齊 芳 周 洲 朱衛(wèi)民 井樂(lè)樂(lè)

(1.河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450008；2．鄭州大學(xué)，鄭州 450001)

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基于GPS的道路測(cè)速系統(tǒng)校準(zhǔn)儀器的研制

齊 芳1周 洲2朱衛(wèi)民1井樂(lè)樂(lè)2

(1.河南省計(jì)量科學(xué)研究院，鄭州 450008；2．鄭州大學(xué)，鄭州 450001)

設(shè)計(jì)研制了一個(gè)基于GPS的道路測(cè)速系統(tǒng)校準(zhǔn)儀器。該儀器可通過(guò)一個(gè)GPS接收機(jī)記錄運(yùn)動(dòng)載體的行駛速度及時(shí)間、行駛路程，工作人員還可以方便地從軟件中提取任意時(shí)間、任意地點(diǎn)的速度或任意時(shí)間段、任意路段的區(qū)間速度，并將其與其他測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)，從而完成對(duì)其他測(cè)速系統(tǒng)如雷達(dá)測(cè)速儀的校準(zhǔn)溯源。

GPS；測(cè)速；計(jì)量校準(zhǔn)；LabVIEW；區(qū)間測(cè)速

0 引言

隨著私家車的日益普及和貨物運(yùn)輸量的加大，道路安全形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，對(duì)測(cè)速儀器的計(jì)量校準(zhǔn)及溯源變得尤為重要。傳統(tǒng)的測(cè)速校準(zhǔn)方式已經(jīng)不能滿足道路系統(tǒng)校準(zhǔn)的需要，GPS以其高精度的測(cè)速結(jié)果為測(cè)速系統(tǒng)的校準(zhǔn)提供了一種新的技術(shù)手段，可作為標(biāo)準(zhǔn)源完成其他測(cè)速方法如地感線圈測(cè)速儀[1]、雷達(dá)測(cè)速儀[2]等測(cè)速系統(tǒng)的計(jì)量校準(zhǔn)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于GPS的道路測(cè)速系統(tǒng)校準(zhǔn)儀[3]，它可以記錄下安裝了GPS接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)載體的行駛路程，行駛速度及行駛時(shí)間，用戶可以從軟件中方便地提取測(cè)量期間內(nèi)任意時(shí)間，任意地點(diǎn)的瞬時(shí)速度，還可以提取任意時(shí)間段、任意路段的區(qū)間速度。并能將瞬時(shí)速度顯示在車外懸掛式LED屏上，方便其它的測(cè)速系統(tǒng)與作為標(biāo)準(zhǔn)源的本系統(tǒng)的測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)介紹

基于GPS的道路測(cè)速系統(tǒng)校準(zhǔn)儀由GPS模塊、懸掛式LED顯示模塊和PC端上位機(jī)軟件三部分組成，如圖1所示。GPS模塊接收GPS衛(wèi)星信號(hào)后[4]，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)解碼計(jì)算出時(shí)間、位置及速度信息，然后將這些數(shù)據(jù)按照一定的通訊協(xié)議通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)軟件；上位機(jī)軟件接收數(shù)據(jù)并按照協(xié)議解析出路徑及速度信息，然后記錄下時(shí)間、路徑以及速度，以相應(yīng)的文件格式保存，并計(jì)算出任意時(shí)間段、路徑段的區(qū)間速度，同時(shí)將瞬時(shí)速度通過(guò)串口發(fā)送到懸掛式LED顯示模塊；LED顯示模塊接收到瞬時(shí)速度信息后，將瞬時(shí)速度顯示在LED屏上。當(dāng)檢測(cè)車通過(guò)公路測(cè)速系統(tǒng)且超速時(shí)，道路測(cè)速取證系統(tǒng)開始工作，自動(dòng)拍攝檢測(cè)車，標(biāo)定該車的速度值。此時(shí)，被檢車輛外掛顯示屏上的車輛標(biāo)準(zhǔn)速度值也被拍攝，對(duì)比這兩個(gè)速度值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)公路機(jī)動(dòng)車測(cè)速系統(tǒng)的檢測(cè)校準(zhǔn)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 GPS模塊的設(shè)計(jì)

GPS模塊使用的是Garmin公司的GPS25LVS模塊。GPS25LVS模塊的RF引腳為天線引腳，通過(guò)BNC接口連接到吸附式天線。吸附式天線底盤上帶有磁石可以吸附在車頂，以便良好地接收GPS衛(wèi)星信號(hào)。VCC和GND引腳分別為電源和地引腳。Txd為串口發(fā)送引腳，Rxd為接收引腳，這兩個(gè)引腳與DB9接口相連接，方便地連接到電腦的串口上，圖2為GPS25LVS接口電路示意圖。

