信標(biāo)組裁判系統(tǒng)原理與實(shí)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(yùn)放失調(diào)電壓而設(shè)置的隔直電容;R₄、R₅、C₂和C₃是用于抑制外部射頻信號(hào)對(duì)運(yùn)放的干擾;R₂和R₃所在的分壓電路用于建立單電源運(yùn)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(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(shí)際上為帶通放大電路，上下截止頻率分別為1.6Hz和16Hz。車模快速和慢速越過檢測(cè)線產(chǎn)生的電磁感應(yīng)信號(hào)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(hào)雖然沒有落在放大電路的通帶范圍內(nèi)，但放大信號(hào)中仍然包含著較強(qiáng)的50Hz的干擾信號(hào)。由于該噪聲信號(hào)頻率固定，所以采用長(zhǎng)度為20ms的采集數(shù)據(jù)的平均值來抑制50Hz干擾信號(hào)，使用軟件實(shí)現(xiàn)平滑濾波。采集數(shù)據(jù)頻率為1000Hz，平滑濾波窗口長(zhǎng)度為20，對(duì)應(yīng)50Hz周期時(shí)間長(zhǎng)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(dāng)標(biāo)記磁鐵經(jīng)過檢測(cè)線圈時(shí)，放大電路產(chǎn)生的信號(hào)波動(dòng)非常明顯，可以準(zhǔn)確反映標(biāo)記磁鐵是否經(jīng)過檢測(cè)線。經(jīng)過濾波可以降低信號(hào)波動(dòng)檢測(cè)閾值，提高系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度。

2.3 測(cè)試結(jié)果

　　通過實(shí)驗(yàn)可以測(cè)試該方案對(duì)于不同速度和不同高度的標(biāo)記磁鐵經(jīng)過檢測(cè)線圈的檢測(cè)效果。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)直線滑軌帶動(dòng)一個(gè)永磁鐵運(yùn)動(dòng)，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(cè)線圈邊界，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波后波形如圖8所示。

　　結(jié)果顯示檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度隨著速度的減小而降低。因此運(yùn)行速度越高，該檢測(cè)方法效果越好。但是有一個(gè)最低速度下限，低于該速度則無法可靠檢測(cè)。通過圖8可以推論，該速度下限低于0.1m/s。這個(gè)限制遠(yuǎn)低于比賽現(xiàn)場(chǎng)車模運(yùn)行速度。

　　第二個(gè)實(shí)驗(yàn)使標(biāo)記磁鐵以相同的速度(1m/s)，距離地面不同高度通過檢測(cè)線圈。測(cè)量數(shù)據(jù)如圖9所示。

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

3 信標(biāo)枚舉

　　使用串聯(lián)方法對(duì)信標(biāo)進(jìn)行供電和控制，使得現(xiàn)場(chǎng)布線比較容易，而且布置信標(biāo)數(shù)量靈活。為了實(shí)現(xiàn)信標(biāo)按照比賽順序依次點(diǎn)亮，需要確定每個(gè)信標(biāo)的訪問地址。按照信標(biāo)串聯(lián)的順序，利用自動(dòng)枚舉的方法可以省略獨(dú)立設(shè)置信標(biāo)地址的麻煩。

　　實(shí)現(xiàn)枚舉過程依靠獨(dú)特的串行總線?？偩€的構(gòu)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(gè)模塊都具有兩個(gè)相同的端口，反饋線由一個(gè)端口連入，從另一個(gè)端口連出。如圖10所示。

　　反饋線作用有三個(gè)：一是發(fā)出10ms寬的低脈沖命令響應(yīng)信號(hào);二是通過拉低反饋線指示車模越過檢測(cè)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(shí)由內(nèi)部上拉電阻置成高電平。相鄰兩個(gè)模塊之間的反饋線實(shí)際上是通過線與的關(guān)系連接在一起。通過軟件控制，使得模塊兩個(gè)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(dāng)檢測(cè)到一個(gè)端口中反饋線被相鄰模塊拉低，則將另外一個(gè)端口中的反饋線也置低。該模式用于正常工作狀態(tài)，此時(shí)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(biāo)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(shè)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(cè)反饋總線是否有低電平反饋信號(hào)。

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

　　在此過程中，每個(gè)信標(biāo)模塊接收到地址設(shè)置命令后，判斷它的兩個(gè)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(shè)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設(shè)置成連接模式。

　　信標(biāo)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(biāo)的總數(shù)，設(shè)置了每個(gè)信標(biāo)地址。借助于枚舉過程，現(xiàn)場(chǎng)的信標(biāo)可以比較靈活地進(jìn)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(gè)按鈕和LCD顯示屏來控制系統(tǒng)的枚舉過程、順序點(diǎn)亮比賽、隨機(jī)點(diǎn)亮比賽以及進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等。

　　系統(tǒng)參數(shù)包括線圈檢測(cè)閾值、信標(biāo)切換時(shí)間死區(qū)、最大比賽時(shí)間等。使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)不同的電磁環(huán)境。

4.2 聯(lián)機(jī)工作模式

　　總線接口板通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連接。通過定義好的一組控制命令，上位機(jī)中比賽系統(tǒng)軟件可以靈活地設(shè)置比賽中信標(biāo)點(diǎn)亮順序和次數(shù)，讀取比賽進(jìn)程時(shí)間，并設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。

　　通過實(shí)際的系統(tǒng)集成和測(cè)試，驗(yàn)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(yùn)行。

5 結(jié)論

　　信標(biāo)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(yīng)的比賽系統(tǒng)復(fù)雜度增加了。本文介紹的裁判系統(tǒng)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便。感應(yīng)線圈檢測(cè)和信標(biāo)枚舉兩個(gè)技術(shù)的應(yīng)用提高了信標(biāo)組裁判系統(tǒng)的檢測(cè)性能和部署的靈活性。感應(yīng)線圈的原理也可以應(yīng)用于常規(guī)賽道比賽的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn):

　　[1]競(jìng)賽組委會(huì),第十一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽競(jìng)賽比賽規(guī)則,2015,11.

　　[2]競(jìng)賽組委會(huì),第十一屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽競(jìng)賽通知,2015,11.

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