CN103366570B - 交通量数据分析采集仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种交通量数据分析采集仪，包括微波雷达组件和检测主机板，该微波雷达组件由压控振荡器、环形器、混频器和微波天线组成，由压控振荡器产生线性调频连续波的微波频段信号，环形器将压控振荡器端的发射信号从天线发射出去，同时将从天线接收的信号输出到混频器，再经过低通滤波器后，得到频差信号；该检测主机板包括连接于ADC/DAC模块、DSP芯片及外围电路，该ADC/DAC模块负责输出由DSP芯片控制的线性调制信号、接收频差信号到DSP芯片及监控温度和关键点电压，该DSP芯片及外围电路完成控制输出调制三角波信号、接收频差信号、频域分析与目标检测、计算车流量等信息、接触线控制、通信管理的功能。
Description
技术领域
本发明涉及自动检测领域技术，尤其是指一种交通量数据分析采集仪。
背景技术
现有的交通量检测器划分为三大类：磁频车辆检测器、波频车辆检测器和视频车辆检测器。
磁频车辆检测器是基于电磁感应原理的车辆检测器，它有感应线圈检测器、磁性检测器、地磁检测器、微型线圈检测器和磁成像检测器等几种类型。磁频车辆检测器都是通过在路面下埋设绝缘线圈传感器，当车辆驶过，绝缘线圈传感器产生感应电压，从而达到检测目的。但是磁频车辆检测器在实际使用中存在以下缺点：
(1)地面埋设感应线圈的施工量大；(2)路面变更、渠化需重埋线圈；(3)高纬度开冻期和低纬度夏季路面以及路面质量不好的地方对线圈的维护一工作都是巨大的；(4)安装过程对可靠性的寿命影响大；(5)修复或安装都需要中断交通；(6)影响路面寿命；(7)易被重型车辆、路面修理而损坏等。
波频车辆检测器是以微波、超声波和红外线等对车辆发射电磁波而产生感应的检测器。这些检测器具有体积小，易于安装的优点，其缺点是: (1)因外界温度，气流改变而影响性能；(2)在路口这种灰尘极大的恶略环境中，使用寿命非常短，也就几周；(3)无法检测静止车辆。
视频车辆检测器，是以车辆检测技术、摄像机和计算机图像处理技术为基础，大范围地对车辆旌行检测和识别。与传统的交通信息采集技术相比，视频检测技术可提供现场的视频图像，可根据需要移动检测线圈，直观可视，但安装凋试麻烦，造价比较高，容易受恶劣天气、灯光、阴影等环境因素的影响，汽车的动态阴影也会带来干扰，特别是晚上误报率比较高，这也限制了它在许多场合的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种交通量数据分析采集仪，其不但可整齐地收纳和放置多条领带，而且不会占用衣柜空间资料，从而克服现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种交通量数据分析采集仪，包括微波雷达组件和检测主机板，该微波雷达组件由压控振荡器、环形器、混频器和微波天线组成，由压控振荡器产生线性调频连续波的微波频段信号，环形器将压控振荡器端的发射信号从天线发射出去，同时将从天线接收的信号输出到混频器，该混频器对环形器输出的信号和压控振荡器的部分信号进行相乘，再经过低通滤波器后，得到频差信号；该检测主机板包括连接于微波雷达组件的ADC/DAC模块、连接于ADC/DAC模块的DSP芯片及外围电路，该ADC/DAC模块负责输出由DSP芯片控制的线性调制信号、接收频差信号到DSP芯片及监控温度和关键点电压，该DSP芯片及外围电路是微波雷达的核心电路，负责控制输出调制三角波信号、接收频差信号、频域分析与目标检测、计算车流量等信息、接触线控制、通信管理。
优选的，所述DSP芯片及外围电路包括
一DSP芯片，负责数字信号处理；
