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基于锁相环技术的高灵敏车辆探测
程 静，孙文生 北京邮电大学电信工程
学院，北京 (100876) E-mail：
ye_zi1983@yahoo.com.cn
摘 要：本文针对交通系统中十字路口处车辆的分道行驶管理提出一种设计方案，利用锁相 环技术来提高感测装置的灵敏度及抗干扰能力，从而实现对车辆违规越道行为的有效探测。 实验结果证明了该设计方案的有效性。 关键词：锁相环，压控振荡器，车辆检测 中图分类号：TP274
1．引言
在交通越来越发达的今天，为了维护正常的交通秩序，实现各对各种交通工具的自动化 管理，对各类交通工具的记录和管理是一项重要的内容。本论文所提出的探测方案所针对的 主要问题是十字路口处车辆的分道行驶管理。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,须采用相应感测装置,对车辆的违规越 道行为进行监控。
现在的交通部门已经有相关的交通工具探测方案,比如对闯红灯行为的记录处理,采用 的方案就是在等待线下埋入相应感测装置,当有车经过时则发出特定信号,系统根据这样的 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。
探测车辆越道行为的原理与此类似，也是利用埋入地下的感测装置进行的。由于分道 行驶标记线宽度的，使得感测装置的大小和形状受到很大的。因此为了有效探测车 辆越道行驶行为，对测量灵敏度的要求大大提高了。现行探测方案若用于十字路口处车辆的 分道行驶管理将无法实现对车辆的越道行为的有效探测。
现行方案一般采用单片机测量频率，其灵敏度不高,抗干扰能力不强，这是由于单片机
[1]
测量频率的原理是在一定时间t内统计脉冲信号的个数，以脉冲个数变化反映频率的变化。 假设传感振荡电路的频率为 100KHZ（这个值已经接近实际应用的极限，因为如果振荡频率 再增大的话，将会向外发射能量，对周围产生电磁干扰）,如果统计时间t＝1ms，则可记录 100 次脉冲，即理论上灵敏度的最大值能达到 1%，但实际情况还要除去不稳定因素的影响， 所以灵敏度不可能太高。当然，也可以延长统计时间，如延长到t=10ms，则理论的灵敏度能 达到 0.1%（但实际值也要打很大的折扣），这样的话就影响了反映速度。所以该灵敏度不能 达到实际应用的要求。
本文提出一种设计方案，利用锁相环技术来提高感测装置的灵敏度及抗干扰能力，从而 实现对车辆的有效探测。实验证明该设计方案达到了实际应用的要求。
2．锁相环原理
2.1 锁相环的组成
锁相的意义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，简称PLL(Phase-Locked Loop)。锁相环广泛应用于广播通信、频率合成、自动
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[2]
控制及时钟同步等技术领域。
锁相环主要由鉴相器（Phase Detector）、压控振荡器（VCO: Voltage Controlled Osillator）、环路滤波器（Loop Filter）三部分组成，如图 1 所示。 鉴相器是个相位比
较装置。它把输入信号 Ui(t)和压控振荡器的输出信号 Uo(t)的相位
进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压 Ue(t)。
环路滤波器的作用是滤除误差电压 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，使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，直 至消除频差而锁定。
图 1 锁相环路的组成
2.2 锁相环的工作原理
锁相环是个相位误差控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差， 从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频[3]。在环路开始工 作时，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它 们之间的相位差势必一直在变化，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种 误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信 号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后，输入信号和压控 振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就 进入“锁定”状态。这就是锁相环工作的大致过程。
