線陣CCD用于汽車制動性能檢測的研究

周加超

ZHOU Jia-chao

（鹽城師范學院 物理科學與電子技術學院，鹽城 224002）

線陣CCD用于汽車制動性能檢測的研究

Study of using linear CCD to detection the vehicle braking system

周加超

ZHOU Jia-chao

（鹽城師范學院 物理科學與電子技術學院，鹽城 224002）

介紹一種運用光電耦合技術檢測汽車制動性能的系統。安裝在車體中部光學掃描成像系統將路面前后相隔微小距離的影像分別投射到線陣CCD以中心為界的兩部分線陣上，在汽車行駛中，同一路面則在CCD的左右兩邊線陣上先后成像。此像素經A/D轉換送到CPLD進行處理，通過比較、檢索兩者中的特征點（前者記錄特征點，后者比較、檢索)，根據制動所經歷時間和像元的偏移數即可計算出汽車運動速度和側偏距離，進而得出該汽車制動性能。

線陣CCD；汽車制動性能；光學掃描

0 引言

檢測汽車制動性能的方法主要有臺試法和路試法。臺試法機動性差，且有測試值與實際值相差較大的現象；路試法目前主要儀器為五輪儀及慣性式減速度計。近代的第五車輪采用電磁感應傳感器與數字顯示裝置，能精確測出起始車速、制動距離、制動時間，但價格昂貴、操作復雜，目前多用于專業汽車制造廠。

CCD傳感器具備光譜響應寬、動態范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、體小質輕、低功耗、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強、堅固耐用、壽命長、圖像畸變小、無殘像、便于進行數字化處理和與計算機連接、可高速成像以滿足對高速運動物體的拍攝等優點，在圖像采集、非接觸測量和實時監控方面得到了廣泛應用[1]。本文以高速線陣CCD作為傳感器，研究汽車制動性能檢測系統。

1 汽車制動性能檢測系統設計原理

1.1 汽車制動性能檢測系統組成框圖

系統框圖如圖1所示。汽車制動性能檢測要求：汽車在規定初速度下剎車，其制動距離和制動穩定性應符合相應國標要求[2]。因此系統由車速檢測、制動力檢測和MCU綜合處理三個模塊組成。其中車速檢測為系統核心。

1.2 車速檢測原理

車速測算原理如圖2所示。CCD的線陣方向與

圖1 系統組成框圖

汽車前向垂直固定安裝。檢測時，線陣CCD始終向A/D轉換器輸出被掃描對象表面視頻圖像信號。A/D轉換器采集轉換CCD_1的8線中點數據（線數多少可根據實際測量情況增減），隨后在CCD_2輸出的視頻信號中依次比較查找，一旦找到相符的特征點，說明汽車已移位了已知距離，檢索成功。根據檢索時間和偏移的象元數可計算出車速和側偏角。

圖2 汽車運動速度計算原理

實際操作中，CCD的線陣方向與汽車前向垂直固定安裝不易做到，通常有一誤差角α（如圖2所示）。其檢測方法為：讓汽車沿直線運動，重復上述的檢測，此時的側偏角即為誤差角α。誤差角α和速度v’的計算公式為：

式中：k為光學系統線陣方向的放大倍率，本設計取100；n為在CCD_2上檢測到的特征點偏移象元數，Sp為像素間距，t為檢索時間。

這樣，在隨后有側偏的測量中，汽車的前進速度v為：

1.3 汽車制動性能主要參數計算

在汽車測試過程中,每完成一次像素檢索計數器hj加1，同時側偏距離累加器計入這次檢索的側偏像素數nk。則制動距離Szd和側偏距離Scp分別為:

