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　摘要：隨著人民生活水平的不斷提高，汽車的普及率也越來越高，因而交通管理加重，急需對汽車車速有一個有效的檢測手段。本文介紹可用于智能交通中較常用的微波雷達測速更準確的新的汽車激光測速系統(tǒng)的設(shè)計，闡述激光測速的方法與特點，汽車激光測速系統(tǒng)的組成與原理、硬件電路的設(shè)計、主要芯片的選用等。

　　關(guān)鍵詞：激光測速 脈沖法 相位法 發(fā)射模塊 接收模塊 芯片 硬件

　　1、激光測速的方法與特點

　　隨著信息社會的發(fā)展和改革開放的不斷深入，人民生話水平不斷提高，使汽車的普及率也越來越高，交通事故也時有發(fā)生，因而迫切需要對運行汽車進行檢測，尤其是能對汽車車速有一個有效檢測手段，這也是現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)中的重要組成部分，是目前交通管理方面研究的熱點問題。

　　檢測汽車車速，大多用微波雷達測速，它除了檢測范圍大等優(yōu)點外，其檢測速度的準確值較差，因而研發(fā)了激光測速系統(tǒng)。

　　(1)激光測速的方法

　　激光測速的主要方法有下列二類：

　?、倜}沖法測速

　　激光脈沖法測速是在測距的基礎(chǔ)上實現(xiàn)測速。而激光測距是利用激光脈沖持續(xù)時間極短，能量在時間上相對集中，瞬時功率很大的特點進行測距，在有合作目標(biāo)的情況下，脈沖激光測距可以達到極遠的測程。在進行幾有米的近程測距時，如果精度要求不高，即使不使用合作目標(biāo)，僅利用被測目標(biāo)對脈沖激光的漫反射所取得的反射信號，也可以進行測距與測速。

　　激光脈沖法測速的原理是，當(dāng)系統(tǒng)工作時，脈沖激光由發(fā)射單元發(fā)射，以光速到達目標(biāo)物后反射回來被接收單元接收，通過激光脈沖法測距原理計算距離而得到目標(biāo)物距離，進而由連續(xù)測量的距離得到某段時間內(nèi)的平均速度，因為這個測量時間極短，因此這個平均速度可認為是瞬時速度，即實現(xiàn)脈沖激光的測速。

　?、谙辔环y速

　　激光相位法測速，也可由相位測距法多次測量距離來實現(xiàn)。連續(xù)激光測距一般最大可測距離達百余千米，采用合作目標(biāo)時可測幾百至幾十萬千米，且精度很高。在民用領(lǐng)域，如地形測量、產(chǎn)品誤差檢測等系統(tǒng)中，得到了普遍應(yīng)用。

　　一般，連續(xù)光波型激光測距儀的距離分辨率是很高的。通常，相位分辨率要達到一個周期的千分之一是很容易的。要同時保持高測量精度和大的測量范圍，還必須利用數(shù)個不同的調(diào)制頻率對同一距離進行測量，但這樣就會增加系統(tǒng)的電路復(fù)雜程度。

　　由激光相位法連續(xù)測量的距離，得到某段時間內(nèi)的平均速度，就實現(xiàn)了激光相位法測速。

　　(2)激光測速的特點

　　這種激光測速具有以下幾個特點：

　?、儆捎诩す夤馐鴱?、方向性好，其測速距離相對于雷達測速有效距離遠，可測1km外；

　?、跍y速精度高，誤差小于1km/h；

　?、奂す夤馐仨氁闇蚀怪庇诩す夤馐钠矫娣瓷潼c。由于被測車輛距離遠而處于移動狀態(tài)，是非合作目標(biāo)而不容易瞄準。目前美國激光技術(shù)公司已生產(chǎn)出帶連續(xù)自動測速功能的激光測速儀，專門用于解決這一問題。

　　④鑒于激光測速原理，激光測速儀不可能在運動中使用，只能在靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)用，所以一般交警都把儀器放在巡邏車上，停車靜止時使用；

