基于高速公路能见度的测量研究

1、山东建筑大学信息与电气工程学院学院课程设计说明书1设计目的能见度是影响道路交通安全的一个重要因素，我国多条高速公路都曾因恶劣天气影响能见度低而引发恶性交通事故，造成极大经济损失。在智能交通控制系统(ITS)中，能见度成为一个重要的监测项目。传统的能见度测量仪器采用的设备操作复杂，成本昂贵，具有一定的局限性;因此，改进乃至革新能见度测量技术仍是一个具有重要意义的研究课题。在国内，能见度测量技术还处于初级阶段，海港、公路交通和大多数军用、民用机场所使用的能见度测量仪器节本上是国外产品。应用新技术，研制新型的能见度测量仪，对于促进我国在这些领域的技术进步，加速我国的现代化建设具有重大的意义。为此，从

2、长远的角度出发，研制一套适合我国国情并且具有实时应用性强的新型能见度测量仪是很有价值的。2设计要求能见度是影响道路交通安全的一个重要因素，在智能交通控制系统（ITS）中，能见度成为一个重要的检测项目。本设计要求完成一个基于DSP、CPLD、USB和CCD图像传感器组成的实时检测平台。硬件方面有六个模块组成，分别是电源管理和监控、图像采集处理、存储器、人机交互以及数据传输部分等。根据已知参数对输入信号特征进行分析、需求分析，选择确定DSP芯片型号、视频采集芯片型号，完成系统硬件设计。3设计内容3.1 DSP与数字图像处理技术概述 能见度是指目标物的能见距离，即指观测目标物时，能从背景中分辨出目标

3、物的最大距离。超出这个最大距离，就看不清目标物的轮廓，分不清形体，称之为“不能见”。而在这个最大距离之内，完全能见，甚至于清晰可见。 能见度是地面气象观测的重要项目，能见度的准确测量在电力供应、通讯工程、工农业生产等众多领域有着极其重要的意义。在航空、航海、高速公路等交通运输领域，能见度是关系到人员和设备安全的重要气象要素；在地球的气象研究、城市环境改善和沙尘暴监测治理等部门，能见度也是重要的气象参数。随着现代科学技术的发展，能见度仪已经成为我军科研、训练、作战的重要军事气象保障装备。能见度是与人的视觉因素紧密结合在一起的一种复杂的心理-物理现象，表示的是可视距离。根据柯西密德（Koschmi

4、eder）定律，对以水平天空为背景的黑体目标物，目标物和背景视亮度对比可以表示为： 经对光的散射原理和大气物理光学特性的进一步研究和分析，并执行世界气象组织（WMO）和国际民航组织（ICAO）的有关规定，可以得出：（a）根据对散射线函数的研究可知，在为30o40o区间范围为不敏感区，消光系数与散射系数的比值是不变的。（b）在一定条件下，光的吸收效应可以忽略，因而在工程应用上，消光系数被认为等于散射系数。（c）对能见度观测来讲，视觉对比阈值选用0.05是合适的。（d）只要能遮蔽来自其它光源的干扰，能见度观测仪器在白天和夜间都可以使用。由物理学光学的知识，当一束平行光由空气垂直照射到被测的水中，在

5、水的深度Y处，其光强可表示为2：(1)其中：K0表示入射角为0°时光从空气到水中的透射系数，K1为溶液对光的吸收系数。I0为入射光强度，T为浊度。免费论文，前置放大。当溶液中微粒大小均匀时，在Y轴方向的某一区域的dy，在某方向的散射光也与浊度成正比：（2）水平轴下面充满水，有一光束强度为I0入射到水面，一部分经表面反射，另一部分进入水面传播，则在Y坐标的小区域内即dy，其X方向的散射光，可由式(1)和式(2)得到18：（3）因为X方向的散射光经水的X方向吸收后过段距离后才能进入光电池（关于光电池的知识将在后文介绍），故实际到达光电池的散射光强为：（4）式中X为散射光到达光电池的距离。

6、免费论文，前置放大。因此从0到Y0，X方向的总散射光强为： (5)对进行泰勒展开，可以得到：在浊度较低的情况下，可以省略2阶及2阶以上的小量，则可以得到： (6)同理， (7)并且在浊度很小的情况下，即<<1的情况下，（8）将简写式(7)和式(8)代入式(5)中得到线性公式（9）： (9)即到达光电池的光强与入射光强I0和浊度T成正比3基于此原理，本文将提出一种基于犯位的浮点型DSP进行道路能见度检测的系统设计方案。设计开发一种以DSP、CPLD、USB和CCD图像传感器组成的实时检测处理平台，用于研究、监测可见光波段大气光学特性的实用型图像测量系统，它可以直接用来测量和监测白天的

7、大气透射比或水平气象能见度。在该系统中我们采用CCD采集图像，并借助高速的数字信号处理器DSP进行图像处理和能见度计算，并通过人机交互系统，将实时准确的高速公路能见度值显示出来。3.2 方案设计系统结构框图其中，CCD图像传感器负责采集640x480，256级灰度图像，其采集的图像数据由CPLD分配地址存储在512K字节SRAM中。本系统的能见度测量算法全部由DSP完成。其中，2M字节闪存(FLASH)用于存储程序代码和路况特征库。另外，本系统还提供了一个RS232接口以实现DSP和PC之间的数据传输，允许在系统和上位机之间上传、下载路况特征数据库。整个系统中，DSP不仅要完成数字图象处理工作

