基于AT89S5l單片機(jī)和雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子警察抓拍延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

圖像型電子警察系統(tǒng)是目前交通監(jiān)管的有效手段，其外部硬件設(shè)備通常包含4個(gè)部分：前端感應(yīng)設(shè)備、控制器、抓拍攝像設(shè)備和后端傳輸設(shè)備。根據(jù)其前端感應(yīng)設(shè)備的不同，圖像型電子警察系統(tǒng)可細(xì)分為線圈型、雷達(dá)型和紅外型等。其工作原理：前端感應(yīng)設(shè)備根據(jù)特定的檢測(cè)條件，發(fā)現(xiàn)到達(dá)（或離開）車輛，并發(fā)送感應(yīng)信息到控制器，控制器判斷是否滿足抓拍條件，滿足則啟動(dòng)相應(yīng)的抓拍攝像設(shè)備（相機(jī)、攝像機(jī)等）進(jìn)行抓拍，并將抓拍結(jié)果和感應(yīng)信息通過(guò)后端傳輸設(shè)備上傳至服務(wù)器。

圖像型電子警察系統(tǒng)抓拍的圖像質(zhì)量是影響整體系統(tǒng)性能的最重要因素。而圖像質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題在于成像裝置的調(diào)焦，調(diào)焦將直接影響抓拍成像的質(zhì)量。為獲得較為清晰的圖像，便于識(shí)別機(jī)動(dòng)車，被抓拍的機(jī)動(dòng)車必須處于電子警察系統(tǒng)的景深范圍內(nèi)。而從電子警察系統(tǒng)的前端感應(yīng)設(shè)備檢測(cè)到車輛，到啟動(dòng)抓拍設(shè)備拍攝這一過(guò)程是有延時(shí)的。延時(shí)不穩(wěn)定或太大都會(huì)給圖像抓拍帶來(lái)困難。延時(shí)不穩(wěn)定時(shí)，同樣車速的車輛抓拍位置會(huì)出現(xiàn)較大偏差：而延時(shí)太大又會(huì)造成不同車速車輛的抓拍位置出現(xiàn)較大差異，成像系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)清晰成像。因此測(cè)量和控制電子警察的抓拍延時(shí)是保證系統(tǒng)性能的有效手段。電子警察抓拍需經(jīng)“感應(yīng)→控制器→照相機(jī)（攝像機(jī)）”的過(guò)程，而其中每一環(huán)節(jié)都會(huì)帶來(lái)延時(shí)。例如雷達(dá)型電子警察的抓拍延時(shí)主要包括：從違章車輛進(jìn)入（或離開）探測(cè)區(qū)域到雷達(dá)輸出速度信息的固定延遲；從控制器接收到速度數(shù)據(jù)到發(fā)送抓拍指令時(shí)數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的延時(shí)；從成像部分接收抓拍指令到抓拍的延時(shí)。其中雷達(dá)的數(shù)據(jù)輸出延時(shí)可從設(shè)備參數(shù)中直接獲得（一般約 10 ms）；而控制器的數(shù)據(jù)處理延時(shí)和成像系統(tǒng)的延時(shí)通常無(wú)法直接獲得，需要專門測(cè)量。由于出現(xiàn)延時(shí)的環(huán)節(jié)多，要求高測(cè)量精度，并且多個(gè)環(huán)節(jié)難以同步，應(yīng)用現(xiàn)有設(shè)備測(cè)量這些延時(shí)具有一定難度。因此，這里提出了一種以雷達(dá)抓拍延時(shí)為對(duì)象的電子警察抓拍延時(shí)測(cè)量方法。

2、工作原理

在雷達(dá)型電子警察系統(tǒng)中，雷達(dá)通過(guò)串口（RS232或RS485總線）向控制器發(fā)送車輛的速度信息，無(wú)車輛時(shí)，雷達(dá)不發(fā)送數(shù)據(jù)或發(fā)送車速為0的數(shù)據(jù)；當(dāng)雷達(dá)檢測(cè)到車輛時(shí)．則發(fā)送速度值給控制器。電子警察控制器處理接收到的數(shù)據(jù)，按照一定算法確定控制成像部分是否抓拍。在實(shí)際運(yùn)行中，為了避免和減少誤觸發(fā)，電子警察控制器通常采用一些特定的處理技術(shù)，從而產(chǎn)生系統(tǒng)延時(shí)。

