劉葉楠，陳超波

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710021）

21世紀以來，我國的高速公路運輸系統(tǒng)的取得了飛速的發(fā)展，伴隨著其發(fā)展，大量的公路超限運輸現(xiàn)象也接踵而至。超限運輸現(xiàn)象不僅對公路、橋梁帶來嚴重的影響，而且極大地縮短了高速公路的使用年限，對交通安全構(gòu)成了極大的威脅。為了加強橋梁及公路的超限運輸管理，對疑似超載車輛進行精確測量，研發(fā)車輛動態(tài)稱重技術(shù)是至關(guān)重要[1]。

目前，車輛超載檢測技術(shù)主要分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測兩類。靜態(tài)檢測是通過固定安裝的電子地磅對經(jīng)過的車輛進行稱重；動態(tài)檢測是在車輛行駛中獲取其重量。動態(tài)檢測方法不需要車輛停下來，不會對道路交通帶來干擾，檢測效率較高，因而動態(tài)稱重技術(shù)越來越得到人們的關(guān)注。文獻[2]設(shè)計了一種基于TMS320F2812的車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)，但其數(shù)據(jù)處理速率較慢，難以滿足實時性要求。文獻[3]采用DSP為主控器搭建了硬件平臺，利用平均值濾波和中位值濾波結(jié)合對數(shù)據(jù)進行處理，軟件算法復(fù)雜，難以廣泛應(yīng)用。文獻[4]介紹了一種由石英晶體傳感器和感應(yīng)線圈構(gòu)成的車輛動態(tài)稱重儀，但其抗干擾能力較差，在電磁干擾較強的環(huán)境下，難以穩(wěn)定工作。對此設(shè)計了以MSP430F6736為核心的，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和通信存儲功能的超載車輛動態(tài)檢測儀。

1 動態(tài)稱重檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車輛動態(tài)檢測系統(tǒng)主要對行駛中的車輛進行精確稱重，系統(tǒng)的核心是動態(tài)稱重。當車輛駛?cè)霗z測系統(tǒng)時，車輛的前輪首先壓在地感線圈上，同時光幕也會被切斷；此時表示有車輛到來，系統(tǒng)開始采集軸重信號。當?shù)馗芯€圈與光幕由切斷變回連通狀態(tài)時，表示本次軸重采集完畢，之后將采集到的軸重信息發(fā)送至PC。地感線圈發(fā)生的電平跳變會觸發(fā)車牌識別器，車牌識別器會對現(xiàn)有車輛的車牌進行采集與抓拍，工作完成后將車牌信息發(fā)送給PC。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 動態(tài)稱重檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of dynamic weighing detection system

2 檢測儀硬件原理設(shè)計

2.1 整體硬件組成

基于MSP430F6736動態(tài)檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括板傳感器、地感線圈、信號放大模塊、通信模塊、MSP430F6736核心處理單元等，具體構(gòu)成如圖2所示。

當車輛經(jīng)過彎板傳感器，傳感器將自身壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對應(yīng)的電信號，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，主要完成對數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及與PC之間的通信。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成方案Fig.2 Data acquisition module scheme

2.2 核心處理器電路

MSP430F6736為美國TI公司的一款16位超低功耗混合信號處理器，其16位的精簡指令集，125nS的命令周期便于操作，由于MSP430F6736自身帶有3個具有PGA的24位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度足以滿足超限檢測系統(tǒng)設(shè)計需求，無需添加外部電路，可以極大程度地降低電路設(shè)計難度。對處理器芯片選擇完畢后即可對采集板電路各個部分進行設(shè)計。

2.3 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

由于系統(tǒng)核心處理器MSP430F6736內(nèi)部，具有差分可編程增益放大器（PGA）輸入的24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以滿足超限檢測稱重系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速率，故進行外部電路設(shè)計時，無需額外采用外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，直接利用MSP430F6736內(nèi)部的24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。由于彎板式傳感器將壓力轉(zhuǎn)變的信號是mV級別的電壓信號，故需要將mV級的信號放大，以便于采集。其放大芯片可選用INA128，傳感器信號放大電路如圖3所示。