一EPLD，该EPLD是DSP芯片对外进行控制的主要通道，该EPLD包含以下电路：标准数字调制三角波发生器、ADC数据接收电路、DSP芯片主机端口自动数据传输电路、看门狗及复位管理、DSP芯片存储器空间管理电路、扩展定时器电路；
一FLASH，该FLASH是存放DSP芯片的程序及配置数据的物理介质；
一UART电路，该UART电路是对外通信的主通道；
一复位及看门狗电路，该复位及看门狗电路一方面负责接入手工复位，另外一方面监控DSP芯片的电源电压和软件是否正常，在异常情况下将DSP芯片复位
一电源电路，该电源电路负责将220VAC输入电源转换为电路需要的各种直流电源，包括±9V、 3.3V、1.5V，另外为通信隔离和外部控制提供经过变压器隔离的5V和12V电源。
优选的，所述ADC/DAC模块包括：
一波形调整电路，通过该波形调整电路实现标准三角波变换为斜率可变的调制信号；
一DAC电路，该DAC电路将DSP芯片控制EPLD产生的数字三角波调制信号，变换为模拟信号；
一调制信号滤波放大电路，该调制信号滤波放大电路一方面通过放大电路将调制三角波变换到合适的电压输出，另外通过低通滤波器滤除DAC输出信号的高频分量，提高调制线性度；
一频差信号滤波放大电路，该频差信号滤波放大电路将混频器输出的小信号经过低噪声放大，并通过有源带通滤波器滤除无用的低频和高频信号，输出到DAC电路；
一ADC电路，该ADC电路将频差信号进行ADC变换；
一监控电路，该监控电路一是负责监控在模拟输入输出通道中各关键点的电压值，用来判断DAC，ADC及微波雷达组件是否工作正常；二是负责测量设备的环境温度，提供给DSP芯片用来相应调整与温度有关电路的工作波形和参数。
优选的，所述DSP芯片上有检测功能程序模块，该检测功能程序模块包括DSP芯片数据采集、目标检测、交通信息计算和串行接口发送接收4个部分，主要功能是波形控制、信号分析、目标检测、数据统计、通信管理。
优选的，所述检测功能程序模块的检测算法是对ADC采样的信号进行频谱分析，在频域上进行杂波的消除算法，将有车辆通过时的频谱与无车辆通过的频谱进行频域相干，再根据频谱幅度的位置判断车辆所属车道，分别记录车辆通过的次数。
优选的，所述检测功能程序模块的工作流程是：首先进行系统初始化，对有关寄存器和存储单元进行设置，使系统处于正常工作状态；然后从数据FLASH中读取系统参数；接下来进入DSP芯片软件的核心部分：一个主循环；在主循环中，首先对中频信号进行A/D采样，获得1024个有效数据；然后对数据进行频谱分析，根据频谱判断是否有车通过，如果有车则根据频谱的最大谱线强度对应的频率计算车目标离雷达的距离，进而分析出目标所在的车道；然后进行车流量统计和车道信息发送；然后查询串口接收缓冲区有无上位机发过来的命令帧，若没有的话继续执行主循环；若有，则从串口接收缓冲区中读取命令并执行，然后继续执行主循环。
优选的，所述DSP芯片选用TMS320C54x数字信号处理芯片。
优选的，所述天线发射的波束形状是水平15度、垂直45度的扇形波束，且该在线具备接收增益。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，选用微波雷达作为传感器具有以下优点：(1)低成本，通用化，高可靠性，免维护；(2)性能稳定，全天候工作，不受者如风雨、风雪、冰雹、昼夜等种种种自然变化影响；(3)侧向可同时检测多车道，正向方式直接检测速度；(4)安装和移动容易，快速安装，无须中断交通，是传统线圈感应检测的最佳秦替代品；(5)实时再现道路情况，可检测静止的车辆; (6)由于衍射效应，能够探测到被大车挡住的车辆，通常60%的被完全挡住的车辆都能被探测到; (7)防震，由于探测距离有一定分辨能力，不会因晃动带来误差影响。
