信標組裁判系統(tǒng)原理與實現(xiàn)

　圖中R1是為了積分電路穩(wěn)定而并聯(lián)在積分電容C₁兩端的;C₄是為了消除運放失調(diào)電壓而設置的隔直電容;R₄、R₅、C₂和C₃是用于抑制外部射頻信號對運放的干擾;R₂和R₃所在的分壓電路用于建立單電源運放的工作點。

　　忽略C₂和C₃的作用，令R₀=R₂+R₃，電路的傳遞函數(shù)為：

(3)

　　代入電路參數(shù)，系統(tǒng)的Bode圖如圖6所示。

　　可以看出電路實際上為帶通放大電路，上下截止頻率分別為1.6Hz和16Hz。車?？焖俸吐僭竭^檢測線產(chǎn)生的電磁感應信號的頻譜范圍大都落在上述放大電路通帶范圍內(nèi)。

2.2 數(shù)據(jù)濾波

　　環(huán)境中50Hz的工頻干擾信號雖然沒有落在放大電路的通帶范圍內(nèi)，但放大信號中仍然包含著較強的50Hz的干擾信號。由于該噪聲信號頻率固定，所以采用長度為20ms的采集數(shù)據(jù)的平均值來抑制50Hz干擾信號，使用軟件實現(xiàn)平滑濾波。采集數(shù)據(jù)頻率為1000Hz，平滑濾波窗口長度為20，對應50Hz周期時間長度。圖7顯示了采集數(shù)據(jù)濾波前后的波形，濾波效果明顯。

　　當標記磁鐵經(jīng)過檢測線圈時，放大電路產(chǎn)生的信號波動非常明顯，可以準確反映標記磁鐵是否經(jīng)過檢測線。經(jīng)過濾波可以降低信號波動檢測閾值，提高系統(tǒng)檢測靈敏度。

2.3 測試結果

　　通過實驗可以測試該方案對于不同速度和不同高度的標記磁鐵經(jīng)過檢測線圈的檢測效果。第一個實驗使用一個直線滑軌帶動一個永磁鐵運動，永磁鐵距離地面1.5cm，分別以1m/s至0.2m/s的直線速度越過檢測線圈邊界，測量數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波后波形如圖8所示。

　　結果顯示檢測信號強度隨著速度的減小而降低。因此運行速度越高，該檢測方法效果越好。但是有一個最低速度下限，低于該速度則無法可靠檢測。通過圖8可以推論，該速度下限低于0.1m/s。這個限制遠低于比賽現(xiàn)場車模運行速度。

　　第二個實驗使標記磁鐵以相同的速度(1m/s)，距離地面不同高度通過檢測線圈。測量數(shù)據(jù)如圖9所示。

　　磁鐵距離地面越高，檢測信號幅度越小。在比賽時，規(guī)則要求標記磁鐵距離地面不超過2cm。

3 信標枚舉

　　使用串聯(lián)方法對信標進行供電和控制，使得現(xiàn)場布線比較容易，而且布置信標數(shù)量靈活。為了實現(xiàn)信標按照比賽順序依次點亮，需要確定每個信標的訪問地址。按照信標串聯(lián)的順序，利用自動枚舉的方法可以省略獨立設置信標地址的麻煩。

　　實現(xiàn)枚舉過程依靠獨特的串行總線?？偩€的構成包括四條線，它們分別是電源線(VCC)、地線(GND)、命令線(CMD)和反饋線(FB)。每個模塊都具有兩個相同的端口，反饋線由一個端口連入，從另一個端口連出。如圖10所示。

　　反饋線作用有三個：一是發(fā)出10ms寬的低脈沖命令響應信號;二是通過拉低反饋線指示車模越過檢測線;三是用于模塊枚舉過程。模塊內(nèi)部的反饋線接口電路如圖11所示。

　　反饋線平時由內(nèi)部上拉電阻置成高電平。相鄰兩個模塊之間的反饋線實際上是通過線與的關系連接在一起。通過軟件控制，使得模塊兩個端口之間的反饋線形成虛擬的兩種模式：一是斷開模式，該模式用于枚舉過程;二是連接模式，每當檢測到一個端口中反饋線被相鄰模塊拉低，則將另外一個端口中的反饋線也置低。該模式用于正常工作狀態(tài)，此時整條反饋線形成虛擬的一條連接總線。

　　系統(tǒng)枚舉過程是通過接口模塊開展的，過程如下：

　　(1)接口模塊向總線上所有信標模塊發(fā)送枚舉指令，接收到枚舉指令后，所有模塊將反饋線置于斷開模式，模塊端口中的反饋線都是高電平;

　　(2)接口模塊將反饋總線置低;

　　(3)接口模塊發(fā)送設置地址命令，地址編碼從1開始。發(fā)送完畢后將反饋總線釋放，并檢測反饋總線是否有低電平反饋信號。

　　如果有反饋信號則重復(2)和(3)兩步，地址編碼每次遞增1。如果沒有檢測到反饋信號，則枚舉過程結束。

　　在此過程中，每個信標模塊接收到地址設置命令后，判斷它的兩個總線接口中的反饋線的狀態(tài)是否一致。如果反饋線狀態(tài)不一致，則將本身地址設置成命令中的地址，同時發(fā)送10ms低電平進行反饋，此后將模塊的反饋總線設置成連接模式。

　　信標枚舉過程中命令線和反饋線的波形如圖12所示。

　　枚舉之后，總線接口模塊檢查了信標的總數(shù)，設置了每個信標地址。借助于枚舉過程，現(xiàn)場的信標可以比較靈活地進行更換和增減。

4 系統(tǒng)工作模式

4.1 手工工作模式

　　在該模式下，通過總線接口板上的兩個按鈕和LCD顯示屏來控制系統(tǒng)的枚舉過程、順序點亮比賽、隨機點亮比賽以及進行系統(tǒng)參數(shù)的設置等。

　　系統(tǒng)參數(shù)包括線圈檢測閾值、信標切換時間死區(qū)、最大比賽時間等。使得系統(tǒng)能夠適應現(xiàn)場不同的電磁環(huán)境。

4.2 聯(lián)機工作模式

　　總線接口板通過USB接口與計算機相連接。通過定義好的一組控制命令，上位機中比賽系統(tǒng)軟件可以靈活地設置比賽中信標點亮順序和次數(shù)，讀取比賽進程時間，并設置系統(tǒng)參數(shù)。

　　通過實際的系統(tǒng)集成和測試，驗證上述系統(tǒng)在不同環(huán)境下，兩種工作模式都能夠穩(wěn)定運行。

5 結論

　　信標組給智能車比賽內(nèi)容的創(chuàng)新帶來了更多的可能，但相應的比賽系統(tǒng)復雜度增加了。本文介紹的裁判系統(tǒng)原理相對簡單，實施方便。感應線圈檢測和信標枚舉兩個技術的應用提高了信標組裁判系統(tǒng)的檢測性能和部署的靈活性。感應線圈的原理也可以應用于常規(guī)賽道比賽的計時系統(tǒng)。

參考文獻:

　　[1]競賽組委會,第十一屆全國大學生智能汽車競賽競賽比賽規(guī)則,2015,11.

　　[2]競賽組委會,第十一屆全國大學生智能汽車競賽競賽通知,2015,11.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第44頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。