無線通信-利用GPS技術(shù)研制的公路測(cè)速系統(tǒng)速度標(biāo)準(zhǔn)裝置

1、 項(xiàng)目名稱:機(jī)動(dòng)車超速監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)研究;編號(hào):2007DIA10-3 基金申請(qǐng)人:劉美生基于GPS技術(shù)的速度標(biāo)準(zhǔn)裝置研究趙軍,劉美生,楊春生,江東(中國測(cè)試技術(shù)研究院,成都 610021摘 要:本文介紹了一種利用GPS技術(shù)研制的公路測(cè)速系統(tǒng)速度標(biāo)準(zhǔn)裝置,通過GPS接收處理模塊,采用多普勒頻移變換速率的測(cè)量方式,可直接輸出與速度成比例的數(shù)字脈沖頻率信號(hào),經(jīng)濾波、放大、整形后,送入單片機(jī)運(yùn)算處理,以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車速度和里程的測(cè)量。本標(biāo)準(zhǔn)裝置適用于各種具有超速拍照功能的機(jī)動(dòng)車超速自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢定與校準(zhǔn)。關(guān)鍵詞:GPS;單片機(jī);機(jī)動(dòng)車超速自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);測(cè)速中圖分類號(hào):TP391;TP368

2、.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AResearch on standard equipment of speed based on GPS technologyZHAO Jun,LIU Mei Sheng, YANG Chun-Sheng,JIANG Dong, (National Institute of Measurement and Testing Technology,ChengDu 610021Abstract:A standard equipment of highway speed measurement system using GPS technology introduced in th

3、is paper. Through the GPS receiver module, using Doppler frequency shift transform the rate measurement method, Digital pulse-frequency signals proportion to the number of vehicle speed can be output directly. By filtering, amplifing and adjusting,then into the microcontroller processing, to achieve

4、 the vehicle speed and mileage measurement. The standard equipment applied to test and calibration of all kinds of automatic devices with overspeed and camera monitoring functions.Key words:GPS;single chip microcomputer;vehicle overspeed auto-monitoring system; speed measurement1 引言安裝在高速公路和城市道路上的機(jī)動(dòng)車

5、超速自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡稱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有超速監(jiān)測(cè)和執(zhí)法取證雙重功能,是道路交通執(zhí)法和交通管理的主要技術(shù)設(shè)備。目前國內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)速原理大多為雷達(dá)測(cè)速、地感線圈測(cè)速、激光測(cè)速原理等。針對(duì)不同測(cè)速原理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常使用專用的檢定裝置進(jìn)行檢定。本文介紹了一種基于GPS技術(shù)的高精度公路測(cè)速系統(tǒng)速度標(biāo)準(zhǔn)裝置研制,它適用于所有具備超速拍照功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢定與校準(zhǔn)。2 GPS概述及設(shè)計(jì)基本思路GPS全稱“Global Positioning System”,即“全球定位系統(tǒng)”。整個(gè)系統(tǒng)由空間GPS 衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及用戶設(shè)備GPS 接收機(jī)三大部分組成。該系統(tǒng)具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的

6、導(dǎo)航、定位和定時(shí)的功能,能為各類用戶提供精密的三維位置、三維速度。公路測(cè)速系統(tǒng)速度標(biāo)準(zhǔn)裝置(以下簡稱速度標(biāo)準(zhǔn)裝置是用來對(duì)安裝在公路上的機(jī)動(dòng)車測(cè)速系統(tǒng)(雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)、地感線圈測(cè)速系統(tǒng)、激光測(cè)速系統(tǒng)等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車路試綜合檢測(cè)/校準(zhǔn)速度量值的專用儀器設(shè)備,亦可用于行駛里程的測(cè)量。它通過儀器內(nèi)部的GPS衛(wèi)星接收處理模塊接收GPS衛(wèi)星信號(hào),采用多普勒頻移變換速率的方式輸出車輛的自身運(yùn)行速度脈沖信號(hào),該信號(hào)通過儀器內(nèi)的信號(hào)處理模塊處理后,送至單片機(jī)處理,進(jìn)而計(jì)算出速度和里程,并顯示于外掛顯示屏,進(jìn)而檢測(cè)校準(zhǔn)公路機(jī)動(dòng)車測(cè)速系統(tǒng)。其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖如圖1所示。 圖1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車路試檢定/校準(zhǔn)示意圖速度標(biāo)準(zhǔn)裝置通過

