禹琳琳

（太原理工大學信息工程學院，山西太原030024）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速公路建設和公路運輸規(guī)模都得到了前所未有的發(fā)展，由此帶來的車輛超限超載現(xiàn)象也日益嚴重。超限運輸一方面會縮短公路和橋梁的使用壽命，另一方面會造成車體形狀的改變及車輛性能的下降，形成交通安全的嚴重隱患。目前，車輛超寬超高治理作為治超工作的重要組成部分，大多還處于人工階段，主要由工作人員用卷尺或者竹竿實測寬高，既增加了工作人員的工作量，又降低了工作效率。為實現(xiàn)超寬超高治理工作的自動化和智能化，采用激光測距技術，選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器LM3S8962，設計開發(fā)了一套智能車輛寬高檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)可對行進車輛進行高精度動態(tài)掃描，實現(xiàn)寬高檢測。

1 激光測距傳感器的選擇

激光以其高亮度、高方向性、高單色性等優(yōu)點，被廣泛應用于各種測量領域中。激光測距相比紅外測距，超聲波測距等方式，具有速度快，實時性強，獲取數(shù)據(jù)精度高等特點。激光測距技術已在汽車防撞，建筑或空地安全監(jiān)護，軌道交通等領域得到了廣泛地應用[1]。為了滿足高速公路車輛寬高檢測系統(tǒng)測量速度快，測量精度高的要求，還考慮到系統(tǒng)能在能見度較差的環(huán)境甚至夜間工作，系統(tǒng)選用德國SICK公司生產(chǎn)的LMS型雙脈沖激光測距傳感器。

LMS激光傳感器是一種戶外型非接觸式的高精度、高解析度外部傳感器，其工作原理是基于對激光束飛行時間的測量，其按照定義好的時間間隔發(fā)出激光脈沖，通過定時器計算發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時間間隔來得到與被測物體之間的距離。脈沖激光束經(jīng)過測距傳感器內(nèi)部的一個旋轉(zhuǎn)反光鏡的反射對周圍環(huán)境形成扇面掃描。激光掃描測距的工作原理如圖1所示。

圖1 激光掃描測距傳感器工作原理圖Fig.1Working schematic diagram of laser scanning and ranging sensor

目標物體的輪廓線由所接收到的一系列脈沖序列來確定[2]。LMS激光傳感器的掃描頻率是25 Hz/50 Hz，角度頻率是0.25°/0.5°，掃描角度范圍是0°～270°，最大掃描距離是20 m，標準測量精度為±30 mm，安全防護等級為IP67，對人眼安全。惡劣的環(huán)境因素對測量范圍沒有影響，可用于室外溫度-30～+50℃的環(huán)境中[3]。

2 系統(tǒng)構成及工作原理

智能車輛寬高檢測系統(tǒng)通過對車輛進行連續(xù)動態(tài)掃描，采集車輛的外形輪廓信息，并將采樣數(shù)據(jù)實時傳遞給控制單元，控制單元通過處理、分析、計算采樣數(shù)據(jù)，得出車輛實際的寬度和高度，并將測量值顯示在液晶屏上，供現(xiàn)場工作人員查看，同時根據(jù)國家規(guī)定的限寬值和限高值判斷被測車輛能否通行。本系統(tǒng)能夠手動設定限寬值和限高值，可以對行進車輛進行實時檢測，具有聲光報警和語音提示功能。系統(tǒng)在實際應用時，要求行進車輛車速控制在20 km/h以下。實時快速測量也可避免交通擁堵現(xiàn)象。

智能車輛寬高檢測系統(tǒng)選用LM3S8962作為主控制器。LM3S8962是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的低功耗、高速度處理器。LMS激光傳感器通過500 kb/s的高速串行接口將測量數(shù)據(jù)傳送給主控制器，不會造成數(shù)據(jù)的丟失?？刂破鲗⒔邮盏降膾呙钄?shù)據(jù)進行處理，由于其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間大，不需外擴數(shù)據(jù)存儲器。系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

3 硬件電路設計

圖2 系統(tǒng)結構框圖Fig.2Block diagram of system

智能車輛寬高檢測系統(tǒng)電氣控制部分以基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的LM3S8962處理器作為控制核心，按功能可劃分為以下模塊：電源模塊，主控制器模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、繼電器控制模塊等，以下對3個部分作較詳細介紹。

3.1 主控制器模塊設計

采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器LM3S8962作為系統(tǒng)控制核心。Cortex-M3內(nèi)核采用ARMv7-M架構，它緊湊地結合Thumb-2指令集，采用哈佛處理器架構，與ARM7TDMI相比，比Thumb指令每兆赫的效率提高了70%，比ARM指令提高35%。由于Thumb-2指令是Thumb指令的擴展，16位和32位指令共存于同一模式下，復雜性大幅下降，代碼密度和性能均得到提高[4]。LM3S8962時鐘頻率高達50 Hz，多達36個中斷源具有8個優(yōu)先等級，提供系統(tǒng)時鐘，256 kB的FALSH，64 kB的SRAM，休眠模塊，通用異步收發(fā)器，通用定時器，I2C接口以及其他豐富的外設接口，可方便的對各種現(xiàn)場設備進行有效控制[5]。圖3為LM3S8962的外設接口及其外圍電路（時鐘、復位、UART接口等）。

圖3 主控制器模塊原理圖Fig.3Schematic diagram of host controller module

3.2 數(shù)據(jù)通訊模塊設計

將激光傳感器掃描得到的極值坐標信號通過通用異步收發(fā)器（UART）傳送給微控制器，選用了MAX232進行RS232電平轉(zhuǎn)換，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)通訊模塊原理圖Fig.4Schematic diagram of data communication module