　?、菁す鉁y速儀的取證能力遠遠大于雷達測速儀，因而受到全世界廣泛的認可和推廣；

　?、弈壳按蟛糠謬也捎玫募す鉁y速儀使用的是一類安全激光，對人眼晴安全。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　目前，市場上的手持式激光測距測速儀的激光工作物質(zhì)主要有下列幾種：

　?、俟ぷ鞑ㄩL為905nm和1540nm的半導(dǎo)體激光器；

　　②工作波長為1064nm的YAG激光器；

　　由于1064nm的波長對人體皮膚和眼睛是有害的,特別是如果眼睛不小心接觸到了1064nm波長的激光,則對眼睛的傷害可能是永久性的.所以,在國外,手持激光測距速儀中,完全取締了1064nm的激光..在國內(nèi),某些廠家還有生產(chǎn)1064nm的激光測距測速儀.對于905nm和1540nm的測距測速儀,可稱為 “安全”的激光測距測速儀.對于1064nm的激光測距測速儀,由于它對人體有潛在的危害性,所以被稱為“不安全”的激光測距測速儀。

　　因此，我們也選擇了安全的激光器波長，設(shè)計了用激光測量汽車速度的系統(tǒng)。

　　2、汽車激光測速系統(tǒng)的組成及原理

　　由上述可知，相位法測速測量精度高，適于觀測地形和誨浪起伏等需要更高精度的場合，但它對光路要求非常嚴格，設(shè)計復(fù)雜。針對民用交通測速，在遠程和精度不高的情況下，脈沖測速功率較大，系統(tǒng)比相位法簡單，易實現(xiàn)，更易于操作，整個系統(tǒng)較其他方法易達到使用者需求。因此，應(yīng)用在交通控制如電子警察方面，脈沖測速法無疑是最好的一種方法。

　　但是，不管脈沖法還是相位法，激光測速系統(tǒng)對于測量角度要求非常高，測速系統(tǒng)應(yīng)該正對運動物體的運動方向，測量偏差角度應(yīng)該小于10o，這樣才能保證準確測量。如圖1所示。
 

 圖1、激光測速系統(tǒng)測量角度示意圖

　　激光脈沖測速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　激光脈沖測速系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、硬件電路與軟件處理3大部分組成。其中，光學(xué)系統(tǒng)部分由光學(xué)準自部分、分光系統(tǒng)組成；硬件電路部分由發(fā)射模塊(包括脈沖驅(qū)動電路)、接收模塊(包括信號放大、整形濾波、計數(shù)電路)、計算機接口電路組成；軟件處理部分由CPLD脈沖驅(qū)動、計數(shù)程序和單片機串口程序，以及與上位機通信處理部分組成。

　　在圖4內(nèi)，虛線框內(nèi)是激光發(fā)射和接收的光學(xué)系統(tǒng)。圖中，①、③、⑤為雙膠合透鏡；②、④為分束鏡；⑥為窄帶濾波片。這種濾波片的主峰波長為905nm，半寬2nm，主峰偏差0.5nm。

　　激光發(fā)射模塊由脈沖驅(qū)動電路、激光器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)組成；激光接收模塊由接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器、整形濾波電路與計數(shù)接口電路組成。此外，激光電源由160V高壓電源和12V與5V低壓電源組成。

　　激光脈沖測速系統(tǒng)的基本工作原理是，通過雙膠合透鏡①，將激光器發(fā)出的脈沖光聚焦為平行光發(fā)射(即激光器的準自系統(tǒng))，然后一部分光經(jīng)分束鏡②、④到光電探測器，這是計時開始時刻t1；大部分光經(jīng)雙膠合透鏡③匯聚后射向目標(biāo)點，經(jīng)目標(biāo)點反射回來的散射光先通過笮帶濾波片⑥濾除雜波，再由雙膠合透鏡⑤將微弱的反射光會聚到小面積的光電探測器上，這是計時結(jié)束時刻t2。這樣，就可得到第1次測量的距離S1=(t2-t1)c/2。同理，對應(yīng)第2次測量計時開始時刻t3與計時結(jié)束時刻t4，可得到測量的距離S2，因而可計算出這段時間內(nèi)的平均速度

