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硕上论文车载式路面平整度检测系统的设计与研究 摘要 路面平整度是评价公路，特别是高速公路技术性能最重要的指标之一，如何对其进 行快速精确的测量是当前一个十分重要的课题。随着传感器技术的发展，采用非接触式 检测方法的车载式路面平整度仪由于其高速率，长距离，精度高等特点成为路面平整度 检测技术的发展方向。因此，本文对车载式路面平整度仪进行了设计和实验研究。 首先，介绍了平整度的定义和国内外的发展现状，以及路面平整度检测技术的发展 方向。引入公路平整度检测中使用最广泛的评价指标一国际平整度指数i r i ，围绕其基 本定义、算法和性质开展了具体研究。 在上述研究基础上，设计了基于激光测距技术的车载式路面平整度检测系统。设计 工作主要包括：指标要求分析；路面高程、车载平台垂直振动和纵向位移测量方法的研 究；传感器参数的分析和选择；里程显示控制系统的设计；以及数据的采集和处理等。 利用室内振动平台，对上述检测系统在不同正弦激励下i r i 与频率、振幅之间的关 系进行了实验研究，并分析了加速度传感器修正平台振动的效果。最后，在室外道路上 进行了车载式平整度检测系统的重复性实验；车速对测量结果影响的实验；以及与标准 检测仪器的相关性分析实验。实验结果表明，检测系统性能稳定、可靠，且具有很好的 实用价值。 关键词：路面平整度，国际平整度指数，激光三角测距，加速度传感器 a b s t r a f t硕上论文 a b s t r a c t t h er o a dr o u g h n e s si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d e x e so fp e r f o r m a n c ef o ra p p r a i s i n g h i g h w a ye s p e c i a l l ys p e e d w a y a sar e s u l to fw h i c h ，h o wt om e a s u r ei tf l e e t l ya n da c c u r a t e l y h a sb e c o m eaq u i t es i g n i f i c a n ti s s u e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g y , v e h i c l e b e a r i n gr o a dp r o f i l o m e t e r , w h i c hi sf a m o u sf o rn o n - c o n t a c t ，h i g h - s p e e d ，l o n gd i s t a n c e ，h i g h p r e c i s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，h a sb e c o m et h ed e v e l o p e dd i r e c t i o nf o rr o a dr o u g h n e s sd e t e c t i n g t e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，t h ed e s i g na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sa r ei m p l e m e n t e do nv e h i c l e b e a r i n gr o a dp r o f i l o m e t e ri nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h ed e f i n i t i o no fr o a dr o u g h n e s si si n t r o d u c e d ，a n dt h e n ，t h ec u r r e n td e v e l o p m e n t a n dd i r e c t i o no ft h er o a dr o u g h n e s st e s t i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a da r ep r e s e n t e d a t t