圖1給出雷達(dá)型電子警察抓拍延時(shí)測(cè)量原理圖。其中計(jì)時(shí)顯示器為專門設(shè)計(jì)的電子裝置，它能夠從接收到觸發(fā)信號(hào)開始以毫秒為單位計(jì)時(shí)顯示。

實(shí)際測(cè)量雷達(dá)型電子警察抓拍延時(shí)按如下步驟進(jìn)行：①計(jì)時(shí)顯示器置于電子警察系統(tǒng)的攝像機(jī)拍攝范圍內(nèi)；②將雷達(dá)的檢測(cè)數(shù)據(jù)同步發(fā)送給計(jì)時(shí)顯示器；③設(shè)定計(jì)時(shí)顯示器的觸發(fā)電路，在接收到雷達(dá)第一個(gè)有效數(shù)據(jù)時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間顯示器，開始計(jì)時(shí)；④電子警察系統(tǒng)接收到雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)后，按照其工作流程抓拍，其抓拍的圖像包含計(jì)時(shí)顯示器所顯示的時(shí)間圖像；⑤從抓拍圖像中讀取時(shí)間數(shù)值，將該數(shù)值再加上雷達(dá)輸出延時(shí)就是電子警察系統(tǒng)整體的抓拍延時(shí)時(shí)間。

該測(cè)量方法的關(guān)鍵是計(jì)時(shí)顯示器的設(shè)計(jì)．不同接口的觸發(fā)器和不同觸發(fā)規(guī)則的設(shè)定，分別適應(yīng)不同類型的電子警察系統(tǒng)（如線圈型、雷達(dá)型等）和抓拍方式（如車頭抓拍、車尾抓拍等），以下針對(duì)雷達(dá)型電子警察，詳細(xì)介紹適用于車頭抓拍和車尾抓拍的計(jì)時(shí)顯示器設(shè)計(jì)。

3、 計(jì)時(shí)顯示器設(shè)計(jì)

3．1 硬件電路設(shè)計(jì)

圖 2給出計(jì)時(shí)顯示器的硬件設(shè)計(jì)原理電路。其中包括：①主控器件（ATl）：采用應(yīng)用比較廣泛的AT89S5l單片機(jī)，它是整個(gè)計(jì)時(shí)顯示器的核心，用于讀取串口數(shù)據(jù)，觸發(fā)判斷并控制計(jì)時(shí)電路；②晶體振蕩器（X1）：12 MHz的有源晶體振蕩器（1個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)時(shí)鐘周期，因此1個(gè)機(jī)器周期為lμs，能較準(zhǔn)確產(chǎn)生1 ms的定時(shí)中斷）；③鎖存器（Ul、U2、U3）：采用74LS573，也可用74LS373，由于用攝像機(jī)拍攝顯示結(jié)果，因此顯示數(shù)據(jù)必須鎖定，而單片機(jī)AT89S51的I/O端口有限，采用鎖存器擴(kuò)展并行輸出，如需要擴(kuò)展3個(gè)并行輸出端口，則需要3個(gè)選能信號(hào)（P2．0、P2．1、P2.2）；④數(shù)碼管（DSl、DS2、DS3）：7段共陽(yáng)極數(shù)碼管用于顯示計(jì)時(shí)時(shí)間。由于要測(cè)量的延時(shí)約為幾百毫秒，使用3個(gè)數(shù)碼管就能滿足系統(tǒng)要求；⑤串行接口 （MAX232）：由于RS232信號(hào)的電平邏輯與單片機(jī)的串行端口的電平邏輯不一致，因此需要電平轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)采用MAX232器件。

單片機(jī)AT89S51的P0端口作為數(shù)據(jù)位與鎖存器相連，單片機(jī)串口經(jīng)MAX232器件轉(zhuǎn)換后（圖2中的RXlD、TXD）接入電子警察系統(tǒng)（雷達(dá)的串口）。

