基于ARM的紅外激光測(cè)速與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、68傳感器與微系統(tǒng)（Transducer and Microsystem Technologies ）2011年第30卷第6期基于ARM 的紅外激光測(cè)速與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)張海艇，馮桂蘭，田維堅(jiān)（中國(guó)計(jì)量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江杭州310018）要：針對(duì)目前車輛測(cè)速誤判率較高，精度較低的現(xiàn)狀，提出一種基于ARM 的紅外激光測(cè)速與以太網(wǎng)TDC _GP2作為測(cè)速芯片，利用以太網(wǎng)控制芯片傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了LPC2103作為主處理器，摘ENC28J60實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與PC 機(jī)的連接，完成數(shù)據(jù)采集與傳輸功能。系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)量車速，并能快速可靠地傳輸數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：AR

2、M ；紅外激光測(cè)速；數(shù)據(jù)傳輸；TCP /IP中圖分類號(hào)：TP 3931文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10009787（2011）06006803Design of infrared laser velocimetry and datatransmission system based on ARMZHANG Hai-ting ，F(xiàn)ENG Gui-lan ，TIAN Wei-jian（School of Optical and Electronic Technology ，China Institute of Metrogy ，Hangzhou 310018，China ）Abstract ：Aime

3、d at the condition that the velocimetry has high rate misjudgment and low precisionAn infrared laser velocimetry and ethernet transmission system is proposedThe system is based on ARMLPC2103is adopted as the main processor of the systemTDC _GP2is adopted as the velocimetry chipIn order to complete d

4、ata transmission ，the ethernet controller chip ENC28J60is adopted to accomplish the link between system and PCSimulation experiment show that the system can complete data transmission reliably and quickly with the standard ethernetKey words ：ARM ；infrared laser velocimetry ；data transmission ；TCP /I

5、P引言目前，國(guó)內(nèi)各交管系統(tǒng)測(cè)速主要采用的方法有：雷達(dá)測(cè)速、地感線圈測(cè)速和激光測(cè)速。相比雷達(dá)測(cè)速與地感線圈測(cè)速，激光測(cè)速誤判率更低、測(cè)速精度更高。激光測(cè)速主要有相位法和脈沖法，由于相位法所需電路更為復(fù)雜，成本更高，因此，目前脈沖法更為普遍。本文介紹了一種基于ARM 的紅外激光測(cè)速與以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用GB 724712001規(guī)定對(duì)人眼最為安全的I 類激光1圖1Fig 1系統(tǒng)總體框圖Overall structure block diagram of system：905nm 激光，作為測(cè)速用激光；采用專用12系統(tǒng)工作原理激光器射出的激光經(jīng)分束鏡后，一部分經(jīng)擴(kuò)束后射向測(cè)速芯片TDC _GP2進(jìn)

6、行測(cè)速，最終通過(guò)由LPC2103與ENC28J60構(gòu)成的以太網(wǎng)上傳到PC 終端。1總體方案設(shè)計(jì)一小部分經(jīng)分束鏡反射后進(jìn)入信號(hào)采集系統(tǒng)，信號(hào)采物體，集處理系統(tǒng)將此時(shí)刻記為T A 1，并開(kāi)始計(jì)時(shí)；出射激光遇到部分漫反射激光通過(guò)透鏡匯聚，進(jìn)入系統(tǒng)，同時(shí)停車輛后，并將此時(shí)刻記為T A 2。此時(shí)可測(cè)得與車輛之間的距止計(jì)時(shí)，離D 1為D 1=（T A 2T A 1）c /2，（1）11系統(tǒng)總體架構(gòu)系統(tǒng)主要由光學(xué)部分和電路部分組成。電路部分又可分為信號(hào)采集處理與以太網(wǎng)傳輸，總體架構(gòu)如圖1所示。收稿日期：20101017第6期式中c 為光速。張海艇，等：基于ARM 的紅外激光測(cè)速與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)69所以，選