h es a m et i m e ，t h em o s tw i d e l yu s e de v a l u a t i o ni n d i c a t o r - i n t e r n a t i o n a lr o u g h n e s si n d e xi r i i si n t r o d u c e d a se x p e c t e d ，t h ed e f i n i t i o n , a l g o r i t h ma n dp r o p e r t i e so fi r ia r ec o n c r e t e l y s t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ea b o v ew o r k ，t h ed e t e c t i o ns y s t e mo fv e h i c l eb e a t i n gr o a dr o u g h n e s s p r o f i l o m e t e ri sd e s i g n e d t h ew h o l es y s t e mi so nt h eb a s i so fl a s e rr a n g i n gt e c h n i q u e t h e d e s i g n i n gm a i n l yi n c l u d i n g ：1 ) t h ei n d e x e so fp e r f o r m a n c e ，2 ) t h er e s e a r c ho nt h em e t h o do f v e r t i c a lv i b r a t i o na n dl o n g i t u d i n a ld i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t ，3 ) t h ep a r a m e t e r s a n a l y s i sa n d s e l e c t i o no fs e n s o r , 4 ) t h ed e s i g no fm i l e a g ed i s p l a ya n dc o n t r o ls y s t e m ，5 ) a n dt h ed a t a s a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g b yu s i n gt h ei n d o o rv i b r a t i o np l a t f o r m ，s o m ee x p e r i m e n t s a red o n et ot h ea b o v ed e t e c t i n g s y s t e m t h ee f f e c to ff r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo ni r ii ss t u d i e d ，a n dt h ea m e n d i n ge f f e c to f p l a t f o r m v i b r a t i o nb ya c c e l e r o m e t e ri s a n a l y z e d f i n a l l y , o nt h eo u t d o o rr o a d ，t h r e e e x p e r i m e n t sa r ei m p l e m e n t e d ，i n c l u d i n g ：1 ) r e p e a t a b i l i t ye x p e r i m e n t ，2 ) t h ei n f l u e n c eo ft h e v e h i c l es p e e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，3 ) a n dc o r r e c t i n ga n a l y s i sw i t ht h es t a n d a r d i n s t r u m e n t a t i o n i naw o r d ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi ss t a b l e ，r e l i a b l e a n