隨著道路行車(chē)速度的提升及行車(chē)數(shù)量的劇增，要求車(chē)檢器必須具有快速的響應(yīng)時(shí)間、準(zhǔn)確的判斷能力和穩(wěn)定的工作狀態(tài)。車(chē)檢器檢測(cè)技術(shù)主要有：視頻[1]、環(huán)形線圈[2]、數(shù)字微波[2]、激光和紅外線等。雖然檢測(cè)技術(shù)種類多，但也存在許多不足：一方面是抗干擾能力較差，產(chǎn)品成本也比較高；另一方面則是檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，難以及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到高速通過(guò)的車(chē)輛。

    針對(duì)常規(guī)公路的道路環(huán)境及車(chē)輛通行情況，本文介紹的車(chē)檢器采用的是環(huán)形線圈檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)成本低、工作穩(wěn)定可靠。在信號(hào)分析處理方面，采用了性能穩(wěn)定的ATmega16A單片機(jī)[3]。車(chē)輛檢測(cè)信號(hào)直接由單片機(jī)綜合分析處理，每個(gè)通道檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間控制在2.5 ms內(nèi)完成，檢測(cè)結(jié)果通過(guò)車(chē)檢器前面板上的指示燈指示，并且采用RS485總線向上位機(jī)或其他監(jiān)控設(shè)備發(fā)送檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)包。
1 系統(tǒng)工作原理
1.1 環(huán)形線圈檢測(cè)原理
    埋在路面下的環(huán)形線圈通過(guò)饋線連接到車(chē)檢器上，與車(chē)檢器上的電容及三極管等器件構(gòu)成LC諧振電路，所產(chǎn)生的正弦波振蕩信號(hào)整理成方波信號(hào)后送到單片機(jī)。在無(wú)車(chē)輛通過(guò)時(shí)，可認(rèn)為由環(huán)形線圈所形成的電感值是穩(wěn)定不變的，因此LC諧振電路的諧振頻率也不變，單片機(jī)將接收到固定頻率的方波，記為F1。在有行車(chē)通過(guò)埋地環(huán)形線圈時(shí)，由于機(jī)動(dòng)車(chē)是一個(gè)大金屬體，埋地線圈產(chǎn)生的電感量將發(fā)生變化，使得LC諧振電路的頻率也隨之變化，單片機(jī)接收到的方波頻率記為F1+ΔF；而當(dāng)機(jī)動(dòng)車(chē)離開(kāi)埋地線圈后，LC諧振頻率將恢復(fù)為F1，從而實(shí)現(xiàn)了將車(chē)輛通過(guò)的有無(wú)，轉(zhuǎn)換為發(fā)送到單片機(jī)的方波頻率的變化。
1.2 可變計(jì)數(shù)門(mén)限工作原理
    對(duì)于采用固定門(mén)限的計(jì)數(shù)方式[4]，是給主計(jì)數(shù)器一個(gè)固定時(shí)長(zhǎng)的計(jì)數(shù)時(shí)間，以檢測(cè)信號(hào)作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能及其硬件組成
2.1 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介
    (1)本設(shè)計(jì)采用可變計(jì)數(shù)門(mén)限檢測(cè)法。單片機(jī)初始化時(shí)將根據(jù)主計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)可變門(mén)限計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)上限值M，使得其計(jì)數(shù)時(shí)長(zhǎng)在要求之內(nèi)，而主計(jì)數(shù)器也能得到具有明顯區(qū)分度的計(jì)數(shù)值。實(shí)際上，就是在檢測(cè)時(shí)間和檢測(cè)靈敏度之間達(dá)到一個(gè)平衡。
    (2)車(chē)檢器提供了兩個(gè)檢測(cè)通道，每個(gè)通道可以單獨(dú)使用，也可以聯(lián)合使用。單獨(dú)使用時(shí)可檢測(cè)車(chē)流量，即當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛通過(guò)環(huán)形線圈時(shí)則累加過(guò)車(chē)數(shù)量；聯(lián)合使用時(shí)可檢測(cè)車(chē)速，當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)第一個(gè)線圈時(shí)記錄車(chē)輛進(jìn)入時(shí)間T1，進(jìn)入第二個(gè)線圈時(shí)記錄進(jìn)入時(shí)間T2，則行車(chē)速度為V=S/(T2-T1)，其中S為兩個(gè)線圈的間隔距離。
    (3)車(chē)檢器具備上位機(jī)遠(yuǎn)程操控功能。上位機(jī)通過(guò)RS485總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控車(chē)檢器的工作模式及設(shè)定檢測(cè)參數(shù)(包括檢測(cè)靈敏度、自調(diào)諧、通信波特率、初始化、通道開(kāi)啟狀況等)。輸入輸出數(shù)據(jù)格式可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行組幀，提高了車(chē)檢器的適用性。
    (4)參數(shù)設(shè)置及工作狀態(tài)指示。采用兩個(gè)8 bit撥碼開(kāi)關(guān)用于參數(shù)設(shè)置，其中一個(gè)在前面板上提供通道的檢測(cè)靈敏度和存在時(shí)間設(shè)定，另一個(gè)在車(chē)檢器電路板上提供地址碼設(shè)定、節(jié)能模式、串口使能、自調(diào)諧等功能的設(shè)定。8個(gè)LED用于在前面板指示車(chē)檢器工作狀態(tài)(包括存在指示、故障指示、通信指示、電源指示和編程指示等)。
2.2 硬件組成
    車(chē)檢器的硬件組成框圖如圖3所示，介紹如下：
    (1)LC諧振電路：采用了雙通道時(shí)分復(fù)用的方式，外部的埋地環(huán)形線圈分別接入到車(chē)檢器上的隔離線圈，通過(guò)單片機(jī)控制兩個(gè)通道的選通情況，每次只能有一個(gè)通道被選通。這樣不但能讓電路更簡(jiǎn)單，而且避免了兩個(gè)通道之間的互相干擾。

