張海濤

（遼寧省高速公路管理局營口管理處，遼寧 營口115000）

0 引言

目前，紅外車輛分離器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高速公路收費系統(tǒng)中。在收費系統(tǒng)運行過程中，紅外車輛分離器通過紅外線的同步掃描來確定車輛通行的開始和結(jié)束信號，保證通行或計重數(shù)據(jù)與車輛的對應(yīng)關(guān)系。

1 紅外車輛分離器的硬件設(shè)計

1.1 紅外車輛分離器的系統(tǒng)組成

紅外車輛分離器由紅外發(fā)射單元、紅外接收單元和核心控制單元組成。紅外發(fā)射單元由8塊紅外發(fā)射電路板構(gòu)成，每塊電路板包括8組紅外線發(fā)光二級管。二極管分為2排安裝在發(fā)射單元的印刷電路板上，2排的間距為20mm。每組紅外二極管由發(fā)射單元的驅(qū)動電路驅(qū)動。紅外接收單元由8塊紅外接收電路板構(gòu)成，每塊電路板上的RPM6938芯片負責(zé)接收發(fā)射單元的紅外信號。核心控制單元以MCS－51單片機為核心控制部件，采用8255A芯片擴展I／O端口，以控制發(fā)射單元的信號發(fā)射和接收單元的信號監(jiān)測。

如圖1所示，MCS－51單片機將8255A設(shè)定為工作模式，并將A口規(guī)定為輸入方式，B口和C口規(guī)定為輸出方式。A口用來監(jiān)測紅外接收單元的數(shù)據(jù)，判斷分離器是否被車輛遮擋。C口用來逐一選定紅外發(fā)射單元的8塊電路板，B口提供用來驅(qū)動被選發(fā)射電路板上各組發(fā)光二極管的發(fā)射信號。

圖1 紅外車輛分離器系統(tǒng)組成圖

1.2 紅外發(fā)射電路的設(shè)計

紅外發(fā)送電路由74Ls08芯片與門、載波振蕩電路和紅外發(fā)送管驅(qū)動輸出電路組成，如圖2所示，本設(shè)計采用38kHz的載波信號，載波電路采用555組成穩(wěn)定的石英晶體振蕩電路。載波信號與8255A的PB端口提供的發(fā)射信號進行邏輯“與”運算后，通過三極管驅(qū)動到紅外發(fā)光二極管。例如，當(dāng)單片機PB0輸出為“0”時，第一組發(fā)光二級管不發(fā)光；當(dāng)單片機PB0輸出為“1”時，第一組發(fā)光二級管發(fā)出調(diào)制紅外線。

1.3 紅外接收電路的設(shè)計

圖2 紅外發(fā)射電路圖

紅外接收電路（圖3）采用RPM6938集成電路芯片，該芯片集光電轉(zhuǎn)換、信號解調(diào)和放大功能于一體，有3個引腳，分別接電源VCC、地GND、信號輸出端口OUT。當(dāng)收到38kHz調(diào)制紅外線時，OUT輸出為“0”，平時OUT輸出為“1”。信號腳接到8255A的PC端口上，這樣，紅外接收信號就通過8255A傳送給MCS－51單片機。

圖3 紅外接收電路圖

2 車輛識別

2.1 紅外掃描原理

MCS－51單片機首先將01H傳送至8255A的PC端口，從而選定第一塊紅外發(fā)射電路板。再將01H傳送給PB端口，則PB0為“1”，PB1～PB7為“0”，PB0觸發(fā)第一組紅外二極管發(fā)射出紅外線。同時，紅外接收電路會將接收信息傳送給PA端口。如果PA端口的高3位或低5位中的2位接收到“0”，則判斷為紅外線阻斷有效，并將阻斷狀態(tài)字第1位置“1”；否則，判斷紅外線阻斷無效，阻斷狀態(tài)字第1位置“0”。當(dāng)小物體（如飛鳥等）在近距離遮擋分離器的接收端時，不會同時遮擋2塊接收電路板，這樣設(shè)計可以避免不必要的誤判。

第一組紅外二極管檢測結(jié)束后，將PB端口進行左移位運算，再掃描PA端口，判定第二組紅外二極管阻斷狀態(tài)。以此類推，完成被選發(fā)射電路板上8組紅外二極管的阻斷檢測。

第一塊紅外發(fā)射電路板掃描結(jié)束后，將PC端口進行左移位運算，再依次檢測第二塊電路板上的各組紅外二極管阻斷狀態(tài)。以此類推，完成8塊發(fā)射電路板上紅外二極管的阻斷掃描，即分離器完成1次紅外掃描。

此設(shè)計中定義了8個當(dāng)前阻斷狀態(tài)字和8個先前阻斷狀態(tài)字，用來記錄分離器本次掃描和上一次掃描中8塊發(fā)射電路板的紅外阻斷情況。通過這2組狀態(tài)字的比較，可以判斷車輛的行駛情況。

2.2 車輛到達識別

首先，將到達識別計數(shù)器置“0”。當(dāng)紅外分離器完成1次掃描時，如果8個當(dāng)前阻斷狀態(tài)字的前3個或后5個中2個不為“0”，則判定分離器阻斷有效，并將到達識別計數(shù)器加1；否則，判定分離器阻斷無效，并將到達識別計數(shù)器置“0”。當(dāng)小物體（如飛鳥等）在近距離遮擋分離器的發(fā)射端時，不會同時遮擋2塊發(fā)射電路板，即不會2個狀態(tài)字同時為“0”，這樣設(shè)計可以避免不必要的誤判。當(dāng)?shù)竭_識別計數(shù)器累加到50時，即分離器阻斷時間大約500ms時，判定為車輛到達。

2.3 車輛駛離識別

車輛駛離識別分為正常駛離識別和強制駛離識別。8個當(dāng)前阻斷狀態(tài)字全部為“0”時，即發(fā)射單元發(fā)出的紅外線全部被接收單元檢測到時，判定為車輛正常駛離。分離器應(yīng)用于車輛通行判定時，分離器的車輛駛離信號作為車道欄桿機桿臂下落的觸發(fā)信號。當(dāng)實際車輛駛出收費車道時，如果分離器未作出正常駛離識別，則收費員會發(fā)現(xiàn)欄桿機桿臂未落，并作出車輛模擬通行操作。收費計算機會將模擬通行信號發(fā)送給車輛分離器，促使分離器作出強制駛離識別。分離器應(yīng)用于計重數(shù)據(jù)判定時，8個當(dāng)前阻斷狀態(tài)字若不全為“0”，但到達識別計數(shù)器已被置“0”，當(dāng)前狀態(tài)字與先前狀態(tài)字相同，且上述狀態(tài)持續(xù)60s，分離器會作出強制駛離識別。

強制駛離識別是由于硬件故障或積灰遮擋導(dǎo)致。這時，分離器會自動作出故障識別處理，并將無法正常工作的發(fā)射二極管或接收電路板標(biāo)識出來。當(dāng)再次車輛識別掃描時，分離器會略過標(biāo)識故障的硬件，從而正常識別車輛的通行狀態(tài)。分離器的故障識別與前面所述的紅外掃描類似，這里不再贅述。

3 結(jié)語

本設(shè)計克服了傳統(tǒng)紅外車輛分離器環(huán)境適應(yīng)能力差的缺點，避免了飛鳥、降雪等情況的干擾，并能標(biāo)識和處理簡單的故障。

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