所述检测主机板以数字信号处理芯片(DSP芯片)为核心，其微波车辆检测器的软件系统通过动态背景生成、形态滤波、骨架细化算法的设计，从而降低了噪声和干扰影响，大大提高了目标检测精度和车道计算准确性，使本发明能检测到需要的车流量、车道占有率、平均车速、长车流量等信息。
将本发明应用于十字路口交通信号灯控制，检测停止车辆，监测拥堵情况和区域事故监测；应用于城市快速道路或高速公路车辆速度检测并计数、根据车辆长度进行车型分类，并且可以应用于临时交通流检测，能够快速安装，不中断交通。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明之实施例的电路模块组成框图；
图2是本发明之实施例的系统硬件组成框图；
图3是本发明之实施例的微波组件电路原理图；
图4是本发明之实施例的ADC/DAC模块电路原理图；
图5是本发明之实施例的DSP芯片及处围电路组成；
图6是本发明之实施例的电源组成。
附图标识说明：
10、微波雷达组件 11、压控振荡器
12、环形器 13、混频器
14、微波天线
20、检测主机板 21、ADC/DAC模块
211、波形调整电路 212、DAC电路
213、调制信号滤波放大电路
214、频差信号滤波放大电路
215、ADC电路 216、监控电路
22、DSP芯片及外围电路 221、DSP芯片
222、EPLD 223、 FLASH
224、UART电路 225、复位及看门狗电路
具体实施方式
请参照图1、2所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，该发明的交通量分析采集仪能够检测到需要的车流量、车道占有率、平均车速、长车流量等信息。交通量分析采集仪包括有微波雷达组件10和检测主机板20两部分。
其中，本发明选用微波雷达作为传感器，是因为其具备以下优点：(1)低成本，通用化，高可靠性，免维护；(2)性能稳定，全天候工作，不受者如风雨、风雪、冰雹、昼夜等种种种自然变化影响；(3)侧向可同时检测多车道，正向方式直接检测速度；(4)安装和移动容易，快速安装，无须中断交通，是传统线圈感应检测的最佳秦替代品；(5)实时再现道路情况，可检测静止的车辆; (6)由于衍射效应，能够探测到被大车挡住的车辆，通常60%的被完全挡住的车辆都能被探测到; (7)防震，由于探测距离有一定分辨能力，不会因晃动带来误差影响。
如图3所示，所述微波雷达组件10由压控振荡器 (VCO) 11、环形器12、混频器13和微波天线14组成。
该压控振荡器11根据DAC输出的信号对发射信号频率进行调制，产生线性调频连续波的微波频段信号。压控振荡器11工作在10. 525GHz频段，调制带宽为200MHz。对于线性调频连续波体制雷达的测距，要求VCO在工作频段内具有较高的调制线性度。VCO直接输出有10mW的功率，可满足设备的需求，因此，后面无需功放电路。
该环形器12是一个三端口的收发开关，一方面将压控振荡器11端的发射信号从天线发射出去，另外同时将从天线接收的信号输出到混频器13一端。
该混频器13对环形器12输出的信号和压控振荡器11的部分信号进行相乘，再经过低通滤波器后，得到频差信号。
该天线同时进行微波信号的发射和接收，为避免水平方向的车辆混淆及同时测量不同距离的多车道，其波束形状设计成水平15度、垂直45度的扇形波束。为保证接收到足够强的反射信号，天线必须具备一定的接收增益。
如图1、2所示，所述检测主机板20又包括ADC/DAC模块21、DSP芯片及外围电路22。
如图4所示，所述ADC/DAC模块21包含波形调整电路211、DAC电路212、调制信号滤波放大电路213、频差信号滤波放大电路214、ADC电路215及监控电路21，负责输出由DSP芯片221控制的线性调制信号、接收频差信号到DSP芯片221及监控温度和关键点电压。