圖2 GPS25LVS接口電路示意圖

3 懸掛式LED顯示模塊設(shè)計(jì)

LED顯示模塊設(shè)計(jì)為32×16的LED點(diǎn)陣模式，通過(guò)移位寄存器74HC595來(lái)控制這些LED燈。模塊使用單片機(jī)STC89C52來(lái)接收上位機(jī)發(fā)送的速度信息，并模擬移位寄存器時(shí)序來(lái)控制LED的點(diǎn)亮。

本模塊的軟件設(shè)計(jì)為前臺(tái)和中斷兩個(gè)部分。圖3和圖4分別為前臺(tái)程序及中斷程序的流程圖。

圖3 前臺(tái)程序流程圖

圖4 中斷程序流程圖

4 PC端上位軟件機(jī)模塊設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)需要有大量的圖表顯示以及儀表控制，因此選擇LabVIEW[5]作為上位機(jī)程序的開發(fā)軟件，軟件包含前面板和程序框圖兩個(gè)部分。

4.1 前面板設(shè)計(jì)

前面板設(shè)置了兩個(gè)選項(xiàng)卡，一個(gè)是速度界面，一個(gè)是路程界面。所有和速度有關(guān)的測(cè)量裝在速度界面選項(xiàng)卡中，和路程有關(guān)的測(cè)量則裝在路程界面選項(xiàng)卡中。

圖5 速度測(cè)量界面速度與時(shí)間顯示部分

速度界面的左邊是一個(gè)波形圖，它可以實(shí)時(shí)顯示速度曲線，波形圖的下面有一個(gè)水平滑動(dòng)桿，拖動(dòng)該滑動(dòng)桿可以控制波形圖中的游標(biāo)移動(dòng)，讀取相應(yīng)的時(shí)間與速度信息，在旁邊的文本顯示框中顯示，如圖5所示。界面的右邊有一個(gè)名為“采樣”的按鈕及一個(gè)文本顯示框，用戶點(diǎn)擊“采樣”按鈕或單擊鍵盤上的回車鍵，軟件會(huì)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻和速度進(jìn)行采樣，將數(shù)據(jù)保存在顯示框中，如圖6所示。路程測(cè)量界面的左邊是一個(gè)XY圖控件，它接收的數(shù)據(jù)格式是一維簇?cái)?shù)組，可根據(jù)經(jīng)緯度簇?cái)?shù)組而實(shí)時(shí)更新路徑信息。右邊是三個(gè)文本顯示控件，分別顯示平均信息、起點(diǎn)信息和終點(diǎn)信息。起點(diǎn)信息和終點(diǎn)信息分別顯示了路徑圖表中游標(biāo)位置的經(jīng)度、緯度、時(shí)刻以及速度值，平均信息則顯示了起點(diǎn)游標(biāo)與終點(diǎn)游標(biāo)之間行駛所用的時(shí)間，行駛的路程及區(qū)間速度。整個(gè)路徑測(cè)量界面圖表可以實(shí)時(shí)記錄路徑信息。

圖6 前面板采樣部分

4.2 程序框圖設(shè)計(jì)

本程序開辟了三個(gè)進(jìn)程，分別完成GPS數(shù)據(jù)協(xié)議解析、GPS信息記錄采集存儲(chǔ)和瞬時(shí)速度值點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換及發(fā)送功能。

1)GPS數(shù)據(jù)協(xié)議解析進(jìn)程

本進(jìn)程使用普通的程序流程，由while循環(huán)、for循環(huán)以及條件結(jié)構(gòu)組成。首先進(jìn)程使用一個(gè)while循環(huán)，該循環(huán)在軟件運(yùn)行期間一直運(yùn)行直到軟件關(guān)閉時(shí)停止。循環(huán)內(nèi)是一個(gè)條件結(jié)構(gòu)，條件結(jié)構(gòu)由真假兩個(gè)分支構(gòu)成，該條件結(jié)構(gòu)根據(jù)前面板電源開關(guān)的值來(lái)判斷進(jìn)入哪個(gè)分支。當(dāng)電源開關(guān)被按下時(shí)，條件結(jié)構(gòu)進(jìn)入“真”分支，否則進(jìn)入“假”分支。真分支負(fù)責(zé)完成GPS數(shù)據(jù)的協(xié)議解析，假分支則沒(méi)有任何功能。這樣相當(dāng)于電源開關(guān)按下后，軟件處于正常工作模式，電源開關(guān)彈起后軟件處于待機(jī)模式。