dh a sp r a c t i c a l l yw o r t ho na p p l i c a t i o n k e yw o r d ：i b a dr o u g h n e s s ，i r i ，l a s e rt r i a n g u l a t i o n ，a c c e l e r a t i o ns e n s o r n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 蓝垣少户年多月力扫 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名蓥垄冽。年月歹瑁 硕上论文车载式路面甲整度榆测系统的设计与研究 l 绪论 1 i 研究背景 作为经济高速发展的重要标志，我国高速公路发展迅速，截至目前，我国公路的总 里程已达至i j 3 7 0 万公里，其中高速公路总里程6 5 万公里，居世界第二位，仅次于美国。 而随着我国公路建设的发展，对公路的养护管理已经成为我国道路交通工程领域的一项 重要工作。但是我国的高速公路在公路质量、管理水平和网络建设等方面与美国相比， 还存在一定差距。其中如何对路面质量进行快速检测评定，是当前一个十分重要的课题。 为保证运行安全与质量，急需大量先进的路面检测仪器与设备。在路面诸多检查项目评 定指标中，平整度占评定总分的1 5 2 0 【h 】，足见其重要地位。已有数十年高速公路 建设与管理经验的发达国家过去已开发了多种路面平整度检测仪器，并正开发以激光与 现代光电技术为特征的高速智能检测设备【删。为满足我国如此迅速发展的高速公路的 建设与管理的需要，国内已有的低速人工检测已不能满足需求。国外先进技术和设备纷 纷涌进中国，提升了我国道路检测水平，同时使用中也发现了国外先进检测产品尚存在 许多不足和问题，如国外产品价格昂贵，设备在维修、保养、后期服务方面收费昂贵， 国内大多数使用单位难以承担，采用的技术标准国内外不一致，操作及维修困难，缺少 计量检定规程，检测仪器的周期检定和校准工作较难展开，诸多原因决定了从国外引进 的路面检测设备在国内难以普及和推广【_ 7 1 ，因此研究具有自主知识产权并能够满足我国 道路路面检测需求的高性能路面平整度检测仪器设备显得尤为重要。 论文结合南京比奇科技有限公司“高速公路路面平整度和纹理检测系统 项目的需 要，研制车载式路面平整度检测仪器，替换国外同类产品。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 平整度定义 路面断面剖面曲线是路表面的二维空间断面，包括横向断面曲线和纵向断面曲线。 横断面曲线表示了设计的公路内外侧的高度差和路面隆起，以及车辙等其它路面病害。 纵向断面曲线则表示了路面设计等级，平整度和纹理。而研究平整度，主要是研究路面 纵断面【羽。 碗l 论史 圈1i 路面纵断面和横断面剖面曲线的示意图 可以通过路面纵断面的一条剖面曲线来检测路面平整度，通常，这条线是与路面中 线或者与其它路面几何特征线有一定距离的直线，一般是沿着车轮的轨迹线测量，为获 得更多的路面细节，可以检测更多的路面剖面曲线。 由于路面平整度是非物理量，是约定可计量的量，这类量的定义与计量方法有关， 相互之间不存在确定的换算关系。困此，不同的定义、不同的测量方法会得出不同的结 果。现在对于路面平整度还没有一个统一的，标准的定义。 我国交通部标准 1 时 x ： ! 坐尘垒 b s i n c r a y s i n ( a4 - ) b a x s i n z y2 a s i n f l + a x s i n ( a + f 1 ) 艿：堂：坐堕业壁： 池【a s i n f l - t - a x s i n ( a4 - ) 】2 b a x s i n 口 y 一 a s i n8 灵敏度 ，a a y a b s i n a s i nb d = 一= 二一 a a x ( a s i n p ) 2 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 物方位移和像方位移成近似线性关系，测量精度主要取决于线阵c c d 的精度。c c d 光敏面的测量精度可以达到微米量级【4 引，因此可以实现很高的测量精度。 综上所述，非接触式激光三角测距其测量结构简单，体积小，测量精度高，可以实 现路面纵断面凹凸不平情况的高速精密检测。 3 2 2 车载平台振动位移的测量 车载式平整度仪的位移传感器垂直安装在检测车上，检测车在行驶时受到路面激励 产生振动，位移传感器随车载平台振动。