基于鎖相環(huán)技術(shù)的高靈敏車輛探測
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在十字路口處，為了避免交通阻塞，保證交通安全，規(guī)定交通車輛必須按道行駛而不得越道。因此，必須采用相應(yīng)的感測裝置，監(jiān)控車輛的違規(guī)越道行為。目前，對闖紅燈行為的記錄處理大多是依靠在等待線下安裝相應(yīng)的感測裝置，當有車經(jīng)過時，即刻發(fā)出特定信號，系統(tǒng)根據(jù)該信號進行判斷處理，再通過路口攝像頭對違章車輛進行拍照記錄。也可采用類似方法探測車輛越道行為，即利用埋入地下的感測裝置。但由于感測裝置的大小和形狀受分道行駛標記線寬度的限制，為了有效探測車輛越道行駛行為，對測量靈敏度提出更高要求。現(xiàn)行方案一般采用單片機測量頻率，其靈敏度低，抗干擾能力差，這是因為單片機測量頻率在一定時間t內(nèi)統(tǒng)計脈沖信號數(shù)，根據(jù)脈沖數(shù)的變化反映頻率變化。假設(shè)傳感振蕩電路的頻率為100 kHz(該值已接近實際應(yīng)用極限，若再增大振蕩頻率，將會向外發(fā)射能量，對周圍產(chǎn)生電磁干擾)，如果統(tǒng)計時間t=l ms，則可記錄100個脈沖，此時靈敏度的最大理論值能達到1％，但實際上除去不穩(wěn)定因素的影響，靈敏度不可能太高；如果統(tǒng)計時間延長到10 ms，則靈敏度的最大理論值能達到0．1％，這樣不僅影響反映速度，而且實際值也照樣打折扣，所以靈敏度仍不能達到實際應(yīng)用要求。
雖然使用單片機探測車輛也曾有過一些改進方案，但都很難從根本上提高探測靈敏度。為此，提出一種利用鎖相環(huán)技術(shù)提高感測裝置靈敏度及抗干擾能力的設(shè)計方案。實驗證明，該設(shè)計方案能夠達到實際應(yīng)用要求。
2 鎖相環(huán)原理
“鎖相”就是相位同步的自動控制。能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)。鎖相環(huán)廣泛應(yīng)用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。
鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop，簡稱PLL)主要是由鑒相器(Phase Detector，簡稱PD)、壓控振蕩器(Voltage ControlledOsillator簡稱VCO)、環(huán)路濾波器(Loop Filter，簡稱LF)3部分組成。PD為相位比較裝置，用于比較輸入信號Ui(t)與VCO的輸出信號Uo(t)的相位，產(chǎn)生對應(yīng)于兩個相位差信號的誤差電壓Ue(t)。LF用于濾除Ue(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受控制電壓Ud(t)的控制，用于將LF的頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定。
PLL的工作原理是：比較Ui(t)與Uo(t)之間的相位差，產(chǎn)生Ue(t)調(diào)整VCO的頻率，以達到與Ui(t)同頻。在環(huán)路開始工作時，如果輸入信號頻率fi與壓控振蕩器頻率fVCO不同，則因fi與fVCO之間存在固有頻率差，而使相位差一直變化，導致PD輸出的誤差電壓UPD在一定范圍內(nèi)變化。在該誤差電壓的控制下，fVCO也發(fā)生變化。若fVCO能夠與fi相等，則在滿足穩(wěn)定性條件下應(yīng)穩(wěn)定在該頻率，穩(wěn)定后，fUi(t)-fUo(t)=0，相位差不隨時間變化，且Ue(t)為固定值，這時環(huán)路就進入鎖定狀態(tài)。
3 系統(tǒng)設(shè)計
利用現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)計傳感電路，用于初步探測車輛。而檢測電路把傳感電路的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯语@示或測量的電信號，以便系統(tǒng)進一步處理。這部分設(shè)計采用鎖相環(huán)技術(shù)實現(xiàn)。
3．1 傳感電路
圖1給出正弦波振蕩電路。它為電容三點式電路，也即考畢茲振蕩電路。傳感電路用于感應(yīng)出金屬物體的存在。設(shè)計中采用已實際應(yīng)用的渦流傳感方法，將埋入地下的探測線圈直接接入正弦振蕩電路，即振蕩電路輸出的頻率帶有傳感信號。
圖1電路中：Rbl=Rb2=62 kΩ；Rc=1 kΩ；Re=2．2 kΩ；Ce=Cb=10μF；C1=C2=0．1μF；L為電感線圈，此時晶體管VT1為共射放大組態(tài)，工作在放大狀態(tài)。
系統(tǒng)正常狀態(tài)下即無車經(jīng)過時，傳感振蕩電路的輸出信號us(t)為頻率保持不變(f=f0)的正弦波。當有車經(jīng)過時，us(t)的頻率變大，即f=f'，其頻率差為△f=f'-f0，范圍大概在幾百赫茲到幾千赫茲。該電路的振蕩頻率f為：
由式(1)可見，f與電路中電感L、電容C1，C2有關(guān)(C1，C2為固定值)，所以f為L的單值函數(shù)，當L發(fā)生變化時，該振蕩電路的振蕩頻率也發(fā)生反方向變化。把地線圈作為L，直接連接到電路中，通過檢測電路振蕩頻率的變化來反映L的變化，從而實現(xiàn)對金屬物體的探測。
設(shè)正常狀態(tài)下即無車經(jīng)過時的輸出信號頻率為f0，有車經(jīng)過時的振蕩頻率為f’，則易獲知：f’>f0。由于f’不易通過固定公式直接計算，而只能通過實驗法大概估算，而且實際應(yīng)用中無需知道f’的具體數(shù)值，只需估計△f=f’-f0的范圍即可。
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