2)GPS信息記錄采集存儲(chǔ)進(jìn)程

該進(jìn)程采用事件結(jié)構(gòu)編程。用戶對(duì)軟件界面的任何操作，例如“單擊鼠標(biāo)”，“拖動(dòng)鼠標(biāo)”或者“按下鍵盤的某個(gè)鍵”，操作系統(tǒng)都會(huì)將這些操作以隊(duì)列的形式記錄下來(lái)，而事件結(jié)構(gòu)則會(huì)不停地掃描該隊(duì)列，一旦有設(shè)定的事件，就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的程序。

3)瞬時(shí)速度值點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換及發(fā)送

本進(jìn)程負(fù)責(zé)完成將進(jìn)程1)中解析出來(lái)的速度值變換為點(diǎn)陣串行數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送給LED模塊。該進(jìn)程同樣使用事件結(jié)構(gòu)編程，不過(guò)只包含兩個(gè)事件，一個(gè)是“超時(shí)”，另一個(gè)是“速度值改變”。如果速度值沒(méi)有改變，本進(jìn)程將不被觸發(fā)，LED顯示的速度值也不會(huì)改變；當(dāng)速度值變化了之后，本進(jìn)程就會(huì)將速度值變化為點(diǎn)陣串行數(shù)據(jù)發(fā)送到LED上來(lái)更新顯示的速度值。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)雷達(dá)測(cè)速儀的檢定采用的標(biāo)準(zhǔn)器多數(shù)是安裝在機(jī)動(dòng)車上的非接觸式測(cè)速儀，因此我們用該GPS道路測(cè)速系統(tǒng)同另一套型號(hào)為CTM-800的非接觸式多功能測(cè)速儀對(duì)同一條道路上的各個(gè)測(cè)速點(diǎn)進(jìn)行速度測(cè)量值采集、比對(duì)。實(shí)驗(yàn)中將接收機(jī)安置于車上，行駛車輛采用逐漸加速的方式行進(jìn)，實(shí)驗(yàn)人員觀察測(cè)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所顯示車速值隨著車速的變化而發(fā)生快速的變化，可以證明速度更新的實(shí)時(shí)性良好。另外采集速度值時(shí)采用在某個(gè)速度點(diǎn)對(duì)兩個(gè)裝置的速度采集界面拍照取樣，這樣采集得到的速度值可以客觀地反映同一速度點(diǎn)的數(shù)值。采集的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩套測(cè)速儀的測(cè)試數(shù)據(jù) km/h

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，GPS道路測(cè)速系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差為±0.5%，可以達(dá)到機(jī)動(dòng)車超速自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)于計(jì)量器具誤差的要求[6]。另外，由于非接觸式多功能測(cè)速儀對(duì)天氣有較高的要求，在下雨天氣及路面有積水的情況下對(duì)數(shù)據(jù)采集有較大的影響，而GPS道路測(cè)速系統(tǒng)則對(duì)天氣無(wú)太高要求，且其無(wú)需固定在測(cè)速車輛上，攜帶方便，因而更適合在道路上對(duì)其他測(cè)速系統(tǒng)如雷達(dá)測(cè)速儀進(jìn)行檢定校準(zhǔn)。

6 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的GPS道路測(cè)速系統(tǒng)校準(zhǔn)儀采用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，數(shù)字化電路，全電腦控制，具有準(zhǔn)確度等級(jí)高，穩(wěn)定性好和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，且檢測(cè)人員還可以方便地從軟件中提取任意時(shí)間、任意地點(diǎn)或任意時(shí)間段、任意路段的區(qū)間速度與其他測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)，從而完成對(duì)其他測(cè)速系統(tǒng)如雷達(dá)測(cè)速儀的校準(zhǔn)溯源。

[1] 魯麗,朱衛(wèi)民.無(wú)源式地感線圈測(cè)速儀檢定系統(tǒng)研制[J].計(jì)量技術(shù)，2011(10):53-55

[2] 陳一.雷達(dá)測(cè)速儀檢定裝置測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2007(12):46-47

[3] 張寶峰,胡波,朱均超,李翠,楊毅.基于GPS的在線車速檢測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2012(11):12-14

[4] 杜娟,孫中豪,姚飛娟,劉星.GPS測(cè)速方法與精度分析[J].全球定位系統(tǒng)，2012(6):13-16

[5] 王海寶，吳光杰，譚澤富，聶祥飛.LabvIEw虛擬儀器程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].成都西南交通大學(xué)出版社，2005:1-3

[6] JJG 527—2007機(jī)動(dòng)車超速自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢定規(guī)程[M].中國(guó)計(jì)量出版社，2007

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.15