??? 摘? 要： 高速公路動態(tài)計重" title="動態(tài)計重">動態(tài)計重系統(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設計稱重" title="稱重">稱重儀表。介紹了在不同速度下對重量數(shù)據(jù)進行動態(tài)補償?shù)姆椒ǎo出了動態(tài)測量的硬件及軟件實現(xiàn)。?

??? 關鍵詞： 動態(tài)計重；高速公路；ARM處理器

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??? 近年來,我國道路運輸車輛超限超載現(xiàn)象較為普遍，并有“愈演愈烈”之勢。車輛超限超載運輸對交通安全、運輸市場及汽車生產(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,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系。車輛超限超載運輸給人民生命財產(chǎn)造成了巨大損失。作為綜合治理超限超載的一種手段，政府鼓勵高速公路管理部門對車輛實行計重收費。計重收費依賴計重設備， 無需判別車型， 以動態(tài)稱重設備稱出的車輛軸重和車貨總重作為載貨汽車的通行費收費依據(jù)和超限判定依據(jù)，據(jù)此按一定的收費標準對車輛征收通行費和對超限運輸車輛實施懲罰性收費，從而從根本上解決車輛超限超載問題。本文介紹利用ARM7DMI-S內(nèi)核芯片LPC2103設計的高速公路動態(tài)計重系統(tǒng)。?

1 系統(tǒng)組成?

??? 計重系統(tǒng)主要組成如圖1所示。?

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??? 圖1中，1為稱重儀表，計重系統(tǒng)核心，負責整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、人機交互、車輛信息采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋?為稱重平臺，主要稱重設備，平臺四周裝有4～6個壓力傳感器。車輛行駛過平臺時傳感器將重量信息實時發(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，其作用是自動將連續(xù)行駛的車輛進行分離，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為輪軸識別器，車輛類型識別裝置，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?

??? 高速公路對車輛稱重與傳統(tǒng)稱重方式不同，要求不停車、快速、準確的稱量，而且要求設備對高速公路路面損壞小，安裝方便。因此高速公路采用動態(tài)計重方式對車輛進行稱量。?

??? 工作原理：車輛正向行駛進入計重車道，車輛進入光幕，光幕將車輛起始信號發(fā)送到稱重儀表，儀表接收到車輛起始信號后自動開辟內(nèi)存空間，準備接收車輛信息。車輛經(jīng)過輪軸識別器，輪軸識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)過稱重平臺，壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送給稱重儀表中的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出給MCU，完成一次重量采集。在車輛經(jīng)過平臺的過程中重量采集實時進行。稱重儀表將采集的大量重量信息進行運算后，再根據(jù)當前車輛行駛的速度對當前運算后的數(shù)據(jù)進行動態(tài)補償。將最終補償后的數(shù)據(jù)作為當前車輛的當前軸重數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存空間中。當車輛行駛過光幕后，產(chǎn)生收尾信號。稱重儀表接收到收尾信號后，根據(jù)輪軸類型計算當前車輛的額定載重，與行駛速度、輪軸類型、實際重量等信息打包上傳到上位機軟件。?

3 硬件設計?

??? 高速公路的特殊環(huán)境對計重設備提出了速度快、測量準確的高要求。稱重儀表是整個計重系統(tǒng)的“心臟”和“大腦”。稱重儀表作為整個系統(tǒng)中樞，接受所有來自其他設備的信號和數(shù)據(jù)，并對各個數(shù)據(jù)進行處理，最終發(fā)送給上位機軟件。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位單片機的4～5倍。其32位大容量運算非常適合于計重系統(tǒng)。采用了一款PHILIPS公司的新型ARM內(nèi)核芯片LPC2103。LPC2103基于一個支持實時仿真的ARM7TDMI-S CPU，并帶有8KB和32KB嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。從整體性能看，采用LPC2103芯片設計的稱重儀表工作速率比采用其他芯片設計的儀表提高了5～10倍。?

