過程，之后程序?qū)膬?nèi)存零地址開始執(zhí)行:DSP首先將通過

14、串口模擬IZC操作完成對A/D芯片進(jìn)行初始化使其正常工作，接著開始初始化中斷設(shè)置及EMIF并行口設(shè)置，使能中斷5，中斷5為場同步信號，由A/D芯片轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，當(dāng)中斷來臨時(shí)，DSP的DMA控制數(shù)據(jù)通過EMIF口存入SRAM中，場中斷再次到來之前數(shù)據(jù)沒有采集完時(shí)，輸出緩存在DMA控制下通過EMIF口送到輸出模塊。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)采集完畢時(shí)，則開始執(zhí)行圖像與處理算法和能見度的計(jì)算，處理結(jié)束后在PC機(jī)上顯示能見度數(shù)值。總結(jié)與致謝本次設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有將數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)融合在一起等特點(diǎn)，但同時(shí)存在一些不足，并未考慮硬件電路延時(shí)的影響以及觀測的目標(biāo)物為非黑體時(shí)對能見度檢測結(jié)果的影響。

15、通過本次課程設(shè)計(jì)，使我加強(qiáng)了對對于數(shù)字圖像處理的掌握和理解，鞏固了我在DSP實(shí)用教程課程中所學(xué)的基本理論知識和實(shí)驗(yàn)技能，使我對實(shí)用教程課程有了更深入的了解，讓我懂得了如何把課堂所學(xué)知識與實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)一步激發(fā)了我對所學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣；提高了我的實(shí)踐動手以及對問題的解決能力。并且通過這次課程設(shè)計(jì)加深了我對本專業(yè)的認(rèn)識，也對曾學(xué)過的軟件如等有了更深層的認(rèn)識。在設(shè)計(jì)的過程和設(shè)計(jì)說明書的撰寫過程中，魏莉老師給予了我熱心的幫助和大力的支持，給我提了諸多的寶貴意見，拓寬了我的思路。在此我向老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！在我的學(xué)習(xí)過程中，高煥兵等其它老師也給了我耐心的指導(dǎo)和幫助。我在此對各位老師表示誠摯的感謝！參考文獻(xiàn)周秀驥，陶善昌，姚克亞，高等大氣物理學(xué)M北京:氣象出版社，1993.盛裴軒等，大氣物理學(xué)，北京:北京大學(xué)出版社，2003宋正方.應(yīng)用大氣光學(xué)基礎(chǔ).氣象出版社，1990曾書兒，王改利。能見度的觀測及其儀器，應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1999謝興生，陶善昌，周秀驥，數(shù)字?jǐn)z像法測量氣象能見度，科學(xué)通報(bào)，1999，:明日科技.Visual C+數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)案例精選.北京:人民郵電出版