CN103033640A

CN103033640A - 一种运用fpga进行车速实时检测的方法

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Publication number: CN103033640A
Application number: CN2012105289517A
Authority: CN
Inventors: 凌云; 钱锐; 李春艳; 王鑫磊; 王珊; 胡建军; 李�杰; 陈旺; 李耀伟; 李晴; 张领辉; 苏瑾; 刘春生
Original assignee: China North Vehicle Research Institute
Current assignee: China North Vehicle Research Institute
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: CN103033640B

Abstract

本发明涉及一种运用FPGA进行车速实时检测的方法，属于信号处理技术领域。为解决现有技术的问题，本发明所提供的方法，通过预定基频大小，消除噪声干扰，组合采用检测方案，从而可以有效检测实时车速，尤其是在现场干扰特别严重、实时检测的精度和可靠性要求特别高的情况下，如实时磁电式车速信号、磁电式转速脉冲信号等，通过将信号实时周期的检测方法应用于车辆控制技术中，来有效对车速进行实时检测，不仅满足实时性方面的需求，而且同时还能满足稳定性方面的需要，特别适用于军用车辆的车速信号的检测。该方法可以显著提高磁电式转速传感器以及霍尔式转速传感器的工作效率以及精度。

Description

一种运用FPGA进行车速实时检测的方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种运用FPGA进行车速实时检测的方法。

背景技术

目前，车速的检测主要有两大类检测方法：一类是采用脉冲计数法，通过检测一定时间内能得到的脉冲个数，从而计算得到车速，这种方法的优点是检测的抗干扰能力比较强，少数脉冲错误不会导致检测结果失效，缺点是检测的结果是一段时间内的平均结果，因此实时性比较差；另一种方法是检测瞬时脉冲的周期，从而得到车速，这种检测的优点是实时性好，但如果出现错误脉冲，就会导致检测结果错误，因此稳定性不佳。

对于磁电式转速传感器，输出信号的频率与转速成正比，输出信号的幅值随着转速的提高而增大。因此，为了获得稳定的转速信号，需要对磁电式传感器的输出信号进行限幅和放大；由于磁电式转速传感器的安装间隙对输出信号的幅值影响很大，而实际工程安装时，间隙很难保证一致，因此，信号的幅值很不稳定。由于以上原因，磁电式传感器的输出信号结果放大和整形后的信号常常都包含噪声，而且夹杂瞬态脉冲毛刺。对于军用车辆，如坦克车辆，由于有很多电气系统同时工作，电源电压很不稳定，这样会造成车速信号很不“干净”，这些对测试的实时检测带来困难。

对于霍尔式转速传感器，其抗干扰能力差，输出脉冲由于干扰太多，用传统的计数法和周期测量法都很难解决抗干扰问题，因此在车速检测中应用较少。

由于车速是车辆电控系统的重要信号，稳定可靠地检测车速非常重要，因此如何提供一种抗干扰能力强、适应性好、实时性和稳定性都优良的检测方法来实现对车速的检测，是本领域技术人员需要迫切解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种实时性及稳定性兼备的车速检测方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种运用FPGA进行车速实时检测的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：根据最高车速测量要求的分辨率精度和最低车速检测的需求，依据FPGA芯片的时钟产生滤波处理所需要的基频大小；

步骤S2：以步骤S1中获得的基频大小为基准，根据具体实际情况设定不同大小的滤波宽度，并对外部输入的脉冲频率信号进行滤波处理，过滤掉干扰脉冲，生成经过滤波处理的转速脉冲频率信号；

步骤S3：对于步骤S2中经过滤波处理的转速脉冲频率信号，根据实际情况的需求，实施基于单周期的周期检测法、基于计数器的计数检测法和/或平均周期检测法，获得检测结果；

步骤S4：中央处理器根据上述检测结果完成转速脉冲检测。

其中，所述步骤S1，在应用于不同转速脉冲频率信号的检测过程中，对于转速脉冲频率高的信号，用于滤波的基频大小设置较高，对于转速脉冲频率低的信号，用于滤波的基频大小设置较低。