7、GPS天線接收衛(wèi)星信號(hào)后,實(shí)時(shí)處理并顯示汽車運(yùn)行的速度、里程以及北京時(shí)間等參數(shù)。當(dāng)檢測(cè)車通過公路測(cè)速系統(tǒng)且超速時(shí),則監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)拍攝檢測(cè)車,并給出該車的速度值。外掛顯示屏上的檢測(cè)車自身標(biāo)準(zhǔn)速度值也一并被拍攝,因此,只需將兩個(gè)速度值進(jìn)行比較,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)公路機(jī)動(dòng)車測(cè)速系統(tǒng)的檢測(cè)/校準(zhǔn)。3 系統(tǒng)構(gòu)成及原理分析速度標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由GPS接收處理模塊、信號(hào)處理模塊、MCU數(shù)據(jù)處理、鍵盤顯示輸入輸出模塊、打印輸出模塊和外掛顯示模塊構(gòu)成。其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖3.1 GPS接收處理模塊GPS接收處理模塊屬于GPS系統(tǒng)中的用戶設(shè)備部分,由GPS接收天線和GPS處理模塊組成。它像“收音

8、機(jī)”一樣接收、解調(diào)衛(wèi)星的廣播C/A碼信號(hào)。該模塊利用多普勒頻移測(cè)速原理通過運(yùn)算與每個(gè)衛(wèi)星的偽距來求解空間待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)。特點(diǎn)是定位速度快,能到達(dá)米級(jí)定位。為了能解算出運(yùn)動(dòng)載體的速度,需要保證最少要觀測(cè)到4顆衛(wèi)星。GPS模塊通過串行通信口不斷輸出NMEA格式的定位信息及輔助信息,供接收者使用。本系統(tǒng)采用的是高精度 GPSTran無線速度傳感器模塊(由GPS接收天線和GPS處理模塊組成。GPSTran模塊是用來為其它裝置提供機(jī)動(dòng)車速度信號(hào)的傳感器。該模塊可直接輸出與速度成比例的數(shù)字脈沖頻率信號(hào)。該速度量是根據(jù)GPS衛(wèi)星運(yùn)載信號(hào)的多普勒頻移 法解算得到。當(dāng)GPS接收模塊接收到4顆衛(wèi)星時(shí),按照多普勒

9、頻移算法解算得到的速度值的精度可達(dá)到0.3km/h。3.2 信號(hào)處理模塊由于從GPS接收處理模塊輸出的信號(hào)是微弱的毫伏級(jí)脈沖信號(hào),同時(shí)還存在一定的干擾信號(hào),在送到單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理前,需經(jīng)過信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理。其信號(hào)處理模塊原理圖如圖3所示。 圖3 信號(hào)處理模塊原理圖圖3中,GPS接收處理模塊輸出的微弱毫伏級(jí)數(shù)字脈沖信號(hào)經(jīng)插座2腳接入信號(hào)處理模塊,兩個(gè)濾波電容濾去輸出信號(hào)中的干擾信號(hào),然后經(jīng)TLC2252運(yùn)算放大器放大后,得到放大的脈沖信號(hào),然后接入LM339比較器的同相端,輸出5V的方波信號(hào),接著經(jīng)74HC14施密特觸發(fā)器整形處理后得到邊沿陡峭穩(wěn)定的5V的方波,最后送至AT89C52單片機(jī)

10、進(jìn)行的運(yùn)算處理,得到相應(yīng)速度和里程值。3.3 鍵盤顯示輸入輸出模塊傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示和鍵盤接口一般直接采用MCU的I/O口對(duì)鍵盤或數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描的方法,硬件上需要較多的外圍部件,且占用MCU大量I/O口,軟件上則浪費(fèi)CPU資源,且給編程人員帶來很大的不便。這里使用數(shù)碼管顯示及鍵盤接口專用控制芯片BC7281A。BC7281A與MCU之間的通訊是采用2線高速串行接口,這兩個(gè)連線分別是數(shù)據(jù)線DAT和同步時(shí)鐘線CLK,其中DAT為雙向數(shù)據(jù)傳輸線,BC7281A既用該線從MCU接收數(shù)據(jù),也用該線向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)。BC7281A的DAT引腳為漏極開路輸出結(jié)構(gòu),使用時(shí)須在該線上加20K左右的上拉電阻。3