　　(1)

　　由于測量時間極短，因此這個平均速度可以認為是瞬時速度(注：任意兩次測量開始的時間間隔Δt一樣，即驅(qū)動電路重復(fù)頻率的倒數(shù))。

　　值得提出注意的是，天氣是制約激光測速的重要因素，如在大霧天氣時激光測速的效果就較差。因為在激光脈沖傳播途中存在漫反射，所以為擴大測量范圍、提高測量精度，激光脈沖應(yīng)具有足夠的強度。無論怎樣改善光束的方向性，總不可避免要有一定的發(fā)散，再加上空氣對光的吸收和散射，目標(biāo)越遠，反射回來的光能量就越弱，甚至根本接收不到。因此，為了測量較遠的距離，一方面要使光源發(fā)射具有較高功率密度的光強；另一方面要求激光脈沖的方向性要好。這樣，可以把光的能量集中在較小的發(fā)散角內(nèi)，以射得更遠一些，光斑更小一些，從而也可準確判斷目標(biāo)的方位。

　　上述兩種措施雖可擴大測量范圍，但要提高測量精度，對激光脈沖也還有以下三點要求：

　?、偌す饷}沖的單色性要好。因為無論白天還是黑夜，空氣中總會存在著各種殺雜散光，它往往會比反射回來的光信號強得多。所以，激光脈沖的單色性越好，窄帶濾波片的效果就越佳，就越能夠有效提高接收系統(tǒng)的信噪比，保證測量的準確性；#p#分頁標(biāo)題#e#

　?、诩す饷}沖的寬度要窄。即脈沖上升時間和持續(xù)時間要短。因為光速極快，光往返時間極短，光脈沖周期至少應(yīng)該遠遠小于光往返時間才能正常測量，并且減小測量誤差，還可以提高系統(tǒng)的信噪比；

　?、劢邮盏奶綔y器的響應(yīng)速度要足夠快。這樣，才能有效地提取脈沖信號。

　　此外，影響激光脈沖測速的范圍和精度的因素還有：接收機帶寬，計數(shù)器計數(shù)的精度，天氣變化，統(tǒng)計的脈沖誤差等。

　　3、汽車激光測速系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

　　激光脈沖測速系統(tǒng)的硬件電路部分主要由發(fā)射模塊、接收模塊和計算機接口模塊3部分組成。激光脈沖測速系統(tǒng)的發(fā)射模塊硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖3所示。

　　

圖3、激光測速系統(tǒng)的發(fā)射模塊硬件結(jié)構(gòu)框架圖

　　激光測速系統(tǒng)的發(fā)射模塊主要由激光管PGEW3S09、驅(qū)動芯片MIC4452及CPLD芯片等構(gòu)成。其工作原理是，從JTAG接口下載程序到CPLD芯片后，CPLD芯片不需要初始化，上電便開始工作，即為由激光管PGEW3S09提供驅(qū)動脈沖，同時驅(qū)動芯片MIC4452也開始工作。CPLD將在上電后發(fā)出極小占空比的測速脈沖，然后將脈沖送給驅(qū)動芯片MIC4452。激光管PGEW3S09的輸入端連接驅(qū)動芯片MIC4452的輸出端，由驅(qū)動芯片MIC4452產(chǎn)生大電流脈沖驅(qū)動，并使激光管PGEW3S09產(chǎn)生脈沖激光輸出。

　　激光測速系統(tǒng)的接收模塊和計算機接口模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

　　

