基于锁相环技术的高灵敏车辆探测

1 引言
    在十字路口处，为了避免交通阻塞，保证交通安全，规定交通车辆必须按道行驶而不得越道。因此，必须采用相应的感测装置，监控车辆的违规越道行为。目前，对闯红灯行为的记录处理大多是依靠在等待线下安装相应的感测装置，当有车经过时，即刻发出特定信号，系统根据该信号进行判断处理，再通过路口摄像头对违章车辆进行拍照记录。也可采用类似方法探测车辆越道行为，即利用埋入地下的感测装置。但由于感测装置的大小和形状受分道行驶标记线宽度的限制，为了有效探测车辆越道行驶行为，对测量灵敏度提出更高要求。现行方案一般采用单片机测量频率，其灵敏度低，抗干扰能力差，这是因为单片机测量频率在一定时间t内统计脉冲信号数，根据脉冲数的变化反映频率变化。假设传感振荡电路的频率为100 kHz(该值已接近实际应用极限，若再增大振荡频率，将会向外发射能量，对周围产生电磁干扰)，如果统计时间t=l ms，则可记录100个脉冲，此时灵敏度的最大理论值能达到1％，但实际上除去不稳定因素的影响，灵敏度不可能太高；如果统计时间延长到10 ms，则灵敏度的最大理论值能达到0．1％，这样不仅影响反映速度，而且实际值也照样打折扣，所以灵敏度仍不能达到实际应用要求。
    虽然使用单片机探测车辆也曾有过一些改进方案，但都很难从根本上提高探测灵敏度。为此，提出一种利用锁相环技术提高感测装置灵敏度及抗干扰能力的设计方案。实验证明，该设计方案能够达到实际应用要求。

2 锁相环原理
    “锁相”就是相位同步的自动控制。能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环。锁相环广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。
    锁相环(Phase-Locked Loop，简称PLL)主要是由鉴相器(Phase Detector，简称PD)、压控振荡器(Voltage ControlledOsillator简称VCO)、环路滤波器(Loop Filter，简称LF)3部分组成。PD为相位比较装置，用于比较输入信号Ui(t)与VCO的输出信号Uo(t)的相位，产生对应于两个相位差信号的误差电压Ue(t)。LF用于滤除Ue(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受控制电压Ud(t)的控制，用于将LF的频率向输入信号的频率靠拢，直至消除频差而锁定。
    PLL的工作原理是：比较Ui(t)与Uo(t)之间的相位差，产生Ue(t)调整VCO的频率，以达到与Ui(t)同频。在环路开始工作时，如果输入信号频率fi与压控振荡器频率fVCO不同，则因fi与fVCO之间存在固有频率差，而使相位差一直变化，导致PD输出的误差电压UPD在一定范围内变化。在该误差电压的控制下，fVCO也发生变化。若fVCO能够与fi相等，则在满足稳定性条件下应稳定在该频率，稳定后，fUi(t)-fUo(t)=0，相位差不随时间变化，且Ue(t)为固定值，这时环路就进入锁定状态。

3 系统设计
    利用现有的技术设计传感电路，用于初步探测车辆。而检测电路把传感电路的输出信号转变为可直接显示或测量的电信号，以便系统进一步处理。这部分设计采用锁相环技术实现。
3．1 传感电路
    图1给出正弦波振荡电路。它为电容三点式电路，也即考毕兹振荡电路。传感电路用于感应出金属物体的存在。设计中采用已实际应用的涡流传感方法，将埋入地下的探测线圈直接接入正弦振荡电路，即振荡电路输出的频率带有传感信号。

    图1电路中：Rbl=Rb2=62 kΩ；Rc=1 kΩ；Re=2．2 kΩ；Ce=Cb=10μF；C1=C2=0．1μF；L为电感线圈，此时晶体管VT1为共射放大组态，工作在放大状态。
    系统正常状态下即无车经过时，传感振荡电路的输出信号us(t)为频率保持不变(f=f0)的正弦波。当有车经过时，us(t)的频率变大，即f=f'，其频率差为△f=f'-f0，范围大概在几百赫兹到几千赫兹。该电路的振荡频率f为：