其中，所述步骤S1中，对于转速脉冲频率高的信号，用于滤波的基频大小设置为1KHz～20KHz，对于转速脉冲频率低的信号，用于滤波的基频大小设置为10Hz～200Hz。

其中，所述步骤S2中，对于电气环境比较恶劣的情况，所述滤波宽度设定为较宽；对于电气环境较好的情况，所述滤波宽度设定为较窄。

其中，所述步骤S2中，对于噪声范围稳定的情况下，所述滤波宽度设定为与噪声范围相匹配的固定宽度；对于噪声范围不稳定且噪声来源复杂的情况下，所述滤波宽度设定在输入的转速脉冲频率信号最高频率所对应的时间周期的10％以内。

其中，所述步骤S2中，在进行滤波处理的过程具体包括：

步骤S201：首先判断当前接收的脉冲频率信号与之前接收的转速脉冲频率信号是否同为高电平或同为低电平，若相同，则直接将当前接收的脉冲频率信号作为经过滤波处理的转速脉冲频率信号并输出；若不同，则进入步骤S202；

步骤S202：对于与之前接收的转速脉冲频率信号的电平不同的脉冲频率信号，将其与前述设定的滤波宽度进行比对，若脉冲频率信号宽度大于滤波宽度，则将当前接收的脉冲频率信号作为经过滤波处理的转速脉冲频率信号并输出；若不同，则将当前接收的脉冲频率信号作为干扰噪声信号滤除。

其中，所述步骤S3中，在对实时性要求较高的情况下，实施基于单周期的周期检测法和/或平均周期检测法；在对稳定性要求较高的情况下，实施基于计数器的计数检测法和/或平均周期检测法；在对实时性以及稳定性要求兼顾的情况下，实施平均周期检测法。

其中，所述步骤S3中，所述平均周期检测法中：首先根据实际检测状态预设定检测时间长度、检测在该时间长度内的完整脉冲周期个数以及该时间长度内完整脉冲周期的大小，根据所述完整脉冲周期个数以及完整脉冲周期的大小来确定平均周期大小。

(三)有益效果

本发明技术方案提供一种运用FPGA进行车速实时检测的方法，尤其是在现场干扰特别严重、实时检测的精度和可靠性要求特别高的情况下，如实时磁电式车速信号、磁电式转速脉冲信号等，通过将信号实时周期的检测方法应用于车辆控制技术中，来有效对车速进行实时检测，不仅满足实时性方面的需求，而且同时还能满足稳定性方面的需要，特别适用于军用车辆的车速信号的检测。该方法可以显著提高磁电式转速传感器以及霍尔式转速传感器的工作效率以及精度。

附图说明

图1为本发明实施例中利用FPGA芯片对车速进行实时检测的流程原理示意图。

图2为本发明实施例中利用FPGA芯片对脉冲信号进行滤波的流程原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为了解决现有技术中不能兼顾实时性和稳定性的不足以及其它的上述问题，本发明提供一种运用FPGA进行车速实时检测的方法，该方法不仅能够可以实时检测车速的瞬时值，还具有良好的稳定性，以及良好的适应性和抗干扰能力，可以广泛应用于磁电式转速传感器和霍尔式转速传感器，特别适合于车辆的实时车速的检测。

所述方法包括如下步骤：

步骤S4：中央处理器根据上述检测结果完成转速脉冲检测。

其中，所述步骤S2中，对于电气环境比较恶劣的情况，由于噪声比较严重，噪声峰值可能会有比较突出的情况，为了对噪声进行比较精确的消除，所述滤波宽度可以设定为较宽；而对于电气环境较好的情况，由于噪声情况相对而言不太复杂，高峰值的情况也不多见，因此，所述滤波宽度可以设定为较窄即足用。至于，较宽或较窄的具体选择，基于本领域公知常识，对于不同实际路况车况的条件，很难给出统一的标准，但本领域技术人员，完全可以基于实际情况的限定、特征、要求，来针对性选择对应的滤波宽度，这里的较宽或较窄，仅代表滤波宽度选择受噪音环境影响来决定。