通过该波形调整电路211实现标准三角波变换为斜率可变的调制信号。
该DAC电路212将DSP芯片221控制EPLD 222产生的数字三角波调制信号，变换为模拟信号。为提高最终的距离检测分辨率，需要提高信号调制的线性度，DAC的位数需要较大。
该调制信号滤波放大电路213一方面通过放大电路将调制三角波变换到合适的电压输出，另外通过低通滤波器滤除DAC输出信号的高频分量，提高调制线性度。
该频差信号滤波放大电路214将混频器13输出的小信号经过低噪声放大，并通过有源带通滤波器滤除无用的低频和高频信号，输出到DAC电路212。
该ADC电路215将频差信号进行ADC变换。由于不同距离目标的信号在接收信号中的能量差别很大，均叠加在同一频差信号中，因此要求ADC的动态范围较大，分辨率较高。
该监控电路21一是负责监控在模拟输入输出通道中各关键点的电压值，用来判断DAC，ADC及微波雷达组件10是否工作正常；二是负责测量设备的环境温度，提供给DSP芯片221用来相应调整与温度有关电路的工作波形和参数。
如图5所示，所述DSP芯片及外围电路22包括DSP芯片221、EPLD 222、 FLASH 223、UART电路 224、复位及看门狗电路225，是微波雷达的核心电路。负责控制输出调制三角波信号、接收频差信号、频域分析与目标检测、计算车流量等信息、接触线控制、通信管理等。
该DSP芯片221（可编程处理器）选用TMS320C54x数字信号处理芯片，它具有运算速度快，CPU结构优化、功耗低和智能化外设等特点，特别适用于实时嵌入式系统的开发。
所述EPLD 222是DSP芯片221对外进行控制的主要通道。它包含以下电路：标准数字调制三角波发生器、ADC数据接收电路、DSP芯片221主机端口自动数据传输电路、看门狗及复位管理、DSP芯片221存储器空间管理电路、扩展定时器电路。
EPLD 222在工艺和结构上与FPGA有一定的区别， FPGA的基本结构都是基于查找表加寄存器结构的。EPLD 222一般都是基于乘积项结构的器件，EPLD 222的结构相对比较简单，主要由可编程I/0单元、基本逻辑单元、布线池和其他辅助功能模块构成。
该可编程I/0单元和FPGA的可编程I/0单元的功能一致，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配。由于EPLD 222的应用范围局限性较大，所以其可编程I/O的性能和复杂度与FPGA相比有一定的差距。EPLD 222的可编程I/O支持的I/O标准较少，频率也较低。基本逻辑单元是EPLD 222的主体，通过不同的配置，EPLD 222的基本逻辑单元可以完成不同类型的逻辑功能。所述EPLD 222采用集中式布线池结构。EPLD 222中还有一些其他的辅助功能模块，如JTAG编程模块，一些全局时钟、全局使能、全局复位/置位单元等。
所述FLASH 223是存放DSP芯片221的程序及配置数据的物理介质。它包含了上电管理程序段、缺省运行程序段、实际运行程序段。由于该FLASH 223支持在线编程，因此通过程序管理可实现通过通信线的远程在线程序升级。
UART电路 224是对外通信的主通道。UART与DSP芯片221通过一同步串口进行数据交换，对外接口是标准异步串口。
所述复位及看门狗电路225一方面负责接入手工复位，另外一方面监控DSP芯片221的电源电压和软件是否正常，在异常情况下将DSP芯片221复位。
如图6所示，所述电源电路负责将220VAC输入电源转换为电路需要的各种直流电源，包括±9V、 3.3V、1.5V等，另外为通信隔离和外部控制提供经过变压器隔离的5V和12V电源。
