??? 摘? 要： 高速公路動(dòng)態(tài)計(jì)重" title="動(dòng)態(tài)計(jì)重">動(dòng)態(tài)計(jì)重系統(tǒng)的組成和工作原理" title="工作原理">工作原理，根據(jù)高速公路的特殊環(huán)境，采用32位高性能ARM7TDMI-S處理器和高速度、高精度24位A/D" title="A/D">A/D芯片CS5532設(shè)計(jì)稱重" title="稱重">稱重儀表。介紹了在不同速度下對(duì)重量數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒?，給出了動(dòng)態(tài)測(cè)量的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)。?

??? 關(guān)鍵詞： 動(dòng)態(tài)計(jì)重；高速公路；ARM處理器

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??? 近年來(lái),我國(guó)道路運(yùn)輸車輛超限超載現(xiàn)象較為普遍，并有“愈演愈烈”之勢(shì)。車輛超限超載運(yùn)輸對(duì)交通安全、運(yùn)輸市場(chǎng)及汽車生產(chǎn)秩序造成了極大危害。由于車輛超限超載,誘發(fā)了大量道路交通安全事故。據(jù)統(tǒng)計(jì),70%的道路安全事故是由于車輛超限超載引發(fā)的，50%的群死群傷性重特大道路交通事故與超限超載有直接關(guān)系。車輛超限超載運(yùn)輸給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。作為綜合治理超限超載的一種手段，政府鼓勵(lì)高速公路管理部門(mén)對(duì)車輛實(shí)行計(jì)重收費(fèi)。計(jì)重收費(fèi)依賴計(jì)重設(shè)備， 無(wú)需判別車型， 以動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備稱出的車輛軸重和車貨總重作為載貨汽車的通行費(fèi)收費(fèi)依據(jù)和超限判定依據(jù)，據(jù)此按一定的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛征收通行費(fèi)和對(duì)超限運(yùn)輸車輛實(shí)施懲罰性收費(fèi)，從而從根本上解決車輛超限超載問(wèn)題。本文介紹利用ARM7DMI-S內(nèi)核芯片LPC2103設(shè)計(jì)的高速公路動(dòng)態(tài)計(jì)重系統(tǒng)。?

1 系統(tǒng)組成?

??? 計(jì)重系統(tǒng)主要組成如圖1所示。?

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??? 圖1中，1為稱重儀表，計(jì)重系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互、車輛信息采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋?為稱重平臺(tái)，主要稱重設(shè)備，平臺(tái)四周裝有4～6個(gè)壓力傳感器。車輛行駛過(guò)平臺(tái)時(shí)傳感器將重量信息實(shí)時(shí)發(fā)送給稱重儀表；3為紅外線車輛分離器，紅外線車輛分離器俗稱光幕，其作用是自動(dòng)將連續(xù)行駛的車輛進(jìn)行分離，將分離信息發(fā)送給稱重儀表，稱重儀表根據(jù)該信息將車輛信息整理打包；4為輪軸識(shí)別器，車輛類型識(shí)別裝置，將車輛輪胎及輪軸類型信息發(fā)送給稱重儀表。稱重儀表根據(jù)該信息可判定該車額定載重。?

2 系統(tǒng)工作原理?

??? 高速公路對(duì)車輛稱重與傳統(tǒng)稱重方式不同，要求不停車、快速、準(zhǔn)確的稱量，而且要求設(shè)備對(duì)高速公路路面損壞小，安裝方便。因此高速公路采用動(dòng)態(tài)計(jì)重方式對(duì)車輛進(jìn)行稱量。?

??? 工作原理：車輛正向行駛進(jìn)入計(jì)重車道，車輛進(jìn)入光幕，光幕將車輛起始信號(hào)發(fā)送到稱重儀表，儀表接收到車輛起始信號(hào)后自動(dòng)開(kāi)辟內(nèi)存空間，準(zhǔn)備接收車輛信息。車輛經(jīng)過(guò)輪軸識(shí)別器，輪軸識(shí)別器將車輛的輪胎及輪軸類型發(fā)送給稱重儀表，稱重儀表記錄下該輪軸信息及輪胎情況。車輛經(jīng)過(guò)稱重平臺(tái)，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給稱重儀表中的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給MCU，完成一次重量采集。在車輛經(jīng)過(guò)平臺(tái)的過(guò)程中重量采集實(shí)時(shí)進(jìn)行。稱重儀表將采集的大量重量信息進(jìn)行運(yùn)算后，再根據(jù)當(dāng)前車輛行駛的速度對(duì)當(dāng)前運(yùn)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。將最終補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)作為當(dāng)前車輛的當(dāng)前軸重?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存空間中。當(dāng)車輛行駛過(guò)光幕后，產(chǎn)生收尾信號(hào)。稱重儀表接收到收尾信號(hào)后，根據(jù)輪軸類型計(jì)算當(dāng)前車輛的額定載重，與行駛速度、輪軸類型、實(shí)際重量等信息打包上傳到上位機(jī)軟件。?