当锁相环入锁时，它具有“捕捉”信号的能力，VCO 可在某一范围内自动跟踪输入信号 的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率， 并强迫 VCO 锁定在这个频率上。 锁相环的输出频率（或VCO的频率）ωo能跟踪输入频率ωi的工作状态，称为同步状态， 在同步状态下，始终有ωo=ωi。在锁相环保持同步的条件下，输入频率ωi的最大变化范围， 称为同步带宽，用ΔωH 表示。超出此范围，环路则失锁。
失锁时，ωo≠ωi，如果从两个方向设法改变ωi，使ωi 向ωo 靠拢，进而使 Δωo= （ωi－ωo）减小，当Δωo 小到某一数值时，环路则从失锁进入锁定状态。这个使 PLL 经 过频率牵引最终导致入锁的频率范围称为捕捉带Δωp。
同步带ΔωH，捕捉带Δωp和VCO中心频率ωo的关系如图 2。
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图 2 PLL 的频率关系
3．系统结构
本文提出的设计方案，是基于锁相环技术的。整个探测系统分为两部分: 传感电路和探 测电路。传感电路用于感应出金属物体的存在。本设计采用涡流传感的方法，把地线圈直接 连到振荡电路中，用振荡电路输出的频率携带传感信号。检测电路把传感的输出信号转变为 可直接显示或测量的电信号,以便系统进一步处理。这部分采用锁相环技术来实现。
3.1 传感电路
系统设计采用电涡流传感电路，将埋入地下的探测线圈直接连到正弦振荡电路中。
3.1.1 电涡流传感器 电涡流传感器是载流线圈与被测金属体的统一体，可用于多种物理量
的测量。金属块置
于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，金属体内部都要产生感应电动势，形成电流，这种 电流在金属体内是自己闭合的，称为电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从 而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，电涡流传感器就是基于这种电涡流效应而工作。
图 3 电涡流效应
当线圈中通以交变的电流时，线圈周围就会产生交变的磁场 H，置于磁场中的金属体内 产生感应电动势，形成电涡流，这个电涡流必然引起线圈阻抗的变化，从而使得电感也发生 了变化。电涡流对于电感值变化的影响比较复杂， 一般来说，电涡流的存在将使线圈的电 感量变小。
3.1.2 正弦震荡电路 正弦波振荡电路为电容三点式电路，也叫考毕兹振荡电
路，如图 4 所示。
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图 4 正弦震荡电路
正常状态下（无车经过时），传感振荡电路的输出信号 us (t ) 将是频率保持不变（f＝f0） 的正弦波。当有车经过时， us (t ) 的频率变大（f＝f’）。其频率差为 Δf ＝f’－f0，范围 大概在几百到几千赫兹[4]。
该电路的振荡频率为：
f ≈
1 CC 2π L 12C1 + C2 由上式可见，振荡频率 f 与电路中的电感 L、电容 C1、C2 直接相关。电容 C1、C2 为固定值， 所以 f 为电感 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的变化。 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应 L 的变化，从而实 现对金属物体的探测。
设正常状态下（无车经过时）输出信号的频率为 f0，有车经过时的振荡频率为 f’，则 容易知道：f’>f0。由于 f’不易通过固定公式直接计算，我们只能通过实验的方法大概估 算。而且实际应用中不需要知道 f’的具体数值，而只要估计 Δf ＝f’－f0 的范围即可。 图 4 中，Rb1=Rb2=62K Ω ，Rc=1K Ω ，Re=2.2K Ω ，Ce=Cb=10μF，C1=C2=0.1μF，L 为 地感线圈。此时的三极管 T1 为共射放大组态，工作在放大状态。
3.2 探测电路
3.2.1 本设计中的锁相环电路 本设计通过检测锁相环失锁判定有车量经过。锁相环的作用
是跟踪传感电路输出信号
us (t ) 的频率变化，产生本振信号 ul (t ) ，具体要求有：
1、在传感输出信号 us (t ) 的频率变化范围（f0 至 fmax）之内，锁相环都能够锁定。换 句话说，锁相环的中心频率应该设定在 f0 与 fmax 的中间,且锁相环的“捕捉范围”应该大 于（至少等于）us (t ) 的频率变化范围。这样一来，就保证了当 us (t ) 频率发生变化时，锁相 环始终能够达到锁定状态。
