信标组裁判系统原理与实现

　图中R1是为了积分电路稳定而并联在积分电容C₁两端的;C₄是为了消除运放失调电压而设置的隔直电容;R₄、R₅、C₂和C₃是用于抑制外部射频信号对运放的干扰;R₂和R₃所在的分压电路用于建立单电源运放的工作点。

　　忽略C₂和C₃的作用，令R₀=R₂+R₃，电路的传递函数为：

(3)

　　代入电路参数，系统的Bode图如图6所示。

　　可以看出电路实际上为带通放大电路，上下截止频率分别为1.6Hz和16Hz。车模快速和慢速越过检测线产生的电磁感应信号的频谱范围大都落在上述放大电路通带范围内。

2.2 数据滤波

　　环境中50Hz的工频干扰信号虽然没有落在放大电路的通带范围内，但放大信号中仍然包含着较强的50Hz的干扰信号。由于该噪声信号频率固定，所以采用长度为20ms的采集数据的平均值来抑制50Hz干扰信号，使用软件实现平滑滤波。采集数据频率为1000Hz，平滑滤波窗口长度为20，对应50Hz周期时间长度。图7显示了采集数据滤波前后的波形，滤波效果明显。

　　当标记磁铁经过检测线圈时，放大电路产生的信号波动非常明显，可以准确反映标记磁铁是否经过检测线。经过滤波可以降低信号波动检测阈值，提高系统检测灵敏度。

2.3 测试结果

　　通过实验可以测试该方案对于不同速度和不同高度的标记磁铁经过检测线圈的检测效果。第一个实验使用一个直线滑轨带动一个永磁铁运动，永磁铁距离地面1.5cm，分别以1m/s至0.2m/s的直线速度越过检测线圈边界，测量数据经过滤波后波形如图8所示。

　　结果显示检测信号强度随着速度的减小而降低。因此运行速度越高，该检测方法效果越好。但是有一个最低速度下限，低于该速度则无法可靠检测。通过图8可以推论，该速度下限低于0.1m/s。这个限制远低于比赛现场车模运行速度。

　　第二个实验使标记磁铁以相同的速度(1m/s)，距离地面不同高度通过检测线圈。测量数据如图9所示。

　　磁铁距离地面越高，检测信号幅度越小。在比赛时，规则要求标记磁铁距离地面不超过2cm。

3信标枚举

　　使用串联方法对信标进行供电和控制，使得现场布线比较容易，而且布置信标数量灵活。为了实现信标按照比赛顺序依次点亮，需要确定每个信标的访问地址。按照信标串联的顺序，利用自动枚举的方法可以省略独立设置信标地址的麻烦。

　　实现枚举过程依靠独特的串行总线。总线的构成包括四条线，它们分别是电源线(VCC)、地线(GND)、命令线(CMD)和反馈线(FB)。每个模块都具有两个相同的端口，反馈线由一个端口连入，从另一个端口连出。如图10所示。

　　反馈线作用有三个：一是发出10ms宽的低脉冲命令响应信号;二是通过拉低反馈线指示车模越过检测线;三是用于模块枚举过程。模块内部的反馈线接口电路如图11所示。

　　反馈线平时由内部上拉电阻置成高电平。相邻两个模块之间的反馈线实际上是通过线与的关系连接在一起。通过软件控制，使得模块两个端口之间的反馈线形成虚拟的两种模式：一是断开模式，该模式用于枚举过程;二是连接模式，每当检测到一个端口中反馈线被相邻模块拉低，则将另外一个端口中的反馈线也置低。该模式用于正常工作状态，此时整条反馈线形成虚拟的一条连接总线。

　　系统枚举过程是通过接口模块开展的，过程如下：

　　(1)接口模块向总线上所有信标模块发送枚举指令，接收到枚举指令后，所有模块将反馈线置于断开模式，模块端口中的反馈线都是高电平;

　　(2)接口模块将反馈总线置低;

　　(3)接口模块发送设置地址命令，地址编码从1开始。发送完毕后将反馈总线释放，并检测反馈总线是否有低电平反馈信号。

　　如果有反馈信号则重复(2)和(3)两步，地址编码每次递增1。如果没有检测到反馈信号，则枚举过程结束。

　　在此过程中，每个信标模块接收到地址设置命令后，判断它的两个总线接口中的反馈线的状态是否一致。如果反馈线状态不一致，则将本身地址设置成命令中的地址，同时发送10ms低电平进行反馈，此后将模块的反馈总线设置成连接模式。

　　信标枚举过程中命令线和反馈线的波形如图12所示。

　　枚举之后，总线接口模块检查了信标的总数，设置了每个信标地址。借助于枚举过程，现场的信标可以比较灵活地进行更换和增减。

4 系统工作模式

4.1 手工工作模式

　　在该模式下，通过总线接口板上的两个按钮和LCD显示屏来控制系统的枚举过程、顺序点亮比赛、随机点亮比赛以及进行系统参数的设置等。

　　系统参数包括线圈检测阈值、信标切换时间死区、最大比赛时间等。使得系统能够适应现场不同的电磁环境。

4.2 联机工作模式

　　总线接口板通过USB接口与计算机相连接。通过定义好的一组控制命令，上位机中比赛系统软件可以灵活地设置比赛中信标点亮顺序和次数，读取比赛进程时间，并设置系统参数。

　　通过实际的系统集成和测试，验证上述系统在不同环境下，两种工作模式都能够稳定运行。

5 结论

　　信标组给智能车比赛内容的创新带来了更多的可能，但相应的比赛系统复杂度增加了。本文介绍的裁判系统原理相对简单，实施方便。感应线圈检测和信标枚举两个技术的应用提高了信标组裁判系统的检测性能和部署的灵活性。感应线圈的原理也可以应用于常规赛道比赛的计时系统。

参考文献:

　　[1]竞赛组委会,第十一届全国大学生智能汽车竞赛竞赛比赛规则,2015,11.

　　[2]竞赛组委会,第十一届全国大学生智能汽车竞赛竞赛通知,2015,11.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第5期第44页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。