基于鎖相環技術的高靈敏車輛探測
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在十字路口處，為了避免交通阻塞，保證交通安全，規定交通車輛必須按道行駛而不得越道。因此，必須采用相應的感測裝置，監控車輛的違規越道行為。目前，對闖紅燈行為的記錄處理大多是依靠在等待線下安裝相應的感測裝置，當有車經過時，即刻發出特定信號，系統根據該信號進行判斷處理，再通過路口攝像頭對違章車輛進行拍照記錄。也可采用類似方法探測車輛越道行為，即利用埋入地下的感測裝置。但由于感測裝置的大小和形狀受分道行駛標記線寬度的限制，為了有效探測車輛越道行駛行為，對測量靈敏度提出更高要求。現行方案一般采用單片機測量頻率，其靈敏度低，抗干擾能力差，這是因為單片機測量頻率在一定時間t內統計脈沖信號數，根據脈沖數的變化反映頻率變化。假設傳感振蕩電路的頻率為100 kHz(該值已接近實際應用極限，若再增大振蕩頻率，將會向外發射能量，對周圍產生電磁干擾)，如果統計時間t=l ms，則可記錄100個脈沖，此時靈敏度的最大理論值能達到1％，但實際上除去不穩定因素的影響，靈敏度不可能太高；如果統計時間延長到10 ms，則靈敏度的最大理論值能達到0．1％，這樣不僅影響反映速度，而且實際值也照樣打折扣，所以靈敏度仍不能達到實際應用要求。
雖然使用單片機探測車輛也曾有過一些改進方案，但都很難從根本上提高探測靈敏度。為此，提出一種利用鎖相環技術提高感測裝置靈敏度及抗干擾能力的設計方案。實驗證明，該設計方案能夠達到實際應用要求。
2 鎖相環原理
“鎖相”就是相位同步的自動控制。能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環系統叫做鎖相環。鎖相環廣泛應用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術領域。
鎖相環(Phase-Locked Loop，簡稱PLL)主要是由鑒相器(Phase Detector，簡稱PD)、壓控振蕩器(Voltage ControlledOsillator簡稱VCO)、環路濾波器(Loop Filter，簡稱LF)3部分組成。PD為相位比較裝置，用于比較輸入信號Ui(t)與VCO的輸出信號Uo(t)的相位，產生對應于兩個相位差信號的誤差電壓Ue(t)。LF用于濾除Ue(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環路所要求的性能，增加系統的穩定性。壓控振蕩器受控制電壓Ud(t)的控制，用于將LF的頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定。
PLL的工作原理是：比較Ui(t)與Uo(t)之間的相位差，產生Ue(t)調整VCO的頻率，以達到與Ui(t)同頻。在環路開始工作時，如果輸入信號頻率fi與壓控振蕩器頻率fVCO不同，則因fi與fVCO之間存在固有頻率差，而使相位差一直變化，導致PD輸出的誤差電壓UPD在一定范圍內變化。在該誤差電壓的控制下，fVCO也發生變化。若fVCO能夠與fi相等，則在滿足穩定性條件下應穩定在該頻率，穩定后，fUi(t)-fUo(t)=0，相位差不隨時間變化，且Ue(t)為固定值，這時環路就進入鎖定狀態。
3 系統設計
利用現有的技術設計傳感電路，用于初步探測車輛。而檢測電路把傳感電路的輸出信號轉變為可直接顯示或測量的電信號，以便系統進一步處理。這部分設計采用鎖相環技術實現。
3．1 傳感電路
圖1給出正弦波振蕩電路。它為電容三點式電路，也即考畢茲振蕩電路。傳感電路用于感應出金屬物體的存在。設計中采用已實際應用的渦流傳感方法，將埋入地下的探測線圈直接接入正弦振蕩電路，即振蕩電路輸出的頻率帶有傳感信號。
圖1電路中：Rbl=Rb2=62 kΩ；Rc=1 kΩ；Re=2．2 kΩ；Ce=Cb=10μF；C1=C2=0．1μF；L為電感線圈，此時晶體管VT1為共射放大組態，工作在放大狀態。
系統正常狀態下即無車經過時，傳感振蕩電路的輸出信號us(t)為頻率保持不變(f=f0)的正弦波。當有車經過時，us(t)的頻率變大，即f=f'，其頻率差為△f=f'-f0，范圍大概在幾百赫茲到幾千赫茲。該電路的振蕩頻率f為：
由式(1)可見，f與電路中電感L、電容C1，C2有關(C1，C2為固定值)，所以f為L的單值函數，當L發生變化時，該振蕩電路的振蕩頻率也發生反方向變化。把地線圈作為L，直接連接到電路中，通過檢測電路振蕩頻率的變化來反映L的變化，從而實現對金屬物體的探測。
設正常狀態下即無車經過時的輸出信號頻率為f0，有車經過時的振蕩頻率為f’，則易獲知：f’>f0。由于f’不易通過固定公式直接計算，而只能通過實驗法大概估算，而且實際應用中無需知道f’的具體數值，只需估計△f=f’-f0的范圍即可。
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