圖4、激光測速系統(tǒng)的接收模塊和計算機接口模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　激光測速系統(tǒng)的接收模塊和計算機接口模塊的基本工作原理是，當(dāng)激光脈沖經(jīng)目標(biāo)物反射回來后，由接收光學(xué)系統(tǒng)進行聚焦，集中光能投射至雪崩光電二極管APD。APD將接收到的激光脈沖進行光電轉(zhuǎn)換，變成電信號進入放大器Ua733。而放大器雖放大了信號，但也同時放大了噪聲，因而不能提高信噪比。所以，要讓信號繼續(xù)通過比較器MAX913，這樣就可設(shè)定一閾值，以提取出”干凈”的脈沖信號，從而好提高測量精度。經(jīng)過比較的信號進入CPLD芯片，進行計數(shù)和處理，再通過單片機處理，由串口總線送入到PC中進行計算處埋，從而顯示輸出所測速度值。

　　4、汽車激光測速系統(tǒng)主要電路芯片選擇

　　(1)激光發(fā)射模塊主要芯片選擇

　　由前述己知，激光測速系統(tǒng)的發(fā)射模塊主要由激光管PGEW3S09、驅(qū)動芯片MIC4452及CPLD芯片等構(gòu)成。

　　①選定的激光二極管為美國EG&G公司生產(chǎn)的PGEW3S09，該管內(nèi)部是一個容性負載，其典型值是300pF。顯然，對一個大的電容負載進行充、放電需要很大的電流。

　　激光二極管PGEW3S09在10kHz頻率下進行工作至少需要10A的電流。并且，脈沖電流的脈沖寬度必須要小于激光管的發(fā)射光脈沖的脈寬30ns。

　?、谝心軡M足驅(qū)動激光二極管PGEW3S09的驅(qū)動芯片，現(xiàn)選定MIC4452。該芯片是MICREL公司生產(chǎn)的一款超強、高效，易于使用且非轉(zhuǎn)化型的CMOS MOSFET驅(qū)動芯片，它能產(chǎn)生12A的峰值電流輸出，可以綽綽有佘地驅(qū)動最大MOSFET，在沒有任何外部電容和電阻網(wǎng)絡(luò)的情況下，輸入范圍在2.4V～Us之間。電路的輸入允許最大5V的負向擺動而不破壞器件。附加電路保護器件不受靜電的破壞。

　　由于PGEW3S09的容性負載為300Pf，實際上用MIC4452對應(yīng)的上升和下降時間為5ns左右，這樣脈沖的邊沿比較陡，產(chǎn)生的脈沖波形比較好，有利于提高測量精度。

　?、劭删幊踢壿嬈骷x用EPM7032S，它是基于Altera公司第2代多陣列矩陣(MAX)緒構(gòu)，由邏輯陣列塊(LAB)、可編程連線陣列(PIA)、I/O控制塊等部分組成，并具有高阻抗、電可擦等特點。

　　設(shè)計開發(fā)環(huán)境采用Altera公司的MAX+Plus Ⅱ軟件工具。它是一種集設(shè)計輸入、編譯、仿真、綜合、器件編程等功能于一體的完全集成化，易學(xué)易用的可編程邏輯設(shè)計軟件。設(shè)計人員無須詳細了解器件內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，只需選擇自己熟悉的設(shè)計輸入的方法和工具，即可進行設(shè)計輸入。該軟件提供了一種真正與結(jié)構(gòu)無關(guān)的可編程邏輯設(shè)計環(huán)境，它支持不同結(jié)構(gòu)的器件，如FLEX、MAX、CLASSIC系列器件等。這樣，根據(jù)算法流程圖就可容易地設(shè)計出VHDL源文件，然后輸入到MAX+Plus Ⅱ軟件中進行調(diào)試、仿真。通過仿真波形和時序分析等功能可以驗證設(shè)計的正確性，并能迅速地在不改變硬件電路的情況下修改設(shè)計，因而可大大縮短設(shè)計周期，提高效率。當(dāng)確認設(shè)計無誤后，生成的可配置文件通過Altera公司的編程電纜ByteBlaster裝入到可編程邏輯器件EPM7032S中，然后通過調(diào)試即可完成整個設(shè)計。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　(2)發(fā)射模塊脈沖驅(qū)動電路的設(shè)計

