无线通信-利用GPS技术研制的公路测速系统速度标准装置

1、 项目名称:机动车超速监测记录系统检测方法标准研究;编号:2007DIA10-3 基金申请人:刘美生基于GPS技术的速度标准装置研究赵军,刘美生,杨春生,江东(中国测试技术研究院,成都 610021摘 要:本文介绍了一种利用GPS技术研制的公路测速系统速度标准装置,通过GPS接收处理模块,采用多普勒频移变换速率的测量方式,可直接输出与速度成比例的数字脉冲频率信号,经滤波、放大、整形后,送入单片机运算处理,以实现对机动车速度和里程的测量。本标准装置适用于各种具有超速拍照功能的机动车超速自动监测系统的检定与校准。关键词:GPS;单片机;机动车超速自动监测系统;测速中图分类号:TP391;TP368

2、.1 文献标识码:AResearch on standard equipment of speed based on GPS technologyZHAO Jun,LIU Mei Sheng, YANG Chun-Sheng,JIANG Dong, (National Institute of Measurement and Testing Technology,ChengDu 610021Abstract:A standard equipment of highway speed measurement system using GPS technology introduced in th

3、is paper. Through the GPS receiver module, using Doppler frequency shift transform the rate measurement method, Digital pulse-frequency signals proportion to the number of vehicle speed can be output directly. By filtering, amplifing and adjusting,then into the microcontroller processing, to achieve

4、 the vehicle speed and mileage measurement. The standard equipment applied to test and calibration of all kinds of automatic devices with overspeed and camera monitoring functions.Key words:GPS;single chip microcomputer;vehicle overspeed auto-monitoring system; speed measurement1 引言安装在高速公路和城市道路上的机动车

5、超速自动监测系统(以下简称监测系统具有超速监测和执法取证双重功能,是道路交通执法和交通管理的主要技术设备。目前国内监测系统的测速原理大多为雷达测速、地感线圈测速、激光测速原理等。针对不同测速原理的监测系统通常使用专用的检定装置进行检定。本文介绍了一种基于GPS技术的高精度公路测速系统速度标准装置研制,它适用于所有具备超速拍照功能监测系统的检定与校准。2 GPS概述及设计基本思路GPS全称“Global Positioning System”,即“全球定位系统”。整个系统由空间GPS 卫星星座、地面监控系统以及用户设备GPS 接收机三大部分组成。该系统具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的

6、导航、定位和定时的功能,能为各类用户提供精密的三维位置、三维速度。公路测速系统速度标准装置(以下简称速度标准装置是用来对安装在公路上的机动车测速系统(雷达测速系统、地感线圈测速系统、激光测速系统等进行现场实车路试综合检测/校准速度量值的专用仪器设备,亦可用于行驶里程的测量。它通过仪器内部的GPS卫星接收处理模块接收GPS卫星信号,采用多普勒频移变换速率的方式输出车辆的自身运行速度脉冲信号,该信号通过仪器内的信号处理模块处理后,送至单片机处理,进而计算出速度和里程,并显示于外挂显示屏,进而检测校准公路机动车测速系统。其现场检测示意图如图1所示。 图1 现场实车路试检定/校准示意图速度标准装置通过

7、GPS天线接收卫星信号后,实时处理并显示汽车运行的速度、里程以及北京时间等参数。当检测车通过公路测速系统且超速时,则监测系统自动拍摄检测车,并给出该车的速度值。外挂显示屏上的检测车自身标准速度值也一并被拍摄,因此,只需将两个速度值进行比较,即可实现对公路机动车测速系统的检测/校准。3 系统构成及原理分析速度标准装置主要由GPS接收处理模块、信号处理模块、MCU数据处理、键盘显示输入输出模块、打印输出模块和外挂显示模块构成。其系统整体结构图如图2所示。 图2 系统整体结构图3.1 GPS接收处理模块GPS接收处理模块属于GPS系统中的用户设备部分,由GPS接收天线和GPS处理模块组成。它像“收音

8、机”一样接收、解调卫星的广播C/A码信号。该模块利用多普勒频移测速原理通过运算与每个卫星的伪距来求解空间待测点的坐标参数。特点是定位速度快,能到达米级定位。为了能解算出运动载体的速度,需要保证最少要观测到4颗卫星。GPS模块通过串行通信口不断输出NMEA格式的定位信息及辅助信息,供接收者使用。本系统采用的是高精度 GPSTran无线速度传感器模块(由GPS接收天线和GPS处理模块组成。GPSTran模块是用来为其它装置提供机动车速度信号的传感器。该模块可直接输出与速度成比例的数字脉冲频率信号。该速度量是根据GPS卫星运载信号的多普勒频移 法解算得到。当GPS接收模块接收到4颗卫星时,按照多普勒