为了减少或消除这一影响，采用加速度传感器 作为检测系统的惯性基准，测量检测车在行驶过程中车身垂直振动的加速度，对采集的 加速度信号二次积分得到车载平台在行驶检测过程中的垂直位移，检测出车载平台的振 动位移，位移传感器测量的结果减去车载平台的振动位移得到路面的高程信息。 加速度传感器是测量运动物体加速度的传感器，物体的加速度一般很难直接测量， 需借用牛顿第二定律，通过测量运动物体受力的变化来间接测量 4 4 1 。一个简化的加速度 传感器的基本测量原理如图3 4 所示，一般由惯性质量，弹性支撑元件，阻尼器，壳体 等组成。弹簧的质量与惯性质量相比可以忽略不计，惯性质量受弹簧约束，弹簧另一端 固定在基座上，形成单自由度的线性常系数的振动系统，整个系统只能在一根轴线上运 动，阻尼器用来改善仪器的动态品质。当壳体随物体沿输入轴方向有加速度时，惯性质 量与壳体之间有相对运动，弹簧有变形。当作用在惯性质量上的惯性力与弹簧恢复力平 衡时，弹簧的变形量反映了被测加速度的大小，并由信号处理电路输出与加速度成正比 的电信号。按工作原理，可以分为压电式、压阻式、振弦式、电容式等加速度传感器。 1 7 3 系统的总体啦计聊j 地空 壳体 酗3 3 加速度传感器结构模型 其中力平衡加速度传感器是一种闭环结构加速度传感器，相比其它加速度传感器， 准确度高，稳定性好，灵敏度高，线性好，低温漂，动态特性好，系统采用力平衡加速 度传感器。 力平衡加速度传感器由惯性敏感系统、电容式位移传感器、伺服电路( 交流放大、 直流放大校正、振荡器等) 和磁电式传感器( 反向工作，起力发生器作用) 组成。 i - 壳体；2 一惯性敏感元件：3 一弹性支撑元件：4 一阻尼器； 5 一电窖式佩移传搏器：6 一交流放大器；7 一解调器： 8 一直流放大校正电路；9 振荡器；l o - 磁力式力发生罂 幽3 , 4 力平衡加速应传感器 该传瞄器基于差容式力平衡加速度原理( 伺服、电负反馈) ，当传感器感受被测加速 度。时惯性质量因惯性力而产生相对壳体的位移，电容式位移传感器将这个相对位移 变换成电信号，经过伺服电路放大等处理，输出电流l 至磁电式力发生器的动圈。磁电 式发生器的磁路系统和传感器的壳体相连，而动圈和惯性质量相连当动圈中通有电流 f 时，电磁力作用在可动部分上，并与被测加速度作用在惯性质量上而产生的惯性力相 平衡，从而使惯性质量回到初始位置。磁电式力发生器产生的电磁力为 硕l j 论文车载式路面f 整度检测系统的设计与研究 式中b 一气隙磁感应强度； l 一动圈绕组导线工作长度。 因为电磁力与惯性力平衡，于是有 所以 易= b l i b l i = a u = i r ：m a r b l 可见加速度a 与输出电压u 成正比，可以通过标定系数测得a 的值。 3 2 3 纵向位移的测量 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 车载式路面平整度仪在检测车辆行驶过程中以一定的纵向间距采样路面高程信息， 因此需要纵向采样间距一定的外触发信号提供给传感器采集高程。位移编码器是最常用 的提供运动物体位移信息的传感器【3 3 1 ，可用于检测运动物体的位置速度和方向等信息。 按照测量方式不同，可分为旋转编码器和直线编码器。旋转编码器测量物体的旋转角度 并转换为脉冲电信号，直线编码器测量物体的直线行程长度并将结果转化为脉冲电信号 输出。 应用最多的是采用旋转型编码器，安装在车辆的轮轴上，通过测量轮轴的角位置间 接计算出纵向位移，为系统提供纵向采样间距一定的脉冲电信号。 编码器按工作原理不同，分为光学、磁性、电感式、电容式等类型，光学编码器是 集光、机、电技术一体的数字化传感器，由一个具有选型亮暗刻度线的分度盘、光电发 射和接收器件组成，接收器件输出的正弦信号经过比较电路转换成方波脉冲信号。编码 器输出两组脉冲序列，称为a 相和b 相，a 相和b 相相差9 0 度，通过比较a 相超前还 是b 相超前可判别编码器的正转与反转，另每旋转一圈还输出一个标记脉冲用于记录轮 轴的零位参考位置和转数，称为c 相，如图3 5 所示。 。7厂 j k 卜一9 0 。 广 厂 厂 厂 卜9 0 0 a b c 图3 5 旋转编码器的脉冲输出序列 编码器的物理分辨率是以轮轴旋转3 6 0 度提供的亮( 暗) 刻度线计算的，实际使用 1 9 3 系统的舡件设计 碰j ：论文 时计算的是输出电脉冲数。 