　　發(fā)射模塊脈沖驅(qū)動電路是非常重要的，因為脈沖驅(qū)動信號，如脈沖的上升與下降時間和脈寬將直接影響輸出信號的質(zhì)量和測量精度。我們選用的CPLD已廣泛應(yīng)用在各種脈沖驅(qū)動電路的設(shè)計中。CPLD的時鐘延遲可達納秒級，其連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)也決定了它的時序延遲是均勻的和可預(yù)測的。

　　由于設(shè)計要求核心是計數(shù)器，即要求準確的確定時間，因此器件內(nèi)部的時延是必須考慮的而且將準確地預(yù)測，并且對時序的要求比較嚴格，這也是選CPLD的原因。

利用MAX+Plus Ⅱ?qū)PLD進行開發(fā)的一般流程如圖5所示。

　?、倜}沖驅(qū)動電路組成原理                               

 

圖5、CPLD開發(fā)流程

　　脈沖驅(qū)動電路主要由晶振、驅(qū)動芯片MIC4452及可編程邏輯器件EPM7032S組成。晶振的主要作用是提供一個50MHz的標(biāo)準時鐘，EPM7032S中下載有產(chǎn)生所需驅(qū)動脈沖的程序，產(chǎn)生脈寬20～25ns，重復(fù)頻率10～15kHz的脈沖，輸出的驅(qū)動脈沖最終經(jīng)過驅(qū)動芯片MIC4452，出來的就是供給激光管PGEW3S09的驅(qū)動脈沖并使之發(fā)射脈沖激光。驅(qū)動電路的設(shè)計實現(xiàn)框圖如圖6所示。

　　

圖6、驅(qū)動電路的設(shè)計實現(xiàn)框圖

　?、趯崿F(xiàn)驅(qū)動電路的方法

　　產(chǎn)生所需要的符合脈寬(20～25ns)和頻率要求(10～15kHz)的脈沖，提供給驅(qū)動芯片作為周期性脈沖觸發(fā)信號，可以有下述二種方法：

　　·方法1：利用555芯片和CPLD實現(xiàn)驅(qū)動電路

　　集成電路555是其內(nèi)部含有3個5kHz電阻而得名。雖然它產(chǎn)生的脈沖頻率和占空比可調(diào)，但還不能滿足對脈寬和占空比的要求。因此可先用555產(chǎn)生占空比50%的5kHz脈沖，再用CPLD來精傭地調(diào)節(jié)占空比和脈寬。

　　可將利用555得出的占空比為50%的時鐘信號(5kHz)輸入一個LCELL延時鏈路，再把延時的結(jié)果和輸入前的時鐘信號作一次異或再輸出，就是所需要的10kHz、占空比為0.025%的信號，其脈沖寬度為25ns，基本符合要求。值得提出的是，CPLD各個器件的延時是不一樣的，因此在實際使用時對延時次數(shù)還需要多次測試，并且這個延時次數(shù)與所選的器件有關(guān)，現(xiàn)利用LCELL延時7次。

　　利用MAX+Plus Ⅱ設(shè)計的邏輯電路如圖7所示。

　　

圖7、利用MAX+Plus Ⅱ設(shè)計的邏輯電路

　　通過這種方法，得到了驅(qū)動脈沖的周期為100μs的信號，也就是重復(fù)頻率10kHz、脈沖寬度為25ns的符合要求的信號。

　　·方法2：利用CPLD的邏輯實現(xiàn)驅(qū)動電路的設(shè)計

　　學(xué)電子的人知道，分頻器是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的基本電路，根據(jù)不同的設(shè)計需要，可用它作偶數(shù)分頻、奇數(shù)分頻、半整數(shù)分頻等，有時要求等占空比，也有時要求非等占空比。在同一設(shè)計中，有時要求多種形式的分頻。通常，由計數(shù)器或計數(shù)器的級聯(lián)構(gòu)成各種形式的偶數(shù)分頻及非等占空比的奇數(shù)分頻，實現(xiàn)較為簡單。