8、，还负责控制其他外部设备(LCD等)。CPLD则用于存储CCD的输出数据、产生HOLD总线仲裁信号以及实现系统的控制逻辑。3.3器件选型（1）CCD图像传感器的选择CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。作为摄像器件，与摄像管相比，CCD图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。CCD摄像机按照其使用的CCD器件可以也分为线阵式和面阵式两大类。面阵CCD：允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体

9、。线阵CCD，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。综上所述，此处选择面阵型CCD。（2）DSP芯片型号的选择DSP芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。DSP的选择一般从速度、精度、寻址空间、成本、实现方便、内部器件等几个方面入手。TMS320C6713高性能DSP是为了满足专业音频、高端消费类音频、工业及医疗等领域与日俱增的处理需求而推出的300MHZ数字信号处理器(DSP)。对于需要浮点计算提供高精度动态范围的高性能信号处理应用，TMS320C6

10、713可提供每秒18亿次浮点运算 (1800MFLopS)。TMS320C6713的封装与外引脚可与 225MHzC6713DSP处理器完全兼容，实现了简单、直接的替代。此外，TMS320C6713能够与TMs320C67n及其它目前已在市场中采用的C6713器件实现代码兼容，还可以对应用程序代码进行重新使用。 TMS320C6713DSP的基础是音频简易I/O，可与典型音频系统相关的总线标准轻松互连。这种便捷的I/O功能通过两个I2C(内部集成电路总线)多主从接口及两个多声道音频串行端口(McASP)实现，每个McASP均可提供独立的Tx与Rx时区、八个串行数据引脚、广泛的错误检查与恢复、1

11、2S支持以及其它位流格式。因此选择TMS320C6713型号的DSP芯片。（3）可编成逻辑器件的选择市场上较复杂的可编成逻辑器件主要分为两种，CPLD和FPGA，尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件，有很多共同特点，但由于CPLD和FPGA结构上的差异，具有各自的特点：CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA更适合于完成时序逻辑。换句话说，FPGA更适合于触发器丰富的结构，而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。 CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的，而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编

12、程采用E2PROM或FASTFLASH技术，无需外部存储器芯片，使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上，使用方法复杂。 CPLD的速度比FPGA快，并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程，并且CLB之间采用分布式互联，而CPLD是逻辑块级编程，并且其逻辑块之间的互联是集总式的。 在编程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存储器编程，编程次数可达1万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编 程器上编程和次上电时，需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其 优点是可以编程任意次，可在工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配置。 CP

13、LD保密性好，FPGA保密性差。随著复杂可编程逻辑器件(CPLD)密度的提高，数字器件设计人员在进行大型设计时，既灵活又容易，而且产品可以很快进入市常许多设计人员已经感受到 CPLD容易使用。综上所述，本次设计选择CPLD。3.4硬件的设计（1）CCD模块（2）时钟模块（3）A/D转换模块（4）串口通信电路（5）CPLD模块（6）SRAM模块（7）片外FLASH程序存储电路模块（8）TMS320C6713的部分接线图3.5软件设计结构框图当系统上电时，DSP将通过硬件开关的设置从FLASH中加载程序到DSP内存中，这段过程也是DSP初始化的过程，之后程序将从内存零地址开始执行:DSP首先将通过

14、串口模拟IZC操作完成对A/D芯片进行初始化使其正常工作，接着开始初始化中断设置及EMIF并行口设置，使能中断5，中断5为场同步信号，由A/D芯片转换产生，当中断来临时，DSP的DMA控制数据通过EMIF口存入SRAM中，场中断再次到来之前数据没有采集完时，输出缓存在DMA控制下通过EMIF口送到输出模块。当一帧数据采集完毕时，则开始执行图像与处理算法和能见度的计算，处理结束后在PC机上显示能见度数值。总结与致谢本次设计设计的系统具有将数字图像处理技术、数字信号处理技术和计算机技术融合在一起等特点，但同时存在一些不足，并未考虑硬件电路延时的影响以及观测的目标物为非黑体时对能见度检测结果的影响。

15、通过本次课程设计，使我加强了对对于数字图像处理的掌握和理解，巩固了我在DSP实用教程课程中所学的基本理论知识和实验技能，使我对实用教程课程有了更深入的了解，让我懂得了如何把课堂所学知识与实践相结合，进一步激发了我对所学专业学习的兴趣；提高了我的实践动手以及对问题的解决能力。并且通过这次课程设计加深了我对本专业的认识，也对曾学过的软件如等有了更深层的认识。在设计的过程和设计说明书的撰写过程中，魏莉老师给予了我热心的帮助和大力的支持，给我提了诸多的宝贵意见，拓宽了我的思路。在此我向老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！在我的学习过程中，高焕兵等其它老师也给了我耐心的指导和帮助。我在此对各位老师表示诚挚的感谢！参考文献周秀骥，陶善昌，姚克亚，高等大气物理学M北京:气象出版社，1993.盛裴轩等，大气物理学，北京:北京大学出版社，2003宋正方.应用大气光学基础.气象出版社，1990曾书儿，王改利。能见度的观测及其仪器，应用气象学报，1999谢兴生，陶善昌，周秀骥，数字摄像法测量气象能见度，科学通报，1999，:明日科技.Visual C+数据库系统开发案例精选.北京:人民邮电出版