当旋转编码器安装在车轴上与车轮同轴转动，车轮直径一定，当车轮旋转一定角 度，汽车位移一定，旋转编码器输出的电脉冲也一定，即相邻输出电脉冲之自j 的纵向位 移一定相邻脉冲代表的纵向位移可表示为： d = d m( 3 1 0 ) 式中肛汽车车轮周长，单位：m m ； 舻编码罂轮轴旋转3 6 0 度输出的电脉冲数。 3 3 系统组成和设计 系统主要由五部分组成如图3 6 所示。激光位移传感器检测车体与路面的垂直距 离，加速度传感器作为检测系统的惯性参照，采集卡采集传感器信号并传输给工控机做 数据处理，里程显示控制系统测量检测仪器的纵向位移并提供采集卡采样信号( 时间和 纵向位移) ，并将高程信息实时传送给上位机，由上位机内的程序计算出反映路面平整 度信息的国际平整度指数( m ，从而实现了自动化、高速率、高质量的现代路面检测。 幽3 , 6 系统组成框图 圈37 系统实物豳 颐士论文 车载式路面半整度检测系统的设”1j 研究 实验检测仪器安装如图3 8 所示，激光位移传感器和加速度传感器作为整体封装在 箱内，固定安装在汽车后轴的横粱上，旋转编码器与车轴同轴安装，里程显示控制系统 和工控机安装在汽车车厢内，方便乘车人员对检测仪器的控制和采集处理数据的处理。 1 一激光位移传感器，2 一加速度传感器，3 一旋转编码器，4 一里程显示控制系统和t 控机 图3 8 车载式激光断面平整度测试仪 3 3 1 里程显示控饼系统的设计 里程显示控制系统是整个系统的控制中心，在检测车辆行驶过程中控制系统纵向等 间距地采样路面高程信息，为高程数据提供里程位置坐标，纵向采样时间间隔以及实时 图3 9 里程显示控制系统实物图 整个系统由硬件部分和软件部分构成。硬件系统包括旋转编码器，整形电路，计数 分频电路，a t 8 9 c 5 1 单片机，键盘接1 ：3 和七段数码显示电路、数据存储电路，系统框图 如图3 1 0 。 3 系统的总体设计硕i ：论文 图3 1 0 里程显示控制系统便件框图 里程显示控制系统的原始纵向位移信号来源于旋转式编码器。编码器与车后轴相 连，与车轮同轴旋转。编码器每旋转3 6 0 度输出3 6 0 0 个脉冲，车轮直径为7 2 0 m m ，周长 为2 2 6 1 m m ，因此每个脉冲代表的纵向位移约为0 6 m m ，因此纵向采样的精度在l m m 内。 由于汽车经常在野外行驶，干扰源比较多，为防止干扰进入单片机系统，在输入信 号通道采用了光电隔离技术。本设计选用t l p 5 2 1 光电隔离器件，光电耦合器件主要优 点是：单向传输信号，输入端和输出端完全实现电器隔离，抗干扰能力强，使用寿命长， 传输效率高。 同时对信号进行整形，并提高信号的驱动能力。整形电路由两级电路构成，第一级 是由非门组成的驱动放大器，预处理电路的第二级为带施密特触发器的反相器7 4 l s l 4 ， 将放大器生成的单相脉冲转换成与t t l 电平相兼容的方波信号，同时施密特触发器7 4 1 4 对脉冲进行整形。 计数分频模块是整个系统的核心部分，它关系到整个系统能否正常稳定工作，系统 的精度能否达到设计要求。采用可编程计数器芯片8 2 5 3 实现分频。芯片特点： 1 ) 有三个独立的1 6 位计数器通道； 2 ) 每个计数器可以按照二进制或二一十进制( b c d 码) 计数； 3 ) 每个计数器的计数速率可高达2 m h z ： 4 ) 每个通道有6 种工作方式，可由程序设置和改变。 8 2 5 3 对经过整形处理的编码器输出信号进行计数分频得到l o m m 的纵向位移信号， 作为采集卡的外触发信号，驱动采集卡每隔l o m m 采集一次路面高程信息。系统里还有 频率为1 0 0 k 的晶振，计数器8 2 5 3 在相邻两次纵向采样时间内对晶振的输出脉冲计数， 得到纵向采样的时间信息。 按键有数字键、功能键和复用键组成：其中0 、1 、2 、3 、4 为复用键，5 9 为数字 键，其它为功能键，分别是分频、设置里程数、取消清零、标定系数和确认键，共五 个。功能键“标定系数”主要是考虑车轮胎在气压、载荷等因素影响下其外径会产生变 硕十论文车载式路面甲整度柃测系统的设计与研究 化，外径的变化导致编码器输出的脉冲纵向间距发生变化，所以需要经常对其进行标定。 该参量可以灵活地调整旱程计算参数，减小误差。 时钟芯片d s l 2 c 8 8 7 是数据存储芯片，共有1 2 8 字节r a m 空间，1 5 字节用于时间和 控制寄存器，1 1 3 字节用于普通用途。d s l 2 8 8 7 的主要作用是停车掉电后，保持分频数、 标定系数和系统设置罩程数。 