　　利用CPLD的邏輯實現(xiàn)驅(qū)動電路如圖8所示。

　　

圖8、利用CPLD的邏輯實現(xiàn)驅(qū)動電路圖

　　由圖8可知，分頻器由帶使能端的異或門、模N計數(shù)器和一個2分頻器組成。設(shè)計用D觸發(fā)器來完成2分頻的功能，實現(xiàn)方法是將觸發(fā)器的Q反輸出端反饋回計數(shù)器的清零端，將計數(shù)器的一個計數(shù)輸出端作為D觸發(fā)器的時鐘輸入端。

　　這種方法主要使用了計數(shù)器的進位思想，首先使用16位計數(shù)器中的12位作為進位控制，這樣每212個輸入脈沖產(chǎn)生一個進位脈沖，同時輸入脈沖取反后接到D觸發(fā)器的時鐘上，D觸發(fā)器的輸出作為計數(shù)器的清零信號，需要的驅(qū)動脈沖由D觸發(fā)器輸出信號取反獲得。

　　在設(shè)計中，輸出驅(qū)動脈沖的脈寬由原始輸入脈沖的周期決定，驅(qū)動脈沖的重復(fù)頻率由計數(shù)器的計數(shù)位數(shù)決定。如原始輸入脈沖的周期為20ns(50MHz)，則輸出脈沖的脈寬等于輸入脈沖的一個周期20ns，而輸出脈沖的周期等于輸入脈沖的一個周期與計數(shù)器最大計數(shù)值的乘積。即 20ns×4000=80μs。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　利用MAX+Plus Ⅱ仿真即可看到，在輸入脈沖為50MHz、占空比為50%時，輸出驅(qū)動脈沖的周期為80μs(即重復(fù)頻率12.5kHz，脈寬為20ns)，與設(shè)計分析結(jié)果一致。如果需要改變輸出驅(qū)動脈沖的脈寬，可以通過改變輸入脈沖的頻率實現(xiàn)；同樣，如果需要改變輸出驅(qū)動脈沖的周期(頻率)，可以通過改變計數(shù)器的計數(shù)位數(shù)實現(xiàn)。

　　·方法1、2的比較

　　雖然，兩種方法都能實現(xiàn)要求，但在使用第1種方法時要考慮以下2種情況：

　　一是使用555產(chǎn)生占空比為50%的5kHz脈沖，這是輸入到CPLD的原始脈沖。由于實際應(yīng)用中對555的PCB布線或者元器件的選擇、焊接等問題，會使得555產(chǎn)生的原始脈沖的上升和下降沿需要一定的時間，這將給后面的接收帶來誤差。

　　二是使用LCELL器件延時要注意，對于不同型號的CPLD，該器件的延時時間不同，這意味著如換了不同型號的CPLD，邏輯電路要重新測試和仿真。

　　第2種方法是直接把晶振作為原始輸入脈沖，經(jīng)過邏輯運算得到驅(qū)動脈沖，結(jié)果比方法1更為準確。并且，對于這種方法的邏輯電路，不同型號的CPLD的仿真結(jié)果是一致的，不需要因為更換CPLD的型號而重新設(shè)計邏輯電路。因此，方法2有更高的準確性和更強的實用性。

　　(3)接收模塊主要芯片選擇

　　在接收模塊中，為保證實時信號處理中連續(xù)工作的探測器采集到的數(shù)據(jù)不丟失，就必須要求脈沖信號采樣和數(shù)據(jù)傳輸能夠同時進行。因此，要求接收模塊的芯片有很強的快速處理能力。