3 硬件設(shè)計(jì)?

??? 高速公路的特殊環(huán)境對(duì)計(jì)重設(shè)備提出了速度快、測(cè)量準(zhǔn)確的高要求。稱重儀表是整個(gè)計(jì)重系統(tǒng)的“心臟”和“大腦”。稱重儀表作為整個(gè)系統(tǒng)中樞，接受所有來(lái)自其他設(shè)備的信號(hào)和數(shù)據(jù)，并對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終發(fā)送給上位機(jī)軟件。采用高性能的CPU芯片可以使稱重儀表的工作效率大大提高。ARM內(nèi)核處理器是一款性能卓越的處理器，其工作效率是普通8位單片機(jī)的4～5倍。其32位大容量運(yùn)算非常適合于計(jì)重系統(tǒng)。采用了一款PHILIPS公司的新型ARM內(nèi)核芯片LPC2103。LPC2103基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真的ARM7TDMI-S CPU，并帶有8KB和32KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。從整體性能看，采用LPC2103芯片設(shè)計(jì)的稱重儀表工作速率比采用其他芯片設(shè)計(jì)的儀表提高了5～10倍。?

??? 檢測(cè)車輛狀態(tài)最科學(xué)的方法就是通過(guò)稱臺(tái)傳感器來(lái)測(cè)量，將傳感器分成A、B兩組（如圖1），分別位于稱臺(tái)前后兩側(cè)。當(dāng)車輛從不同的方向經(jīng)過(guò)稱臺(tái)時(shí)兩組傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)不同，這樣就能準(zhǔn)確測(cè)量出車輛行駛方向，從而避免了數(shù)據(jù)不對(duì)應(yīng)的情況。稱重平臺(tái)使用的壓力傳感器信號(hào)為弱信號(hào)，為了達(dá)到快速、準(zhǔn)確的測(cè)量效果，測(cè)量重量時(shí)必須直接對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以必須使用高精度、高速A/D轉(zhuǎn)換芯片。目前，24位A/D轉(zhuǎn)換芯片種類繁多，采用了一款性價(jià)比較高的24位A/D芯片CS5532。一般情況下A/D檢測(cè)頻率越高越好。但是在計(jì)重系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中并不是這樣。因?yàn)樵撚?jì)重系統(tǒng)是采用動(dòng)態(tài)稱量方式，如果A/D轉(zhuǎn)換頻率太高，A/D采集不穩(wěn)定，尤其是對(duì)于弱電信號(hào)，很容易造成信號(hào)失真，反而測(cè)量不準(zhǔn)確。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，將A/D轉(zhuǎn)換頻率選定為1920Hz。?

3.1 LPC2103與CS5532的連接?

??? CS5532采用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口。LPC2103內(nèi)部集成了標(biāo)準(zhǔn)SPI接口，硬件連接比較方便。CS5532有2路信號(hào)輸入口，可以分別接入稱臺(tái)的2組傳感器輸出信號(hào)。CS5532采用單5V電源供電，基準(zhǔn)電壓采用5V輸入，CS5532其他引腳均采用標(biāo)準(zhǔn)接法，這里不再贅述。需要注意的是，由于計(jì)重系統(tǒng)長(zhǎng)期放置于室外，為了提高抗干擾性，基準(zhǔn)電源與供電電源必須隔離。?

3.2 輪軸類型檢測(cè)電路?

??? 輪軸信息檢測(cè)采用74系列的16選1開(kāi)關(guān)芯片74AS150。由LPC2103控制16路輸入信號(hào)切換。通過(guò)對(duì)16路輪軸傳感器輸出信號(hào)的循環(huán)掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪軸信息的檢測(cè)。輪軸使用的霍耳開(kāi)關(guān)為12V供電，考慮到抗干擾問(wèn)題，輪軸信號(hào)輸入需經(jīng)過(guò)隔離。這里的信號(hào)隔離采用了隔離光耦" title="光耦">光耦芯片TLP521。?

3.3 數(shù)據(jù)傳輸?

??? 稱重儀表通訊采用485通訊，使用雙絞屏蔽線最長(zhǎng)通訊可達(dá)1.5km。為了便于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，這里使用的是全雙工通訊芯片MAX488。為了增強(qiáng)抗干擾能力，增加了隔離光耦，這里采用高速光耦6n137。?

??? LPC2103的RXD（P0.1）和TXD（P0.0）腳分別經(jīng)過(guò)光耦連接到MAX488的接收RO 和發(fā)送DI腳。光幕信號(hào)通過(guò)光隔離后直接與LPC2103 的外部中斷0（P0.16）腳相連。?