充分發出的平均減速度MFDD可通過下列公式計算：

式中：vo為試驗車制動初速度；vb為0.8vo試驗車速；ve為0.1vo試驗車速；Sb為試驗車速從vo到vb的行駛距離；Se為試驗車速從vo到ve的行駛距離。

2 系統硬件設計

2.1 IT-P1-1024 CCD簡介

IT-P1-1024為1024元4口輸出CCD，其像元尺寸為10μm × 10μm，其驅動頻率為25MHz，線掃描速率達87kHz[3]。

4個口像元的具體分布如圖3所示?？梢钥闯觯篊CD分別從OS1、OS2、OS3、OS4 4個輸出口輸出光敏信號，像元按奇偶分成兩行錯位排列，形成100占空比。4口輸出方式的輸出速度相當于在相同驅動時鐘驅動下輸出速度的4倍(相對于單口雙行體制)。這樣就可以用較低的頻率完成高頻才能完成的功能，避免高頻對電路的苛刻要求和節省購買高頻器件的經費。

圖3 CCD像元分布示意圖

2.2 光學掃描成像系統

光學掃描成像系統由線陣CCD、鏡頭組件組成。鏡頭組件中的折射組件可將相同大小、前后垂直相隔10cm的P1、P2區域的影像折射移位后平行拼接，經橢球面透鏡分別投影到線陣CCD_1和CCD_2上。這樣，被CCD_1掃描的地面就可能被CCD_2再次掃描，即成像兩次。為防止互相竄光，需在兩條光路中間加以遮罩隔離。

圖4 光學系統結構圖

2.3 主要元器件選用和工作速度的匹配

設可測車速上限為250km/h（69.4m/s），光學系統縱向分辨值為5mm，則地面花紋信號頻率為13.88kHz。根據采樣頻率大于等于兩倍信號頻率的采樣定理，線陣CCD線掃描速率應為28kHz，若選用4×256個象元，其工作頻率應大于7.2MHz。在實際中，為了保證被測信號的質量，采樣頻率是被測信號最高頻率的3～4倍，在工程上有時取到10倍[4]，本文選用上述4端口輸出IT-P1-1024 CCD，完全滿足該技術要求。

為留有余量，通常A/D轉換器的選取標量頻率為實際工作頻率的兩倍，本設計采用4片美國國家半導體公司生產的8位50MSPS高速A/D轉換器ADC1175-50ILQ，分別轉換來自IT-P1的四路視頻輸出信號。

圖5 汽車制動性能檢測系統軟件流程圖

由于IT-P1的驅動工作頻率要求很高、相位關系復雜，宜用高速CPLD作為CCD的基本時序發生器。本設計使用Lattic公司的ispMACH4000C／B／V系列芯片，該芯片的工作時鐘可以達到400MHz，完全可以滿足此CCD的工作時序要求。

3 系統軟件設計

本系統中，軟件分為兩部分，分別存儲于89C52和EP2C35芯片中，存儲于89C52中的為汽車制動性能參數計算和評判、剎車力檢測、系統調控、通信和顯示等程序；存儲于EP2C35中的為CCD時序信號產生、每秒鐘85點（CCD每掃描1024幀建立一檢測點）車速檢測和按鍵去抖動等程序。

系統軟件分別采用C51和VHDL語言來編寫完成，程序主流程如圖5所示。

4 結束語

本系統可單獨作為一個檢測儀器使用，也可方便地與單片機、DSP、微機等連接，構建復雜檢測控制系統。通過以上介紹也不難看出，線陣CCD用于快速動態測量是一個比較復雜的技術，需要綜合應用光、機、電、算等各種技術。

[1] 王慶有.CCD應用技術[M].天津:天津大學出版社,2000.

[2] GB7258-1997.汽車制動性能測試國家標準.機動車運行安全技術條件[S].

[3] IT-P1-xxxx-B Image Sensors Data Sheet[Z].DALSA Semi conductor.2005.

[4] 李長貴,劉敬海等.線陣CCD用于實時動態測量技術研究[J].光學技術,1999(2):5-8.

TP212.14

A

1009-0134(2010)11(下)-0027-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).10

2010-08-17

江蘇省自然科學基金（BK2008199）； 江蘇省高校自然科學基金資助項目（08KJD140005）

周加超（1970 -），男，江蘇建湖人，講師，碩士，主要從事電子測控等方面研究。