　　在接收模塊中，除選好與發(fā)光器件對應(yīng)波段的光電探測器件APD外，主要芯片是前置放大器與高通比較器。

　　①前置放大器Ua733M

　　前置放大器Ua733M的選用，主要從頻帶寬度、輸入阻抗和放大倍數(shù)來考慮。

　　·頻帶寬度

　　對于脈沖信號，其主要頻譜能量集中在Δf=0～1/tn以內(nèi)(tn為脈沖寬度)。在光譜測量、光電跟蹤等系統(tǒng)中，并不要求嚴格保持脈沖信號的形狀，所以為了得到好的信噪比而犧牲高頻分量。但在脈沖激光測距、掃描成像等系統(tǒng)中，要保持脈沖形不失真或失真很小，這就要求能通過高頻分量。

　　放大器對矩形脈沖的響應(yīng)特性與放大器的帶寬有關(guān)。脈沖寬度越窄，要求放大器的帶寬越寬，否則矩形脈沖將會被展寬，其幅度也會隨之下降。Δf為放大器的3dB帶寬，隨著Δf的加寬，輸入信號與帶寬的平方成正比，峰值功率上升，響應(yīng)時間縮短。但帶寬在增加，則響應(yīng)時間減少，輸出信號的功率很快達到常數(shù)且與帶寬無關(guān)。由于輸出噪聲功率與帶寬線性增加，因而有一最佳帶寬，此時信噪比最大。

　　對于矩形脈沖，當(dāng)Δf×τ=0.5時，就出現(xiàn)最大值；而對于其他各種脈沖，獲得性噪比的帶寬都在Δf×τ=0.25～0.75的范圍內(nèi)。

·輸入阻抗

　　放大器的輸入阻抗越大越好，輸入阻抗越高，驅(qū)動這一放大器所需要的電流就越?。划?dāng)輸入阻抗非常高時，則幾乎不會消耗信號電流就可以驅(qū)動這一級工作電路。由于能耗限制，低電流工作有利于降低功耗。

　　·放大倍數(shù)

　　放大倍數(shù)是由接收到的返回脈沖的能量決定的。而接收到的能量又取決于發(fā)射光的能量、大氣損耗、反射面的反射特性、光斑大小、接收面的大小、光電探測器的轉(zhuǎn)換效率等諸多因素。

　　根據(jù)上面3個因素，特選用美國德州儀器公司放大芯片Ua733M，它是有著微分輸入和微分輸出的單片放大器。它內(nèi)部的串行反饋電路使它具有寬頻帶、低相位失真和極好的增益穩(wěn)定性；射極跟隨器輸出使它可驅(qū)動容性負載，并且所有的極都通過電流源偏置來獲得高的共模抑制比。如果沒有外部元件，它可以實現(xiàn)10、100、400個擋位的放大。

　　通過改變連接在芯片引腳1A和1B之間電阻的大小，可實現(xiàn)放大倍數(shù)在10～400范圍內(nèi)連續(xù)變化。連接引腳1A和1B、2A和2B的差分輸入連續(xù)可調(diào)放大倍數(shù)的連接圖如圖9所示。

　　通過對可調(diào)電阻Radj的調(diào)節(jié)，即可實現(xiàn)從10～400倍的放大。顯然，放大倍數(shù)和輸入信號的頻率有很大的關(guān)系，信號的頻率越高，可實現(xiàn)的最大放大倍數(shù)會相應(yīng)地下降。但設(shè)計中的工作頻率只有10kHz左右，因此對放大倍數(shù)幾乎沒有影響。     #p#分頁標(biāo)題#e#

 

圖9、差分輸入連續(xù)可調(diào)放大倍數(shù)的連接

　?、诟咚俦容^器MAX913

　　選用的高速比較器MAX913是MAXIM公司的一款高速、低耗TTL電平輸出的比較器。它有著差分輸入和補償輸出，極小的傳輸延時(10ns)，極低的供電電流和寬的共模輸入范圍(包括負向)，因而使MAX913成為低功耗、高速、單5V(或±5V)應(yīng)用的理想選擇。如V/F轉(zhuǎn)換、開關(guān)調(diào)節(jié)等。