    (2)控制器核心電路：控制器選用了ATmega16A-AU，這是一款高性能、低功耗的8 bit AVR微處理器，工作于16 MHz時(shí)的性能高達(dá)16 MIPS，只需2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；具有16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，并具有硬件看門(mén)狗。此外，ATmega16在室外露天環(huán)境下能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，性價(jià)比突出。該部分為車(chē)檢器的核心電路，可變門(mén)限計(jì)數(shù)器和主計(jì)數(shù)器分別采用ATmega16A內(nèi)部集成的8 bit和16 bit計(jì)數(shù)器，從而使得整個(gè)車(chē)檢器的電路更為簡(jiǎn)單并且有較強(qiáng)的抗干擾能力。
    (3)通信接口模塊：車(chē)檢器的對(duì)外通信采用RS485總線，選用MAX3485ESA作為RS485差分電平轉(zhuǎn)換芯片，并且加入了光耦器件進(jìn)行隔離，有效地保護(hù)車(chē)檢器內(nèi)部電路不受來(lái)自傳輸線路的影響。車(chē)檢器采用主機(jī)查詢應(yīng)答的通信模式，除了做應(yīng)答外，其他時(shí)間要保持接收監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，這樣才能及時(shí)接收到主機(jī)的查詢信號(hào)。
3 軟件設(shè)計(jì)
    單片機(jī)的主要工作流程如圖4所示。車(chē)檢器上電后，單片機(jī)初始化各個(gè)I/O端口的方向和初始電平，讀取車(chē)檢器上各個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)置值并以此初始化各個(gè)功能模塊，初始化門(mén)限計(jì)數(shù)器與主計(jì)數(shù)器，最后使能兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)外部埋地線圈出現(xiàn)開(kāi)路或者短路等故障將導(dǎo)致LC諧振電路不起振，從而使得門(mén)限計(jì)數(shù)器沒(méi)有計(jì)數(shù)時(shí)鐘；或者是LC諧振電路能起振，但由于線圈老化或者不符合標(biāo)準(zhǔn)而頻率過(guò)小，這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致門(mén)限計(jì)數(shù)器達(dá)到上限之前主計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)溢出。

    由于不同廠商生產(chǎn)的環(huán)形埋地線圈規(guī)格不盡相同，只能要求電感值在20～1 000 mH范圍內(nèi)，因此，需要根據(jù)線圈的實(shí)際電感調(diào)節(jié)門(mén)限計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)上限M，以達(dá)到最佳計(jì)數(shù)值，使在允許的計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)達(dá)到較大的計(jì)數(shù)變化值。
    檢測(cè)門(mén)限值的漂移補(bǔ)償是必要的，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用環(huán)境中，LC諧振的諧振頻率不可能總是穩(wěn)定在一個(gè)值，總是會(huì)受環(huán)境的影響而產(chǎn)生頻率漂移，LC諧振電路即使再穩(wěn)定，也只能是減緩頻率漂移速度。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    為驗(yàn)證車(chē)檢器的單通道檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間，由外部產(chǎn)生一個(gè)寬脈沖波，以此脈沖波模擬車(chē)輛通過(guò)車(chē)檢器的埋地線圈，由示波器（TDS1002）觀察到如圖5所示的波形，上面的波形為脈沖波形，下面的波形為車(chē)檢器檢測(cè)到車(chē)輛通過(guò)后輸出的檢測(cè)信號(hào)(TTL電平)。從顯示波形可以看出，在脈沖波發(fā)出的2.4 ms后車(chē)檢器輸出了檢測(cè)結(jié)果信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了車(chē)檢器的響應(yīng)時(shí)間符合2.5 ms的設(shè)計(jì)要求。

    本文采用可變計(jì)數(shù)門(mén)限法設(shè)計(jì)的兩通道車(chē)輛檢測(cè)器，應(yīng)用于公路上對(duì)行車(chē)速度及車(chē)流量等信息的檢測(cè)，具有靈敏度高且檢測(cè)時(shí)間短的特點(diǎn)。車(chē)檢器樣品經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試通過(guò)，在2.5 ms內(nèi)完成一次檢測(cè)，檢測(cè)靈敏度較為滿意。
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