4 軟件設(shè)計(jì)?

4.1 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?

??? 由于車輛是在行駛狀態(tài)下稱重的，不同速度下，重量偏差也不同。速度越快，重量偏差越大，測(cè)量誤差也越大。所以如果要準(zhǔn)確測(cè)量，必須根據(jù)速度對(duì)重量數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。?

??? 經(jīng)過(guò)大量測(cè)試得出了如圖2的不同速度下測(cè)量重量與時(shí)間的圖線。其中，V表示速度，Ⅰ為V≥20km/h， Ⅱ?yàn)?km/h≤V≤20km/h， Ⅲ為V≤5km/h， Ⅳ為靜止。由圖2可以看出，車輛行駛速度越快，測(cè)量出的重量波形越不穩(wěn)定，測(cè)量重量與真實(shí)重量偏差越大。所以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償需要進(jìn)行2個(gè)階段：第一階段，還原測(cè)量數(shù)據(jù)；第二階段，還原車輛真實(shí)數(shù)據(jù)。下面以速度大于20km/h為例，簡(jiǎn)要介紹一下還原測(cè)量數(shù)據(jù)方法。?

??? (1)還原測(cè)量數(shù)據(jù)方法?

??? ①軟件將內(nèi)存中測(cè)量出的重量數(shù)據(jù)繪圖(如圖3)，找出波形中波峰與波谷。將波峰A1與波谷A2之間的數(shù)據(jù)采用積分法計(jì)算出當(dāng)次均值A(chǔ)。?

??? ②同樣以此測(cè)量出N次均值B、C、D……N。?

??? ③將計(jì)算出來(lái)的N個(gè)均值A(chǔ)～N使用平均法計(jì)算平均值，該值就是第一階段還原的測(cè)量數(shù)據(jù)。?

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??? (2)還原真實(shí)數(shù)據(jù)方法?

??? 還原真實(shí)數(shù)據(jù)的主要依據(jù)是車輛運(yùn)行速度V，但是除了速度以外還有一些必要因素也直接或間接影響到真實(shí)數(shù)據(jù)還原精度。例如：稱臺(tái)的形變系數(shù)N、噸位等級(jí)Z。?

??? 稱臺(tái)形變系數(shù)N是固定的，但每個(gè)稱臺(tái)的形變系數(shù)各不相同，其形變系數(shù)的調(diào)整必需通過(guò)軟件測(cè)量實(shí)現(xiàn)。?

??? 測(cè)量數(shù)據(jù)越大，速度對(duì)其影響越大。噸位等級(jí)Z指單軸噸位等級(jí)，主要分為3個(gè)等級(jí)：2噸以下，Z=1%；2～6噸，Z=2%； 6噸以上，Z=3%。?

??? 經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，得出的真實(shí)數(shù)據(jù)（M，單位kg）與測(cè)量數(shù)據(jù)（M1，單位kg）、速度（V，單位km/h）、形變系數(shù)（N）、等級(jí)之間的關(guān)系為：?

??? M=M1×(1+((V2/100)×Z)×N)×S?

其中S為調(diào)整系數(shù)，是除去速度和車輛等非特定因素以外的特定因素，其主要包括海拔高度、稱臺(tái)安裝傾斜度等，一般情況下為100%，特定情況下根據(jù)情況調(diào)整，調(diào)整范圍為 90%～110%。稱重儀表安裝后首先需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，靜態(tài)標(biāo)定完成后再調(diào)整稱臺(tái)形變系數(shù)N。調(diào)整的方法：首先，分別準(zhǔn)確稱量出被測(cè)車輛各個(gè)單軸靜態(tài)重量，此重量數(shù)據(jù)作為真實(shí)數(shù)據(jù)M；再根據(jù)動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果利用結(jié)論公式，對(duì)系統(tǒng)的稱臺(tái)形變系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。?

4.2 工作軟件?

??? 稱重儀表的軟件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，這里只給出了如圖4所示的整個(gè)工作軟件流程。?

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??? 本文采用PHILIPS公司的32位ARM7TDMI-S內(nèi)核芯片LPC2103 設(shè)計(jì)完成高速公路動(dòng)態(tài)計(jì)重系統(tǒng)，系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于河北省高速公路、山西省高速公路的多家收費(fèi)站。實(shí)踐表明該系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定，大大提高了高速公路收費(fèi)站的工作效率，使車輛超限超載現(xiàn)象得到了有效遏止，取得了良好的社會(huì)效益和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。?

參考文獻(xiàn)?

[1] 武奇生.基于C/S的計(jì)重收費(fèi)交通量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，8-3：140-142.?

[2] 周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐.北京航空航天大學(xué)出版社，2003.?

[3] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程.北京：清華大學(xué)出版社，2003.