7、用雪崩光電二極管（APD ）作為光電轉(zhuǎn)換元件，弱，既實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，又實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的放大。APD 需要較高的因此，需加一高壓模塊反向偏壓才能正常工作，（2）3T A 42個(gè)時(shí)刻，同理，再記錄T A 3，可得D 2。因此，在這段時(shí)間內(nèi)車輛的速度為v =（D 2D 1）/（T A 4T A 2）端22。信號(hào)放大芯片選用具有寬帶寬、低相位失真、增益穩(wěn)定的A733。由于信號(hào)放大的同時(shí)會(huì)將背景噪聲同時(shí)放大，因此，其后需接一比較電路，以實(shí)現(xiàn)背景噪聲信號(hào)的濾除。本系統(tǒng)選用高速（10ns 傳輸延時(shí)）、低功耗的MAX913。2）計(jì)時(shí)與驅(qū)動(dòng)4計(jì)時(shí)選用德國(guó)ACAM 公司的TDC_GP2高精度時(shí)間此數(shù)據(jù)通過(guò)處理后，最后通

8、過(guò)以太網(wǎng)將其傳至PC 終。電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)21電路系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)ARM 模塊、系統(tǒng)硬件主要分為光電轉(zhuǎn)換、處理模塊、以太網(wǎng)接口模塊，其電路系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架如圖2所示。自帶SPI 接口，可與微機(jī)直接通信。該芯片間隔測(cè)量芯片，自身有2種測(cè)量范圍，本系統(tǒng)選用測(cè)量范圍為0ps 18s ，間隔脈沖對(duì)分辨能力為15ns 。驅(qū)動(dòng)選用SCT89LE52微機(jī)，其全面兼容傳統(tǒng)51單片機(jī)，并具有更強(qiáng)處理能力。為其設(shè)計(jì)的串口，不僅可用于程同時(shí)可起到校驗(yàn)以太網(wǎng)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性的作用。序下載，圖2Fig 2基于ARM 的紅外激光測(cè)速與傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖3）ARM 與以太網(wǎng)接口ARM 選用PHLIPS 公司的LPC21035，實(shí)現(xiàn)最小

9、ARM 系統(tǒng)。選用ENC28J60作為以太網(wǎng)控制器。該以太網(wǎng)控制器僅28個(gè)管腳，能完成數(shù)據(jù)鏈路層（MAC ）和物理層（PHY ）各項(xiàng)功能。其硬件電路連接如圖3所示。Structure block diagram of infrared laser velocimetry and ethernet transmission system based on ARM1）光電轉(zhuǎn)換與放大比較由于經(jīng)車輛漫反射后所得到的激光脈沖信號(hào)十分微圖3Fig 3以太網(wǎng)控制電路Ethernet controller circuit22電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要有兩部分組成：測(cè)速程序設(shè)計(jì)和以太網(wǎng)ENC28J60驅(qū)動(dòng)代碼

10、移植。系統(tǒng)移植了其關(guān)于實(shí)現(xiàn)IP （網(wǎng)TCP （傳輸控制協(xié)議），ARP （地址解析協(xié)議），IC-際協(xié)議），MP （網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議）的部分代碼6。ENC28J60驅(qū)動(dòng)代碼移植了AVRLIB 庫(kù)中的enc28j60c 與enc28j60h 。系統(tǒng)初始化后，等待接收數(shù)據(jù)包，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行判若為空，則繼續(xù)等待下一個(gè)斷。首先判斷數(shù)據(jù)包是否為空，數(shù)據(jù)包。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)包不為空時(shí)，讀入以太網(wǎng)數(shù)據(jù)頭，根據(jù)字段類型判斷該幀類型。若為ARP 請(qǐng)求幀，則做出相應(yīng)應(yīng)答；若為IP 請(qǐng)求幀，則根據(jù)其協(xié)議字段內(nèi)容轉(zhuǎn)入相應(yīng)程序設(shè)計(jì)。將觸發(fā)TDC_GP2開(kāi)始計(jì)數(shù)的信號(hào)記作開(kāi)始信號(hào)，將觸發(fā)芯片停止計(jì)數(shù)的信號(hào)記作停止信號(hào)。

11、此時(shí)TDC_GP2記并控制下一次測(cè)量，測(cè)量n （n =下時(shí)間間隔數(shù)值存入微機(jī)，10）次后退出。最后將這n 個(gè)量取平均值，得到平均時(shí)間間進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)速度值，送至以太網(wǎng)傳輸模塊。隔，以太網(wǎng)程序設(shè)計(jì)最主要的部分是TCP /IP協(xié)議移植與70傳感器與微系統(tǒng)第30卷TCP 與ICMP 響應(yīng)程序7。其軟件流程圖如圖4所示。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論，以所測(cè)量的算術(shù)平均值的極限誤差來(lái)表示系統(tǒng)誤差珋= lim x 式中3，8，即（3）n 為測(cè)量次數(shù)，為所測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差最大的一項(xiàng)，0000346s ，這兩組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分別為0000076，因此，取后者。代入公式后，得到其系統(tǒng)誤差為 0464ns