LM3S8962具有兩個串行接口UART0和UART1。本系統(tǒng)選用UART1用于RS232通信使用。UART是一種應用廣泛的短距離串行傳輸接口，通信雙方只要采用相同的幀格式和波特率，僅用兩根信號線（Rx和Tx）就可以完成通信過程，有獨立的發(fā)送FIFO和接收FIFO。有可編程的波特率發(fā)生器，允許速率高達460.8 kb/s[6]。系統(tǒng)中通過UART傳送的數(shù)據(jù)高速存儲于SRAM存儲器內(nèi)供微控制器進行實時快速計算。

3.3 輸入輸出模塊設計

系統(tǒng)設置了4個按鍵，用于設置車輛的限寬限高值，設置及修改系統(tǒng)時間等，實現(xiàn)了隨時修改信息的功能。為了便于工作人員查看過往車輛的寬度和高度，采用了LCD顯示。選用青云創(chuàng)新公司生產(chǎn)的LCD液晶顯示模塊LCM192642，它是漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字和圖形。模塊工作電源為5 V；改變變位器W1的值可以調(diào)節(jié)LCD屏的顯示對比度；整個LCD屏被均分為三部分16～18是選屏信號線，可以選擇其中任一部分顯示。系統(tǒng)中設置了2個12 V繼電器，當行駛車輛經(jīng)檢測超過了標準的寬度和高度時系統(tǒng)會通過繼電器分別接通警燈和室外擴音器的電源而產(chǎn)生聲光報警，一方面提示現(xiàn)場工作人員進行處理，另一方面告知司機該車超限需停車接受處理。如下圖5所示為輸入輸出模塊原理圖。

圖5 輸入輸出模塊原理圖Fig.5Schematic diagram of input-output module

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)采用IAR5.11作為開發(fā)環(huán)境，使用C語言編程，采用模塊化程序設計。軟件設計分為主控模塊、初始化模塊、中斷處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、鍵盤和顯示模塊等幾部分。主程序工作流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電后，首先完成系統(tǒng)初始化，然后給傳感器發(fā)命令，啟動傳感器掃描，接收串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，從串口緩沖區(qū)提取所需數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息進行轉(zhuǎn)換，判斷，比較，存儲。進行數(shù)據(jù)分析處理后調(diào)用相應的執(zhí)行子程序完成相應的功能，如調(diào)用LCD子程序顯示車輛寬高信息等，程序進入不斷循環(huán)工作狀態(tài)。

圖6 主程序工作流程圖Fig.6Flow chart of main working

數(shù)據(jù)采集使用串口通訊模式，發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢方式完成，接收數(shù)據(jù)采用中斷方式完成，接收中斷流程如圖7所示。傳感器和主控制器之間通過事先約定的通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)收發(fā)，主控制器只需設置好相應的串口號、波特率及相應端口設置，發(fā)送測量命令，等待接收。單次讀數(shù)據(jù)命令為：sRN LMDscandata；連續(xù)讀數(shù)據(jù)命令為：sEN LMDscandata 1；連續(xù)停數(shù)據(jù)命令為：sEN LMDscandata 0。

圖7 接收中斷流程Fig.7Flow chart of receive interrupt

5 模擬實驗

系統(tǒng)整體設計完成后，在進入超限點進行現(xiàn)場調(diào)試之前，在實驗室進行了模擬實驗。將激光傳感器固定在3 m高的支架上，讓一放置立方體被測物的小推車以10 km/h的速度從激光傳感器下經(jīng)過，如圖8所示。將激光傳感器設置在掃描角度為0°～180°，角度分辨率為0.5°的模式下，當小推車完全經(jīng)過時，液晶屏上即可顯示立方體被測物的最大寬度和高度，同時可通過MATLAB仿真物體的輪廓，如圖9所示。同等條件下，讓小推車在傳感器下先后通過數(shù)次后統(tǒng)計結果，將測量值和實際值比較可得誤差在0.15 m以內(nèi)的達到95%，符合測量精度要求。

圖8 系統(tǒng)模擬實驗圖Fig.8System simulation diagram

6 結束語

圖9 物體仿真輪廓圖Fig.9Contour map of objects simulation

針對高速公路車輛超限超載這一問題，設計了基于激光測距技術的寬高檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對行進車輛進行實時動態(tài)測量。本系統(tǒng)在實驗期間，工作可靠穩(wěn)定，功耗低，計算速度快，測量精度高，抗干擾能力強，實驗誤差符合高速公路管理部門對于行進車輛寬高超限檢測的要求。通過反復實驗驗證，該設計有效可行，為下一階段進入現(xiàn)場進行實地調(diào)試作了充分準備。

[1]謝志鵬，卞春江，孟新.基于FPGA的激光測距控制系統(tǒng)設計[J].微計算機信息，2009，25（3-2）:190-191，187.XIE Zhi-peng，BIAN Chun-jiang，MENG Xin.Design of laser distance measurement control system based on the FPGA[J].Control&Automation，2009，25（3-2）:190-191，187.

[2]葉迪.移動機器人基于激光測距的三維場景重構[D].山東：大連理工大學，2008.

[3]ARM Cortex-M3 Processor.The archltecture for the digital world[Z].2006.

[4]SICK company in Germany.LMS laser measurement systems operating instructions[EB/OL].2009.http://www.sick.com.

[5]周立功，等.ARM Cortex-M3開發(fā)指南——基于LM3S8000[EB/OL].http://www.embedtools.com/pro_kaifa/ARM/easyarm 8962/cortex-m3_zhinan.pdf.

[6]周立功，等.EasyARM8962實驗教程[EB/OL].http://www.embedtools.com/pro_kaifa/ARM/easyarm8962/easyarm8962_jiaochen_.pdf.