   
    由式(1)可见，f与电路中电感L、电容C1，C2有关(C1，C2为固定值)，所以f为L的单值函数，当L发生变化时，该振荡电路的振荡频率也发生反方向变化。把地线圈作为L，直接连接到电路中，通过检测电路振荡频率的变化来反映L的变化，从而实现对金属物体的探测。
    设正常状态下即无车经过时的输出信号频率为f0，有车经过时的振荡频率为f’，则易获知：f’>f0。由于f’不易通过固定公式直接计算，而只能通过实验法大概估算，而且实际应用中无需知道f’的具体数值，只需估计△f=f’-f0的范围即可。[!--empirenews.page--]
3．2 探测电路
3．2．1 PLL电路设计
    通过检测锁相环判定是否有车辆经过。当车辆移动到埋入地下的线圈上时，传感电路的输出频率发生变化，PLL失锁，通过检测该失锁信号即可得知是否有车越道。因为该探测电路是以相对频率变化而不是绝对频率变化来判断是否有车辆经过，因此具有自我调节能力，不会因为周围的电磁环境改变而失效。
    在该设计中PLL用于跟踪传感电路输出信号的频率变化，产生本振信号u1(t)，具体要求是：
    (1)在us(t)的频率变化范围(f0~fmax)内，PLL锁定 换句话说，PLL的中心频率应设定在f0与fmax的之间，且PLL的“捕捉范围”应大于或至少等于us(t)的频率变化范围。这样就保证当频率发生变化时，PLL始终能够达到锁定状态。
    (2)PLL建立的锁定时间不能太长或太短如果建立的锁定时间太短，PLL很快锁定，不能看到差频信号。如果建立的锁定时间太长，PLL很难从失锁状态恢复到锁定状态，使得反映速度变慢。因此要选择适当的积分电阻R和C，选择适当的锁定时间。
    该设计选用了集成锁相环CD4046来实现。图2为其连接电路。根据CD4046的工作原理，其中心频率是由引脚6，7之间的C1及引脚11的接地电阻R1决定的，所以要选择适当的R1，C1，使得PLL的中心频率达到要求。为了增加PLL中心频率的可调性，在R1上串联一只可变电阻R2。因为这里的PLL对输入频率的宽度无要求，所以引脚12悬空。

    按照图2所示，调节可变电阻R3，使得引脚9的电压U9=Ucc/2=4．5 V，此时引脚4的输出频率即为PLL的中心频率。选取C1=1 000 pF，R1=5．1 kΩ，R2=10 kΩ，此时中心频率f0=23．7 kHz，刚好满足系统要求。
3．2．2 确定建立锁定时间
    根据锁相环CD4046的工作原理，建立锁定时间则由引脚13(或引脚2)与引脚9之间的积分电阻电容决定。引脚13的输出通过积分电容C2充放电，使得U9发生变化，从而调节VCO的输出，即引脚4的输出频率。

4 实验及其结果分析
    为了验证设计的可行性，在实验室做了验证试验。车辆和线圈都按相同比例缩小。采用直径为5 mm的普通，电线绕了100 cmx2 cm的线圈(匝数n=16)，用于模拟实际应用的地线圈；再用一块20 cmxl0 cm的矩形金属板模拟实际的车辆。实验证明，正常状态下的输出频率f0=23．7 kHz，有车经过时的最大输出频率(将金属板完全放在线圈上时所测得值)为fmax=24．5 kHz，因此△fmax=0．8 kHz。
    改变金属板到线圈的垂直距离，测量金属板移动到线圈上方后PLL的输出频率。实验结果表明，金属板距离线圈越近，PLL的输出频率越大。利用示波器观察PLL从失锁到锁定的状态发现，在金属板距离线圈2～15 cm时，均能观察到明显的从失锁到锁定的变化。当金属板长时间静止于线圈上时，PLL也均能恢复锁定状态。金属板到线圈的垂直距离，对应于实用中车辆底盘到地下线圈的距离，按相应比例看，实验所能测量的范围完全能满足实用的需要。因为实验是通过观察示波器判定PLL失锁的，为了效果明显，则设定的锁定时间较长。实用中可采用其他方式检测PLL失锁，以判定有车经过，可调整相应的电路参数，使锁定时间变得更短，探测灵敏度也会相应提高。实验证明，利用PLL实现的探测灵敏度完全达到系统要求。

5 结语
    采用锁相环技术实现的车辆检测技术比现行采用单片机计数的车辆检测技术可靠性更高，而且通过检测锁相环失锁判定是否有车量经过，是以相对的频率变化而非绝对的频率变化进行判断，因此具有自我调节能力，不会因为周围电磁环境的改变导致中心频率偏移而失效。因此本文提出的锁相环技术在提高灵敏度方面确有明显效果，而且成本低，具有广泛的应用前景。