12、 。因此，可保證速度測(cè)量精度在1km /h以內(nèi)。通過(guò)比較單片機(jī)液晶顯示值與以太網(wǎng)網(wǎng)頁(yè)顯示值，可得知以太網(wǎng)具有較高的傳輸正確率，已實(shí)現(xiàn)可靠連接。4結(jié)束語(yǔ)設(shè)計(jì)了一種基于ARM 紅外激光測(cè)速與以太網(wǎng)傳輸系實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，能與PC 終端統(tǒng)，建立有效的以太網(wǎng)連接傳輸數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā)，朝著測(cè)速抓拍與傳輸一體化方向進(jìn)一步發(fā)圖4Fig 4程序流程圖Flow chart of program展。參考文獻(xiàn)：1GB 724712001，激光產(chǎn)品的安全第1部分：設(shè)備分類、要求和用戶指南S 2霍玉晶，陳千頌，潘志文脈沖激光雷達(dá)的時(shí)間間隔測(cè)量綜2001，31（3）：136139述

13、J 激光與紅外，3郭冠軍，中李樹(shù)凱利用雪崩二極管檢測(cè)激光脈沖信號(hào)J 2002，29（6）：541543國(guó)激光，4Park K ，Park JTime-to-digital converter of very high pulse stretc-hing ratio for digital storage oscilloscopes J Review of Scientific 1999，70（2）：15681574Instruments ，5周立功ARM 微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐M 2版北京：北京航2005：534，398402空航天大學(xué)出版社，6Stevens W RTCP /IP協(xié)議詳解卷一：協(xié)

14、議M China-Pub ，2000：15譯北京：機(jī)械工業(yè)出版社，7Axelson J嵌入式Ethernet 和Internet 通信設(shè)計(jì)技術(shù)M 駱麗，張?jiān)缽?qiáng)，歐小龍，譯北京：北京航空航天大學(xué)出版3模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果由于條件和精確參考速度選取困難的限制，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，采用間接測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)測(cè)速精度的計(jì)算。由式（1）、式（2）可知，對(duì)速度的測(cè)量可轉(zhuǎn)換為對(duì)時(shí)間間隔的測(cè)量。模將反射回來(lái)的激光所產(chǎn)生的電信擬實(shí)驗(yàn)加入可控延時(shí)電路，號(hào)分為兩路，一路經(jīng)過(guò)延時(shí)電路，一路不經(jīng)過(guò)延時(shí)電路，兩路信號(hào)分別作TDC_GP2的開(kāi)始計(jì)時(shí)和停止計(jì)時(shí)的信號(hào)，測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。表1Tab 1所測(cè)時(shí)間間隔與已知延時(shí)對(duì)照表know

15、n time delay已知延時(shí)時(shí)間（s ）測(cè)試時(shí)間（s ）單片機(jī)液晶024884002489930248024899302490540248901037350503741760374037381003745120374176以太網(wǎng)網(wǎng)頁(yè)0248840024899302489930249054024890103735050374176037381003745120374176Contrast sheet of measured time interval and2006：141143社，8費(fèi)業(yè)泰現(xiàn)代誤差理論及其基本問(wèn)題J 宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，1996（Z1）：25作者簡(jiǎn)介：張海艇（1985），男，浙江

16、嘉興人，碩士研究生，研究方向?yàn)镃CD 信號(hào)處理與傳輸。檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸（上接第64頁(yè)）4張遜頔基于VxWorks 的VDR 人聲識(shí)別技術(shù)的改進(jìn)研究D 2006哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，5胡海清說(shuō)話人識(shí)別算法研究及其實(shí)現(xiàn)D 廣州：廣東江門2006五邑大學(xué)，6Gokhun T S ，Hamza OVoice activity detection in non-stationarynoise J IEEE Transactions on Speech and Audio Processing ，2000，8（4）：49507Reynolds D AAn overview of automatic speaker recognition tech-nology C Proc of the International Conference on Acoustics ，Speech and Signal Processing （ICASSP ），20028Reynolds D A ，Rose R CRobust text-independent speaker iden-J IEE