3．2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括觸發(fā)判斷和計(jì)時(shí)顯示兩部分。

3．2．1 觸發(fā)判斷

判斷何時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)電路開始計(jì)時(shí)。單片機(jī)串口通過(guò)緩沖器SBUF接收雷達(dá)的速度數(shù)據(jù)，接收一個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)，清除RI標(biāo)志位，然后再接收下一個(gè)數(shù)據(jù)。抓拍方式不同（車頭或車尾抓拍），則觸發(fā)的條件也不同，觸發(fā)判斷如見表l所示。

采用車尾抓拍時(shí)，由于觸發(fā)判斷時(shí)加入了延時(shí)，計(jì)時(shí)電路從10開始計(jì)時(shí)。

3．2．2 計(jì)時(shí)顯示

以毫秒為單位進(jìn)行計(jì)時(shí)和顯示控制，關(guān)鍵是配合拍攝需求的靜態(tài)顯示控制，即3位數(shù)字同時(shí)點(diǎn)亮。具體過(guò)程是：設(shè)定單片機(jī)定時(shí)器初值使其產(chǎn)生1 ms定時(shí)中斷，1ms定時(shí)時(shí)間到則相應(yīng)位計(jì)數(shù)加1，選通相應(yīng)使能位（個(gè)位對(duì)應(yīng)P2．0，十位對(duì)應(yīng)P2．1，百位對(duì)應(yīng)P2．2），通過(guò)查表將相應(yīng)的數(shù)字轉(zhuǎn)換為顯示碼，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到999 ms時(shí)停止計(jì)時(shí)顯示。圖3給出個(gè)位的計(jì)時(shí)顯示控制程序流程。

圖3 個(gè)位的計(jì)時(shí)顯示控制程序流程

注意：數(shù)碼管的時(shí)間顯示間隔應(yīng)與攝像機(jī)的拍攝速度相匹配，即要求曝光時(shí)間小于時(shí)間分辨率。如為了獲得1 ms的延時(shí)測(cè)量分辨率，應(yīng)將電子警察的快門速度控制在1／l 000 s以下；若快門速度為1／500 s，時(shí)間分辨率只能達(dá)到2 ms。若兩者不匹配，曝光時(shí)間大于時(shí)間分辨率，則導(dǎo)致時(shí)間顯示重疊，無(wú)法讀取正確的時(shí)間數(shù)值。

4 、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將該計(jì)時(shí)顯示器應(yīng)用于雷達(dá)型電子警察系統(tǒng)，采用具有外觸發(fā)功能的攝像機(jī)抓拍，進(jìn)行延時(shí)測(cè)試，分別測(cè)量車頭抓拍和車尾抓拍的延時(shí)，每組測(cè)量50個(gè)數(shù)據(jù)。實(shí)際測(cè)量中，該電子警察系統(tǒng)在車頭抓拍時(shí)最大延時(shí)12 ms，最小延時(shí)6 ms，延時(shí)非常小，且延遲量穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量車尾抓拍延時(shí)時(shí)（控制器判斷車輛離開的延遲設(shè)為500 ms）發(fā)現(xiàn)延遲最大值為757 ms，最小值為748 ms，雖然延時(shí)較為穩(wěn)定，但總延遲時(shí)間較長(zhǎng)。在車速高的區(qū)域基本不能使用。

5、 結(jié)語(yǔ)

結(jié)果說(shuō)明，該計(jì)時(shí)顯示器設(shè)計(jì)的測(cè)量方法能方便有效地測(cè)量雷達(dá)型電子警察系統(tǒng)的抓拍延時(shí)。針對(duì)不同視頻的抓拍系統(tǒng)，只需更改相應(yīng)的計(jì)時(shí)顯示器輸入端觸發(fā)方式，即可實(shí)現(xiàn)延時(shí)測(cè)量。因此，該方法具有較好的適應(yīng)性，擴(kuò)展性及參考價(jià)值。

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