检测主机板20的DSP芯片221上运行有检测功能程序模块，检测功能程序模块的主要功能是波形控制、信号分析、目标检测、数据统计、通信管理等。该程序主要包括4个部分：DSP芯片221数据采集、目标检测、交通信息计算和串行接口发送接收，采用C语言和汇编语言混合编程。
检测算法的核心思想是利用DSP芯片221芯片一对ADC采样的信号进行频谱分析，在频域上进行杂波的消除算法，将有车辆通过时的频谱与无车辆通过的频谱进行频域相干，再根据频谱幅度的位置判断车辆所属车道，分别记录车辆通过的次数。整个DSP芯片221软件的工作流程如下：首先进行系统初始化，对有关寄存器和存储单元进行设置，使系统处于正常工作状态；然后从数据FLASH 223中读取系统参数；接下来进入DSP芯片221软件的核心部分：一个主循环。在主循环中，首先对中频信号进行A/D采样，获得1024个有效数据；然后对数据进行频谱分析，根据频谱判断是否有车通过，如果有车则根据频谱的最大谱线强度对应的频率计算车目标离雷达的距离，进而分析出目标所在的车道；然后进行车流量统计和车道信息发送；然后查询串口接收缓冲区有无上位机发过来的命令帧，若没有的话继续执行主循环；若有，则从串口接收缓冲区中读取命令并执行(如连接雷达、设置雷达参数等命令)，然后继续执行主循环。
本发明为了能够检测到需要的车流量、车道占有率、平均车速、长车流量等信息，还设计了动态背景生成、形态滤波、骨架细化算法，从而降低了噪声和干扰影响，大大提高了目标检测精度和车道计算准确性。
实际验证是在实际道路中的实时验证。以下是一些试验验证数据。
通过大量的实际验证统计，在车流通畅的情况下，车流量的准确率>98%；长车流量的准确率>95%；占有率的准确率>95%，平均车速的准确率)90%，这可以说明论文设计的目标检测功能程序模块模块对于较为复杂路况下的车辆检测是比较适应的，软件设计中采用的算法是有效的。
综上所述，本发明的设计重点在于，选用微波雷达作为传感器具有以下优点：(1)低成本，通用化，高可靠性，免维护；(2)性能稳定，全天候工作，不受者如风雨、风雪、冰雹、昼夜等种种种自然变化影响；(3)侧向可同时检测多车道，正向方式直接检测速度；(4)安装和移动容易，快速安装，无须中断交通，是传统线圈感应检测的最佳秦替代品；(5)实时再现道路情况，可检测静止的车辆; (6)由于衍射效应，能够探测到被大车挡住的车辆，通常60%的被完全挡住的车辆都能被探测到; (7)防震，由于探测距离有一定分辨能力，不会因晃动带来误差影响。
所述检测主机板20以数字信号处理芯片(DSP芯片221)为核心，其微波车辆检测器的软件系统通过动态背景生成、形态滤波、骨架细化算法的设计，从而降低了噪声和干扰影响，大大提高了目标检测精度和车道计算准确性，使本发明能检测到需要的车流量、车道占有率、平均车速、长车流量等信息。
将本发明应用于十字路口交通信号灯控制，检测停止车辆，监测拥堵情况和区域事故监测；应用于城市快速道路或高速公路车辆速度检测并计数、根据车辆长度进行车型分类，并且可以应用于临时交通流检测，能够快速安装，不中断交通。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种交通量数据分析采集仪，其特征在于：包括微波雷达组件和检测主机板，该微波雷达组件由压控振荡器、环形器、混频器和微波天线组成，由压控振荡器产生线性调频连续波的微波频段信号，环形器将压控振荡器端的发射信号从天线发射出去，同时将从天线接收的信号输出到混频器，该混频器对环形器输出的信号和压控振荡器的部分信号进行相乘，再经过低通滤波器后，得到频差信号；该检测主机板包括连接于微波雷达组件的ADC/DAC模块、连接于ADC/DAC模块的DSP芯片及外围电路，该ADC/DAC模块负责输出由DSP芯片控制的线性调制信号、接收频差信号到DSP芯片及监控温度和关键点电压，该DSP芯片及外围电路完成控制输出调制三角波信号、接收频差信号、频域分析与目标检测、计算车流量等信息、接触线控制、通信管理的功能；
