信標組裁判系統原理與實(shí)現

　圖中R1是為了積分電路穩定而并聯(lián)在積分電容C₁兩端的;C₄是為了消除運放失調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(diǎn)。

　　忽略C₂和C₃的作用，令R₀=R₂+R₃，電路的傳遞函數為：

(3)

　　代入電路參數，系統的Bode圖如圖6所示。

　　可以看出電路實(shí)際上為帶通放大電路，上下截止頻率分別為1.6Hz和16Hz。車(chē)?？焖俸吐僭竭^(guò)檢測線(xiàn)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。

2.2 數據濾波

　　環(huán)境中50Hz的工頻干擾信號雖然沒(méi)有落在放大電路的通帶范圍內，但放大信號中仍然包含著(zhù)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(cháng)度為20ms的采集數據的平均值來(lái)抑制50Hz干擾信號，使用軟件實(shí)現平滑濾波。采集數據頻率為1000Hz，平滑濾波窗口長(cháng)度為20，對應50Hz周期時(shí)間長(cháng)度。圖7顯示了采集數據濾波前后的波形，濾波效果明顯。

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

2.3 測試結果

　　通過(guò)實(shí)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(guò)檢測線(xiàn)圈的檢測效果。第一個(gè)實(shí)驗使用一個(gè)直線(xiàn)滑軌帶動(dòng)一個(gè)永磁鐵運動(dòng)，永磁鐵距離地面1.5cm，分別以1m/s至0.2m/s的直線(xiàn)速度越過(guò)檢測線(xiàn)圈邊界，測量數據經(jīng)過(guò)濾波后波形如圖8所示。

　　結果顯示檢測信號強度隨著(zhù)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(gè)最低速度下限，低于該速度則無(wú)法可靠檢測。通過(guò)圖8可以推論，該速度下限低于0.1m/s。這個(gè)限制遠低于比賽現場(chǎng)車(chē)模運行速度。

　　第二個(gè)實(shí)驗使標記磁鐵以相同的速度(1m/s)，距離地面不同高度通過(guò)檢測線(xiàn)圈。測量數據如圖9所示。

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

3 信標枚舉

　　使用串聯(lián)方法對信標進(jìn)行供電和控制，使得現場(chǎng)布線(xiàn)比較容易，而且布置信標數量靈活。為了實(shí)現信標按照比賽順序依次點(diǎn)亮，需要確定每個(gè)信標的訪(fǎng)問(wèn)地址。按照信標串聯(lián)的順序，利用自動(dòng)枚舉的方法可以省略獨立設置信標地址的麻煩。

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

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

　　反饋線(xiàn)平時(shí)由內部上拉電阻置成高電平。相鄰兩個(gè)模塊之間的反饋線(xiàn)實(shí)際上是通過(guò)線(xiàn)與的關(guān)系連接在一起。通過(guò)軟件控制，使得模塊兩個(gè)端口之間的反饋線(xiàn)形成虛擬的兩種模式：一是斷開(kāi)模式，該模式用于枚舉過(guò)程;二是連接模式，每當檢測到一個(gè)端口中反饋線(xiàn)被相鄰模塊拉低，則將另外一個(gè)端口中的反饋線(xiàn)也置低。該模式用于正常工作狀態(tài)，此時(shí)整條反饋線(xiàn)形成虛擬的一條連接總線(xiàn)。

　　系統枚舉過(guò)程是通過(guò)接口模塊開(kāi)展的，過(guò)程如下：

　　(1)接口模塊向總線(xiàn)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(xiàn)置于斷開(kāi)模式，模塊端口中的反饋線(xiàn)都是高電平;

　　(2)接口模塊將反饋總線(xiàn)置低;

　　(3)接口模塊發(fā)送設置地址命令，地址編碼從1開(kāi)始。發(fā)送完畢后將反饋總線(xiàn)釋放，并檢測反饋總線(xiàn)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(méi)有檢測到反饋信號，則枚舉過(guò)程結束。

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

　　信標枚舉過(guò)程中命令線(xiàn)和反饋線(xiàn)的波形如圖12所示。

　　枚舉之后，總線(xiàn)接口模塊檢查了信標的總數，設置了每個(gè)信標地址。借助于枚舉過(guò)程，現場(chǎng)的信標可以比較靈活地進(jìn)行更換和增減。

4 系統工作模式

4.1 手工工作模式

　　在該模式下，通過(guò)總線(xiàn)接口板上的兩個(gè)按鈕和LCD顯示屏來(lái)控制系統的枚舉過(guò)程、順序點(diǎn)亮比賽、隨機點(diǎn)亮比賽以及進(jìn)行系統參數的設置等。

　　系統參數包括線(xiàn)圈檢測閾值、信標切換時(shí)間死區、最大比賽時(shí)間等。使得系統能夠適應現場(chǎng)不同的電磁環(huán)境。

4.2 聯(lián)機工作模式

　　總線(xiàn)接口板通過(guò)USB接口與計算機相連接。通過(guò)定義好的一組控制命令，上位機中比賽系統軟件可以靈活地設置比賽中信標點(diǎn)亮順序和次數，讀取比賽進(jìn)程時(shí)間，并設置系統參數。

　　通過(guò)實(shí)際的系統集成和測試，驗證上述系統在不同環(huán)境下，兩種工作模式都能夠穩定運行。

5 結論

　　信標組給智能車(chē)比賽內容的創(chuàng )新帶來(lái)了更多的可能，但相應的比賽系統復雜度增加了。本文介紹的裁判系統原理相對簡(jiǎn)單，實(shí)施方便。感應線(xiàn)圈檢測和信標枚舉兩個(gè)技術(shù)的應用提高了信標組裁判系統的檢測性能和部署的靈活性。感應線(xiàn)圈的原理也可以應用于常規賽道比賽的計時(shí)系統。

參考文獻:

　　[1]競賽組委會(huì ),第十一屆全國大學(xué)生智能汽車(chē)競賽競賽比賽規則,2015,11.

　　[2]競賽組委會(huì ),第十一屆全國大學(xué)生智能汽車(chē)競賽競賽通知,2015,11.

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