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2、锁相环达到锁定的时间（锁定建立时间）不能太长或太短。如果建立时间太短，锁 相环很快就达到了锁定状态，则不能看到差频信号。如果建立时间太长，则锁相环很难从失 锁状态恢复到锁定状态，使得反映速度变低。因此要选择适当的积分电阻 R 电容 C，从而选 择适当的建立时间。
本设计选用集成锁相环 CD4046 来实现。连接电路如图 5 所示。根据 CD4046 的工作原 理，其中心频率是由 6、7 脚之间的电容 C1 及 11 脚的接地电阻 R1 决定的。所以，首先要选 择适当的 R1、C1，使得锁相环的中心频率达到要求。为了增加锁相环中心频率的可调性， 在 R1 上串联了一个可变电阻 R2。由于这里的锁相环对输入频率的宽度不应该有要求，所以 12 脚上不接电阻，任其悬空。
图 5 CD4046 的电路连接图
按照图 5 连接，调节可变电阻 R3 使得 9 脚的电压 U＝Vcc/2＝4.5V，则 4 脚的输出频率 即为锁相环的中心频率。实验中选择的 C1＝1000p，R1＝5.1K,可变电阻 R2=10K，此时的中 心频率 f0＝23.7khz，刚好可以满足要求。 3.2.2 建立时间的确定
根据锁相环 CD4046 的工作原理，其建立时间是由 13 脚（或 2 脚）与 9 脚之间的积分 电阻电容来决定的。13 脚的输出通过积分电容 C2 来充放电，使得 9 脚的电压发生变化，从 而调节压控振荡器的输出（4 脚）频率。
4．实验及结果分析
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 5mm 的普通电线绕了 30cm×1cm 的线圈（扎数 n 为 16），用于模拟实际应用的地线 圈；再用一块 20cm×10cm 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＝23.7khz，有车经过时最大的输出频率（将金属板完全放在线圈上时所得的值）为 fmax ＝24.5khz，因此 Δf max＝0.8khz。实验数据见表 1。
从表 1 数据可以看出，金属板距离线圈越近，锁相环输出频率越大。锁相环从失锁到 锁定的时间越长。实验为了效果明显，设定的锁定时间较长。实际应用中可采用其他方式检 测锁相环失锁以判定有车经过，锁定时间可相应调整的更短。探测灵敏度也会相应提高。实 验证明利用锁相环的探测灵敏度完全可以达到实际应用的要求。
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表 1 实验数据
金属板距线圈距离 （cm） 1 2 5 10
输出频率 （kHz） 24.45 24.39 24.13 23.72 变化频率 （kHz） 0.75 0.69 0.43 0.02 锁定时间 （s） 3 1 0.1 0.001 5．总结
采用锁相环技术实现的车辆检测技术比现行的采用单片机计数的车辆检测技术可靠性 更高。虽然对于使用单片机对车辆进行检测，也有一些改进方案，例如分频后再输入单片机 计数[4]。但是分频也会影响探测灵敏度，因此这些方案很难从根本上提高探测灵敏度。本文 提出的锁相环技术在提高灵敏度方面确实有明显的效果，而且该设计方案的成本并不高。因 此该方案是完全能够应用于实际的。
参考文献
[1] 王水波，郭亚，郑贵桢．基于ATC2051的交通车辆检测系统［J］．工业控制计算机，2007年，20卷第9 期：75-76．
[2] Roland E. Best．锁相环设计仿真与应用［M］. 李永明等译．北京：清华大学出版社，2007． [3] 罗伟雄，韩力，丁志杰．锁相技术及其应用［M］. 北京：北京理工大学出版社，1990．
[4] 孔德强，曲仕茹．环形车辆检测器的改进设计［J］．工业仪表与自动化装置，2007 年，第 4 期：59-61
The Design of Sensitive Vehicle Detection Base on PLL
Cheng Jing, Sun Wensheng
School of Telecommunication Engineering, Beijing University of Posts & Telecommunications,
Beijing, PRC, (100876)
Abstract
This paper provides a design for vehicle detection based on PLL(Phase-Locked Loop). The sensitivity of vehicle detection can be greatly improved by the design. Its availability is done by practical experiment, and the results are satisfied.
Keywords: PLL, VCO, vehicle detector
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