??? 檢測車輛狀態(tài)最科學的方法就是通過稱臺傳感器來測量，將傳感器分成A、B兩組（如圖1），分別位于稱臺前后兩側(cè)。當車輛從不同的方向經(jīng)過稱臺時兩組傳感器測量的數(shù)據(jù)不同，這樣就能準確測量出車輛行駛方向，從而避免了數(shù)據(jù)不對應的情況。稱重平臺使用的壓力傳感器信號為弱信號，為了達到快速、準確的測量效果，測量重量時必須直接對原始信號進行轉(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，采用了一款性價比較高的24位A/D芯片CS5532。一般情況下A/D檢測頻率越高越好。但是在計重系統(tǒng)實際應用中并不是這樣。因為該計重系統(tǒng)是采用動態(tài)稱量方式，如果A/D轉(zhuǎn)換頻率太高，A/D采集不穩(wěn)定，尤其是對于弱電信號，很容易造成信號失真，反而測量不準確。經(jīng)過反復試驗，將A/D轉(zhuǎn)換頻率選定為1920Hz。?

3.1 LPC2103與CS5532的連接?

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

3.2 輪軸類型檢測電路?

??? 輪軸信息檢測采用74系列的16選1開關芯片74AS150。由LPC2103控制16路輸入信號切換。通過對16路輪軸傳感器輸出信號的循環(huán)掃描，實現(xiàn)對輪軸信息的檢測。輪軸使用的霍耳開關為12V供電，考慮到抗干擾問題，輪軸信號輸入需經(jīng)過隔離。這里的信號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通訊可達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)過光耦連接到MAX488的接收RO 和發(fā)送DI腳。光幕信號通過光隔離后直接與LPC2103 的外部中斷0（P0.16）腳相連。?

4 軟件設計?

4.1 動態(tài)補償?

??? 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，測量誤差也越大。所以如果要準確測量，必須根據(jù)速度對重量數(shù)據(jù)進行動態(tài)補償。?

??? 經(jīng)過大量測試得出了如圖2的不同速度下測量重量與時間的圖線。其中，V表示速度，Ⅰ為V≥20km/h， Ⅱ為5km/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，測量出的重量波形越不穩(wěn)定，測量重量與真實重量偏差越大。所以動態(tài)補償需要進行2個階段：第一階段，還原測量數(shù)據(jù)；第二階段，還原車輛真實數(shù)據(jù)。下面以速度大于20km/h為例，簡要介紹一下還原測量數(shù)據(jù)方法。?

??? (1)還原測量數(shù)據(jù)方法?

??? ①軟件將內(nèi)存中測量出的重量數(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)采用積分法計算出當次均值A。?

??? ②同樣以此測量出N次均值B、C、D……N。?

??? ③將計算出來的N個均值A～N使用平均法計算平均值，該值就是第一階段還原的測量數(shù)據(jù)。?

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??? (2)還原真實數(shù)據(jù)方法?

??? 還原真實數(shù)據(jù)的主要依據(jù)是車輛運行速度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數(shù)據(jù)還原精度。例如：稱臺的形變系數(shù)N、噸位等級Z。?

??? 稱臺形變系數(shù)N是固定的，但每個稱臺的形變系數(shù)各不相同，其形變系數(shù)的調(diào)整必需通過軟件測量實現(xiàn)。?

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

??? 經(jīng)過反復測試，得出的真實數(shù)據(jù)（M，單位kg）與測量數(shù)據(jù)（M1，單位kg）、速度（V，單位km/h）、形變系數(shù)（N）、等級之間的關系為：?

??? 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系統(tǒng)進行靜態(tài)標定，靜態(tài)標定完成后再調(diào)整稱臺形變系數(shù)N。調(diào)整的方法：首先，分別準確稱量出被測車輛各個單軸靜態(tài)重量，此重量數(shù)據(jù)作為真實數(shù)據(jù)M；再根據(jù)動態(tài)測量結(jié)果利用結(jié)論公式，對系統(tǒng)的稱臺形變系數(shù)進行調(diào)整。?

4.2 工作軟件?

??? 稱重儀表的軟件設計較為復雜，這里只給出了如圖4所示的整個工作軟件流程。?

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??? 本文采用PHILIPS公司的32位ARM7TDMI-S內(nèi)核芯片LPC2103 設計完成高速公路動態(tài)計重系統(tǒng)，系統(tǒng)現(xiàn)已應用于河北省高速公路、山西省高速公路的多家收費站。實踐表明該系統(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，取得了良好的社會效益和可觀的經(jīng)濟效益。?

參考文獻?

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