　　MAX913的輸出在整個線性區(qū)保持穩(wěn)定，這一特性消除了在使用低速輸入信號驅(qū)動時高速比較器不穩(wěn)定這一常見的問題。

　　一個比較器可以認為有2個部分：一個輸入放大器與一個邏輯接口。這個輸入放大器是完全的微分輸入，常溫下輸入偏移電壓小于2.0mV。并且，MAX913極小的傳輸延時(一般為10ns)，保證它具有極快的處理速度。MAX913的典型的連接電路如圖10所示。圖中，IN+是需要比較的電壓信號輸入，利用IN-的電位調(diào)節(jié)比較電平，其調(diào)節(jié)范圍為-5V～Vcc。                              

 

圖10、MAX913的典型的連接電路

　　比較器的上升沿和下降沿在常溫時，可以有5mV的過載驅(qū)動能力，此時MAX913的最高時鐘和信號速率為70MHz；在有20mV的過載驅(qū)動下，器件的最大傳播延時為12ns，并且時鐘和信號速率為85MHz。

　　對于高精度的計數(shù)，信噪比是必須要考慮的問題，高速比較器的作用就在于此。利用比較器需設(shè)定比較電平，而比較電平主要的參考是噪聲信號的電壓幅度，比較電平應(yīng)高于噪聲信號的電壓幅度值而低于信號的電壓電平。比較電平(門限)的設(shè)定要盡量小一點，這樣可降低系統(tǒng)的功耗，但太小會濾除不了噪聲，太大又會提取不出激光信號。由于噪聲信號的強度和實際的背景光的強度有密切的關(guān)系，因背景光的強度越高，噪聲電平越高。在經(jīng)過比較濾波后，噪聲得到了最大限度的抑制，背景光基本濾除。一般，通過設(shè)置門限來進行初步識別。但如何設(shè)置門限值，對于提取正確信號有著極大的影響。通常，在設(shè)置門限后，認為高于門限的值，都有可能為激光的回波信號。

　?、蹎纹瑱CSTC89C51的應(yīng)用

　　單片機在實際中應(yīng)用非常廣泛，設(shè)計使用單片機，通過串口用來傳輸數(shù)據(jù)。選擇的單片機STC89C51可以使用串口下載程序，不用買比較貴的編譯器而降低了成本，另外它的保密性也非常好。

　　STC89C51系列單片機片上有UART用于串行通信；有兩個SBUF，一個用作發(fā)送緩沖器，一個用作接收緩沖器。在完成串口的初始化后，只要將數(shù)據(jù)送入發(fā)送SBUF，即可按設(shè)定好的波特率將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而在接收到數(shù)據(jù)后，可以從接收SBUF中讀到接收到的數(shù)據(jù)。

　　(4)計算機接口模塊芯片選擇

　　由圖 的計算機接口模塊中可看出，主要是MAX232芯片。這是由于接收模塊中的單片機STC89C51需要和PC機進行串口通訊。因為電腦串口RS232電平是-10v +10v，而一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平0 +5v，顯然兩者之間必須進行電平轉(zhuǎn)換。而這個電平轉(zhuǎn)換的接口模塊，采用了專用芯片MAX232。

　　MAX232是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準的芯片。該器件是雙通道RS232線性驅(qū)動/接收器，即

　　包含2個驅(qū)動器、2個接收器和一個電壓發(fā)生器電路，以提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。

　　5、結(jié)束語

　　上面詳細介紹了用于智能交通中的汽車激光測速系統(tǒng)的設(shè)計，硬件電路的組成，主要芯片的選擇等，可供智能交通與電子警察技術(shù)人員研發(fā)及管理人員選用參考。

　　實踐證明，所設(shè)計的汽車激光測速系統(tǒng)，不僅技術(shù)先進、測速精度高、性價比高，且結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活方便，實用性強，不久將會獲得廣泛的應(yīng)用。