9、频移算法解算得到的速度值的精度可达到0.3km/h。3.2 信号处理模块由于从GPS接收处理模块输出的信号是微弱的毫伏级脉冲信号,同时还存在一定的干扰信号,在送到单片机进行运算处理前,需经过信号处理模块进行处理。其信号处理模块原理图如图3所示。 图3 信号处理模块原理图图3中,GPS接收处理模块输出的微弱毫伏级数字脉冲信号经插座2脚接入信号处理模块,两个滤波电容滤去输出信号中的干扰信号,然后经TLC2252运算放大器放大后,得到放大的脉冲信号,然后接入LM339比较器的同相端,输出5V的方波信号,接着经74HC14施密特触发器整形处理后得到边沿陡峭稳定的5V的方波,最后送至AT89C52单片机

10、进行的运算处理,得到相应速度和里程值。3.3 键盘显示输入输出模块传统的数码管显示和键盘接口一般直接采用MCU的I/O口对键盘或数码管进行动态扫描的方法,硬件上需要较多的外围部件,且占用MCU大量I/O口,软件上则浪费CPU资源,且给编程人员带来很大的不便。这里使用数码管显示及键盘接口专用控制芯片BC7281A。BC7281A与MCU之间的通讯是采用2线高速串行接口,这两个连线分别是数据线DAT和同步时钟线CLK,其中DAT为双向数据传输线,BC7281A既用该线从MCU接收数据,也用该线向MCU发送数据。BC7281A的DAT引脚为漏极开路输出结构,使用时须在该线上加20K左右的上拉电阻。3

11、.4 外挂高亮显示模块考虑到实际天气条件的影响,在强日照下,普通的数码管显示在拍摄的照片中显示的数据难以辨认,为此,这里设计了专用高亮LED发光二极管显示屏,保证在强日照的天气也能使拍摄的照片中的数据清晰显示。4 数据验证实验本速度标准装置利用GPS技术对车身速度进行高准确度的实时动态测试,但GPS系统本身的技术性能也需要验证和检验。这里我们研制了一种光电测试系统,来验证GPS速度标准装置的测试结果。该光电测试系统运用最基本的速度=位移/时间关系来得到汽车车身速度。实现车身速度与GPS速度标准装置测得速度的数据比对。4.1 车身速度测量基本原理如图4所示,汽车(1顶部安装好刻有等间距光缝(4的

12、遮光屏(3,光发射器(2和光接收器(5分别安装在汽车前进方向的垂直线上,并根据光缝的位置调节好高度。当汽车通过测量点时,光接收器收到在光缝作用下产生的脉冲信号,该脉冲信号的频率正比于汽车通过的速度。光接收器将脉冲信号送计时装置处理后即得到脉冲频率的准确值,随后速度测试系统根据已知的光缝间距离计算出汽车的运行速度。图4车身速度测试原理示意图4.2 GPS测速的比对验证实验依据图4所示的GPS测速验证实验原理,我们在野外场地进行了实车测速结果比对实验。当标准车以某一速度穿过光束通道时,光探测器的脉冲信号接入速度测试装置立即测得汽车穿过光束通道时的瞬时速度并通过外接显示屏显示,此时用照相机将两套装置

13、的显示屏显示数据同时拍下,即可进行两套装置的数据比对。实验数据如表1-1所示。序号 光电测试装置测得的速度(km/hGPS标准装置 测得的速度(km/h偏差(km/h表1-1 GPS测速验证实验数据以上的实验数据表明,光电测试装置测得的速度与GPS 速度标准装置测得的速度吻合 较好,标准偏差在0.2km/h以内,相对误差仅0.4%。5 结束语利用监测系统的拍照功能可以实现标准速度与监测系统的测量速度比对。本速度标准装置由基于GPS技术的测速模块和速度显示模块构成,测速模块实现高精度的实时速度测量,速度显示模块在特殊设计的显示屏显示当前速度。只要监测系统具有拍照功能就可以实现在线检定,适用于各种

14、测速原理的系统,且能确保监测系统的监测、拍照取证唯一性。本文的创新点:将高精度、全天候、高性能的GPS技术应用于公路测速系统检定工作,实现了各类具有拍照功能的监测系统对速度的在线实车的检定。参考文献1 王惠南.GPS导航原理与应用M.北京:科学出版社.2003.2 何其畏,高利. GPS定位精度的提高及其应用. 微计算机信息, 2006,5-1: 282-283.3 苗作华,刘耀林.GPS智能车辆监控信息服务系统的研究与实现J.微计算机信息.2008,3-1:151-152.4 刘美生.全球定位系统及其应用综述J.中国测试技术. 2006,Vol.32(05.5 周建郑. GPS测量定位技术M

15、. 北京:化工工业出版社.2004.6 Greenspan R L,Donna J I.Measurement Errors in GPS ObservablesJ.Navigation:Journal of The Institute of Navigation.1995,33(4.7 吴正毅.测试技术与测试信号分析处理M.北京:清华大学出版社,1991.8 何立民.单片机应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社.2001.作者简介:赵军(1973-,男(汉,四川德阳人,中国测试技术研究院,硕士,现主要从事交通检测及其产品的开发和科研工作。Biography: ZhaoJun (1973-, male