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
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)。
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
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
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
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。
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)。
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。
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