其中，所述ADC/DAC模块包括：
一波形调整电路，通过该波形调整电路实现标准三角波变换为斜率可变的调制信号；
一DAC电路，该DAC电路将DSP芯片控制EPLD产生的数字三角波调制信号，变换为模拟信号；
一调制信号滤波放大电路，该调制信号滤波放大电路一方面通过放大电路将调制三角波变换到合适的电压输出，另外通过低通滤波器滤除DAC输出信号的高频分量，提高调制线性度；
一频差信号滤波放大电路，该频差信号滤波放大电路将混频器输出的小信号经过低噪声放大，并通过有源带通滤波器滤除无用的低频和高频信号，输出到DAC电路；
一ADC电路，该ADC电路将频差信号进行ADC变换；
一监控电路，该监控电路一是负责监控在模拟输入输出通道中各关键点的电压值，用来判断DAC电路、ADC电路及微波雷达组件是否工作正常；二是负责测量设备的环境温度，提供给DSP芯片用来相应调整与温度有关电路的工作波形和参数。
2.根据权利要求1所述的交通量数据分析采集仪，其特征在于：所述DSP芯片及外围电路包括
一DSP芯片，负责数字信号处理；
一EPLD，该EPLD是DSP芯片对外进行控制的主要通道，该EPLD包含以下电路：标准数字调制三角波发生器、ADC数据接收电路、DSP芯片主机端口自动数据传输电路、看门狗及复位管理、DSP芯片存储器空间管理电路、扩展定时器电路；
一FLASH，该FLASH是存放DSP芯片的程序及配置数据的物理介质；
一UART电路，该UART电路是对外通信的主通道；
一复位及看门狗电路，该复位及看门狗电路一方面负责接入手工复位，另外一方面监控DSP芯片的电源电压和软件是否正常，在异常情况下将DSP芯片复位；
一电源电路，该电源电路负责将220VAC输入电源转换为电路需要的各种直流电源，包括±9V、 3.3V、1.5V，另外为通信隔离和外部控制提供经过变压器隔离的5V和12V电源。
3.根据权利要求2所述的交通量数据分析采集仪，其特征在于：所述DSP芯片上有检测功能程序模块，该检测功能程序模块包括DSP芯片数据采集、目标检测、交通信息计算和串行接口发送接收4个部分，主要功能是波形控制、信号分析、目标检测、数据统计、通信管理。
4.根据权利要求3所述的交通量数据分析采集仪，其特征在于：所述检测功能程序模块的检测算法是对ADC电路采样的信号进行频谱分析，在频域上进行杂波的消除算法，将有车辆通过时的频谱与无车辆通过的频谱进行频域相干，再根据频谱幅度的位置判断车辆所属车道，分别记录车辆通过的次数。
5.根据权利要求4所述的交通量数据分析采集仪，其特征在于：所述检测功能程序模块的工作流程是：首先进行系统初始化，对有关寄存器和存储单元进行设置，使系统处于正常工作状态；然后从数据FLASH中读取系统参数；接下来进入DSP芯片软件的核心部分：一个主循环；在主循环中，首先对中频信号进行A/D采样，获得1024个有效数据；然后对数据进行频谱分析，根据频谱判断是否有车通过，如果有车则根据频谱的最大谱线强度对应的频率计算车目标离雷达的距离，进而分析出目标所在的车道；然后进行车流量统计和车道信息发送；然后查询串口接收缓冲区有无上位机发过来的命令帧，若没有的话继续执行主循环；若有，则从串口接收缓冲区中读取命令并执行，然后继续执行主循环。
6.根据权利要求2所述的交通量数据分析采集仪，其特征在于：所述DSP芯片选用TMS320C54x数字信号处理芯片。
7.根据权利要求1所述的交通量数据分析采集仪，其特征在于：所述天线发射的波束形状是水平15度、垂直45度的扇形波束，且该天线具备接收增益。
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