单片机采用美国a t m e l 公司生产的低电压，高性能c m o s8 位单片机a t 8 9 c 5 2 ，内含 8 kb y t e s 的可反复擦写的只读程序存储器和2 5 6 b y t e s 的随机存取数据存储器，器件采 用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准m c s 一5 1 指令系统及8 0 5 2 产 品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器( c p u ) 和f l a s h 存储单元。单片机对分频后 的脉冲计数，通过计数值和脉冲间隔计算出汽车行驶里程，通过数码管实时显示出汽车 行驶罩程，并将采样间隔内的时间信息通过单片机的串口传输给工控机。 软件部分包括按键处理模块、菜单功能模块、数据存储和数据处理模块以及数据显 示模块模块等。单片机正常工作时的软件流程图如图3 1 1 所示： 初始化计数器 8 2 5 3 通道o 和1 l 艟示当前里程 土 一 i y 读取计数通道l 的数据并初 始化8 2 5 3 计数通道l 上 传输j 州数据军 工控机 图3 1 l 单片机软件流程图 3 3 2 激光位移传感器 根据测量指标要求，激光位移传感器的纵向采样间距a x = 1 0 m m ，对于不同的 检测车速，传感器需要满足的时间测量频率不同。对于确定的检测车速v ，激光位 移传感器采样间隔a x 取决于采样频率c 即： a x ：兰( 3 1 1 ) 系统设计的检测车正常行驶速度v 在3 0 k m h 1 0 0 k a n h 范围内，为了满足汽车在此行 驶速度范围内均能满足a x = 1 0 m m 的采用采样间距要求，则激光位移传感器的最大测量 2 3 3 系统的总体设计硕j ：论文 频率 k = 古= 罟= 3 0 0 h z ( 3 1 2 ) xu 上 因此激光位移传感器的测量频率不低于3 0 0 h z ，并且根据测量要求，测量精度小于 l m m ，测量的动态范围不小于2 0 0 r a m 。系统选用的直射式激光三角位移传感器的参数如表 3 2 所示。 表3 2 激光位移传感器主要参数 检测距离 2 5 0 m m 7 5 0 m m 精度测量范围的0 1 激光波长 6 5 0 n m 光斑尺寸 测量频率 模拟量输出 4 2 0 m a 响应时间 1 2 0 d b 灵敏度士2 5 v 鹰 横向灵敏度比 1 ( 包括角偏差) 线性度 1 噪声均方根值 s1 0 一6 9 零位漂移 5 0 0 x 10 6 9 c 3 3 4 数据采集卡 数据采集卡采用北京阿尔泰科技发展公司的u s b 2 8 0 5 卡，u s b 2 8 0 5 是一种基于 u s b 总线的数据采集卡，可直接和计算机的u s b 接口相连。 a d 转换器类型为a d 7 6 6 3 a s t z ，1 6 位的转换精度，具有6 4 路的a d 多量程转换 通道，模拟输入阻抗大于lgq ，连续和分组两种采集方式，内触发和外触发两种触发 模式，边沿和电平两种触发类型。 a d 采集模拟量输入量程为+ 1 0v 采用a d 双极性模拟量输入，如表4 1 所示的双极 性模拟量输入的数据格式，假设从设备中读取的a d 端口数据为a d b u f f e r ，电压值为 v o i t ，那么量程的转换公式为 硕l j 论文车载式路面甲整度柃测系统的设计与研究 v o l t = ( 2 0 0 0 0 0 0 6 5 5 3 6 ) ( a d b u f f e r & 0 x f f f f ) 1 0 0 0 0 0 0( 3 1 6 ) 表3 4 双极性模拟量输入的数据格式 外部触发信号 a 1 0 。 ji r a 1 1 ) t 7 u s b 2 8 0 5 u s b 总线 工控机 7 亲善 采集膏 l la g n d 图3 1 4 采集卡硬件连接示意图 数据采集模式采用u s b 2 8 0 5 采集卡的分组采集模式，里程显示控制系统提供的固 定纵向采样间距脉冲作为采集卡外触发信号控制a d 采集，采用采集卡内部时钟分别采 集通道o 和l 的数据。采集通道0 采集加速度数据，采集通道1 采集位移数据，如图3 1 4 所示。设置分组值为1 ，即每触发一次分别采集一次通道o 和通道1 的数据，并经过一 个a d 芯片的转换时间后a d 自动停止进入等待状态，所以外触发间隔两次a d 采样 时间+ a d 转换时间。采集卡内部时钟频率1 0 0 k ，即a d 采样时间为5 u s ，a d 转换时间 为1 2 5 u s 。纵向采样间距为1