11、.4 外掛高亮顯示模塊考慮到實(shí)際天氣條件的影響,在強(qiáng)日照下,普通的數(shù)碼管顯示在拍攝的照片中顯示的數(shù)據(jù)難以辨認(rèn),為此,這里設(shè)計(jì)了專用高亮LED發(fā)光二極管顯示屏,保證在強(qiáng)日照的天氣也能使拍攝的照片中的數(shù)據(jù)清晰顯示。4 數(shù)據(jù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)本速度標(biāo)準(zhǔn)裝置利用GPS技術(shù)對(duì)車身速度進(jìn)行高準(zhǔn)確度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試,但GPS系統(tǒng)本身的技術(shù)性能也需要驗(yàn)證和檢驗(yàn)。這里我們研制了一種光電測(cè)試系統(tǒng),來驗(yàn)證GPS速度標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)試結(jié)果。該光電測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)用最基本的速度=位移/時(shí)間關(guān)系來得到汽車車身速度。實(shí)現(xiàn)車身速度與GPS速度標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)得速度的數(shù)據(jù)比對(duì)。4.1 車身速度測(cè)量基本原理如圖4所示,汽車(1頂部安裝好刻有等間距光縫(4的

12、遮光屏(3,光發(fā)射器(2和光接收器(5分別安裝在汽車前進(jìn)方向的垂直線上,并根據(jù)光縫的位置調(diào)節(jié)好高度。當(dāng)汽車通過測(cè)量點(diǎn)時(shí),光接收器收到在光縫作用下產(chǎn)生的脈沖信號(hào),該脈沖信號(hào)的頻率正比于汽車通過的速度。光接收器將脈沖信號(hào)送計(jì)時(shí)裝置處理后即得到脈沖頻率的準(zhǔn)確值,隨后速度測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)已知的光縫間距離計(jì)算出汽車的運(yùn)行速度。圖4車身速度測(cè)試原理示意圖4.2 GPS測(cè)速的比對(duì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)依據(jù)圖4所示的GPS測(cè)速驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理,我們?cè)谝巴鈭?chǎng)地進(jìn)行了實(shí)車測(cè)速結(jié)果比對(duì)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)車以某一速度穿過光束通道時(shí),光探測(cè)器的脈沖信號(hào)接入速度測(cè)試裝置立即測(cè)得汽車穿過光束通道時(shí)的瞬時(shí)速度并通過外接顯示屏顯示,此時(shí)用照相機(jī)將兩套裝置

13、的顯示屏顯示數(shù)據(jù)同時(shí)拍下,即可進(jìn)行兩套裝置的數(shù)據(jù)比對(duì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1-1所示。序號(hào) 光電測(cè)試裝置測(cè)得的速度(km/hGPS標(biāo)準(zhǔn)裝置 測(cè)得的速度(km/h偏差(km/h表1-1 GPS測(cè)速驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,光電測(cè)試裝置測(cè)得的速度與GPS 速度標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)得的速度吻合 較好,標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.2km/h以內(nèi),相對(duì)誤差僅0.4%。5 結(jié)束語利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的拍照功能可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)速度與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量速度比對(duì)。本速度標(biāo)準(zhǔn)裝置由基于GPS技術(shù)的測(cè)速模塊和速度顯示模塊構(gòu)成,測(cè)速模塊實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)時(shí)速度測(cè)量,速度顯示模塊在特殊設(shè)計(jì)的顯示屏顯示當(dāng)前速度。只要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有拍照功能就可以實(shí)現(xiàn)在線檢定,適用于各種

14、測(cè)速原理的系統(tǒng),且能確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、拍照取證唯一性。本文的創(chuàng)新點(diǎn):將高精度、全天候、高性能的GPS技術(shù)應(yīng)用于公路測(cè)速系統(tǒng)檢定工作,實(shí)現(xiàn)了各類具有拍照功能的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)速度的在線實(shí)車的檢定。參考文獻(xiàn)1 王惠南.GPS導(dǎo)航原理與應(yīng)用M.北京:科學(xué)出版社.2003.2 何其畏,高利. GPS定位精度的提高及其應(yīng)用. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006,5-1: 282-283.3 苗作華,劉耀林.GPS智能車輛監(jiān)控信息服務(wù)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)J.微計(jì)算機(jī)信息.2008,3-1:151-152.4 劉美生.全球定位系統(tǒng)及其應(yīng)用綜述J.中國測(cè)試技術(shù). 2006,Vol.32(05.5 周建鄭. GPS測(cè)量定位技術(shù)M

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