其中，所述步骤S2中，对于噪声范围稳定的情况下，所述滤波宽度设定为与噪声范围相匹配的固定宽度；对于噪声范围不稳定且噪声来源复杂的情况下，所述滤波宽度设定在输入的转速脉冲频率信号最高频率所对应的时间周期的10％以内。举例而言，一般对于高频至20KHz的脉冲信号，基于技术人员的经验，可以将滤波宽度设置在50ms以内。这是因为，对于车速检测中的噪音干扰，其宽度一般较窄，所以可以通过设定一定的滤波宽度阈值来剔除低于滤波宽度阈值的噪音干扰信号。

其中，所述步骤S2中，在进行滤波处理的过程具体包括：

其中，所述步骤S3中，在对实时性要求较高的情况下，比如车辆控制、制动操作时，可以实施基于单周期的周期检测法和/或平均周期检测法；在对稳定性要求较高的情况下，比如进行人机显示、状态参考时，可以实施基于计数器的计数检测法和/或平均周期检测法；在对实时性以及稳定性要求兼顾的情况下，实施平均周期检测法。

下面结合实施例来具体说明。

实施例

本实施例通过对FPGA进行编程，然后将编程结果下载到FPGA中，让FPGA用芯片硬件的方式实现对转速信号的检测。如图1所示，FPGA芯片对转速的检测分为两大阶段，第一阶段是检测时钟的产生，根据现场转速脉冲的频率范围，进行转速脉冲检测的基准也不一样，该频率与产生转速脉冲的齿轮齿数和转速范围有关，比如齿轮数较多时，自然转速频率高，对应所设定的基频较高的情况可以在1KHz～20KHz以内，而与之相反，设定的基频较高的情况可以在10Hz～200Hz以内；第二阶段是以第一阶段的时钟为基准，首先对外部转速脉冲进行滤波处理，再对处理后的脉冲进行三种方式的同步检测：基于单周期的周期检测法、基于计数器方式的计数检测法和/或平均周期法。由于是硬件操作，全部的检测工作是并行的，三种检测的结果会同时检测得到，CPU可以同时读取三种方式检测结果，从而实现完备的转速脉冲检测。

转速信号的滤波是本发明的关键，本方法的滤波参数可以根据情况具体设定，从而可以适应不同的噪声干扰情况下的信号检测。其中，FPGA对脉冲信号进行滤波的原理如图2所示。通过设定不同的滤波宽度，就可以实现对脉冲信号的滤波功能，滤波的依据就是信号的脉冲频率必须大于阈值，否则就认为输入的干扰信号，信号保持原来的状态，信号变化就可以滤除掉。对于瞬态干扰、以及由于信号本身的波动造成信号输出信号出现瞬态高频脉冲现象具有很好的滤波效果。

单周期脉冲周期的采集方法、以及基于计数模式的脉冲频率测量方法与传统周期法相同。定时间内完整周期个数的计数器，用于判断在固定周期内有多少个脉冲进入，比如100毫秒内，有多少个脉冲输入，用FPGA对100毫秒内的脉冲个数N进行计数，同时用另外一个定时器检测N个脉冲所经历的时间T，再用时间T除以N就可以达到每个周期的长度，从而可以确定瞬时频率。

本实施例中的转速滤波基频可以根据实际情况设定大小，从而适用于各种转速脉冲频率信号的测量，对于转速脉冲频率高的信号，可以设定滤波基频较高，对于转速脉冲频率低的信号，可以设定滤波基频较低。

本实施例中的转速信号滤波的噪声宽度可以根据情况设定，对于电气环境比较恶劣的情况，可以设定宽度较大、对于电气环境较好的情况下，可以设定较小，一般设定在1个字节的范围内即可。数字信号滤波是进行转速信号检测的重要内容，实现稳定检测的基础。

本实施例中的单周期检测方法中，检测的时间分辨率是可以根据测试情况来设定的，主要结合考虑在高速情况下的周期分辨率和低速情况下的最低车速的检测。

本实施例在第二阶段中提出了一种全方位的转速信号检测方法，同时可以提供三种检测结果，应用系统可以同时读取三个结果：计数法检测结果、定时间内多周期检测结果以及单周期检测结果。从抗干扰性能的角度来分析：计数法最稳定，定时间内多周期检测法次之，单周期检测最差；从检测的实时性的角度看：单周期检测方法最快，定时间内多周期检测法次之，单周期最差。对于车辆应用而言，车速信号主要有两方面的应用，一是用于控制，如换挡控制、发动机控制等，这时需要实时性很高；二是显示和状态检测用，如仪表显示，车况检测等，此时对实时性要求不高，但对抗干扰的稳定性要求较高。本发明提出的检测方法可以用FPGA芯片同时实现。其中的定时间内多周期检测法具有兼备稳定性好、实时性高的特点，而且实时性还可以结合实际需求来进行进一步的具体设定，因此具有实时性和稳定性都好的特点，解决了实时性与稳定性之间的矛盾。

综合上述内容，具体而言可以简单将本实施例的实施步骤概括如下：

(1)根据分辨率和最低检测车速的需要，用FPGA的时钟产生需要的基频。

(2)通过设定不同的滤波宽度，对输入脉冲信号进行滤波。

(3)进行瞬时单周期的检测。

(4)进行定时间多周期检测。

(5)得到定时间内的周期个数和全部周期的时间长度。

由上述步骤进行的基于FPGA的转速测量方法，通过对输入信号滤波，用一定基频信号进行定时间平均周期检测、单周期检测和计数方式检测，其中，定时间平均周期检测的方法为：通过检测定时间内完整周期的个数和完整周期的时间长度，从而可以计算达到平均周期。

此外，还提出了一种输入信号滤波抗干扰处理方法。通过设定最小脉冲宽度，当输入信号小于该宽度，就当干扰信号处理，自动从信号中剔除。

并且，定时平均周期检测方法是可以根据情况需求设定定时间长度、设定周期检测的分辨率，从而实现稳定性与实时性的兼顾，达到适应各种应用场合的目的。

由此可见，本发明提出并实现了三种并行的车速检测方法，可以满足多种运用要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种运用FPGA进行车速实时检测的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S4：中央处理器根据上述检测结果完成转速脉冲检测。

2.如权利要求1所述的运用FPGA进行车速实时检测的方法，其特征在于，所述步骤S1，在应用于不同转速脉冲频率信号的检测过程中，对于转速脉冲频率高的信号，用于滤波的基频大小设置较高，对于转速脉冲频率低的信号，用于滤波的基频大小设置较低。

3.如权利要求2所述的运用FPGA进行车速实时检测的方法，其特征在于，所述步骤S1中，对于转速脉冲频率高的信号，用于滤波的基频大小设置为1KHz～20KHz，对于转速脉冲频率低的信号，用于滤波的基频大小设置为10Hz～200Hz。

4.如权利要求1所述的运用FPGA进行车速实时检测的方法，其特征在于，所述步骤S2中，对于电气环境比较恶劣的情况，所述滤波宽度设定为较宽；对于电气环境较好的情况，所述滤波宽度设定为较窄。

5.如权利要求4所述的运用FPGA进行车速实时检测的方法，其特征在于，所述步骤S2中，对于噪声范围稳定的情况下，所述滤波宽度设定为与噪声范围相匹配的固定宽度；对于噪声范围不稳定且噪声来源复杂的情况下，所述滤波宽度设定在输入的转速脉冲频率信号最高频率所对应的时间周期的10％以内。

6.如权利要求1所述的运用FPGA进行车速实时检测的方法，其特征在于，所述步骤S2中，在进行滤波处理的过程具体包括：

7.如权利要求1所述的运用FPGA进行车速实时检测的方法，其特征在于，所述步骤S3中，在对实时性要求较高的情况下，实施基于单周期的周期检测法和/或平均周期检测法；在对稳定性要求较高的情况下，实施基于计数器的计数检测法和/或平均周期检测法；在对实时性以及稳定性要求兼顾的情况下，实施平均周期检测法。

8.如权利要求1所述的运用FPGA进行车速实时检测的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述平均周期检测法中：首先根据实际检测状态预设定检测时间长度、检测在该时间长度内的完整脉冲周期个数以及该时间长度内完整脉冲周期的大小，根据所述完整脉冲周期个数以及完整脉冲周期的大小来确定平均周期大小。