圖3 傳感器信號放大電路Fig.3 Sensor signal amplifying circuit

2.4 通訊模塊電路設(shè)計

TD302D232H為一款雙路高速RS232隔離收發(fā)模塊，主要用于邏輯電平與232協(xié)議電平的轉(zhuǎn)換，可以輕松地實現(xiàn)RS232協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的連接功能。其最大通信波特率可以達到115200 b/s，具體電路如圖4所示。

圖4 通訊模塊原理Fig.4 Communication module principle

3 檢測儀軟件設(shè)計

根據(jù)分析，超限檢測系統(tǒng)的工作流程如下：當可疑車輛經(jīng)過超限檢測站時，首先，車輛前輪壓在地感線圈上，會啟動車牌識別儀，車牌識別儀通過網(wǎng)口將車牌信息發(fā)送至上位機，上位機接收此信息后會保存車輛車牌信息備用。同時，車頭觸發(fā)光幕傳感器，這時候采集板I/O模塊輸出信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，下位機通過串口向上位機發(fā)送請求，上位機接收到請求后開始準備接收采集的軸重信號，此時采集板開始啟動對傳感器信號進行采集與預(yù)處理，待采集結(jié)束后，將軸重信息打包通過串口發(fā)送至至上位機。上位機接收到該信號后首先對其進行標定處理，會得到車輛的車重，與相關(guān)規(guī)定對比后，會得到超限率、與罰款金額等信息，最后將所有信息整合存儲，并顯示在LED屏幕。整個系統(tǒng)總的工作流程圖如圖5所示。

圖5 超限檢測系統(tǒng)的軟件流程Fig.5 Software flow chart of overrun detection system

3.1 下位機軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計中，利用MFC多線程技術(shù)進行設(shè)計，將整個程序分為2個線程，主線程與輔助線程。主線程主要用于完成初始化與車輛軸重數(shù)據(jù)處理2個部分，其關(guān)鍵部分是稱重數(shù)據(jù)處理；輔助線程主要用于完成稱重數(shù)據(jù)的接收。當車輛到來時，下位機的I/O設(shè)備會檢測到光幕的變化，開始軸重采集，同時通過串口向上位機發(fā)送請求信號，此時輔助線程會對信息進行接收，接收完畢后將信息發(fā)送至主線程進行處理。主線程、輔助線程的流程如圖6所示。

圖6 超限檢測程序流程Fig.6 Overrun detection program flow chart

3.2 串口通訊軟件設(shè)計

在Visual Studio 2013中多數(shù)會利用SerialPort類來完成串口的通信，NET Framework 2.0類庫中包含了一個SerialPort類，與MSComm相同，可以簡單地完成串口的各項操作。

利用SerialPort串口類在編寫程序時，首先需要手動將串口類倒入，建立SerialPort.h與SerialPort.cpp文件，并把SerialPort類的.h和.cpp文件復(fù)制到工程中區(qū)，再把SerialPort.h與SerialPort.cpp添加到項目中，在stdafx.h中引入一個BOOL變量，用于表示標志串口是否打開，接下來需要在Dlg類的頭文件中注釋宏中間加入消息的宏定義：

可以像操作MSComm控件一樣對其進行操作。先利用成員函數(shù)m_SerialPort.InitPort（）去對設(shè)置通訊端口號及波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位等信息進行設(shè)置，仍然利用成員函數(shù)open（）去打開端口，之后進行收發(fā)數(shù)據(jù)操作，待傳輸結(jié)束后繼續(xù)利用最后成員函數(shù)close（）去關(guān)閉端口。

3.3 數(shù)據(jù)存儲模塊軟件設(shè)計

該系統(tǒng)主要存儲車輛的相關(guān)信息：車輛各軸的重量、車量的速度、車輛的軸數(shù)以及車輛的總重量等。數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的倉庫。VC++中常用的數(shù)據(jù)庫主要有Microsoft Office Access，MQL Server。在此采用 Microsoft Office Access作為數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)。使用ADO的方式來對Access數(shù)據(jù)庫進行訪問，步驟如下：

步驟1 將ADO類導(dǎo)入至工程項目中，通過在stdafx.h中添加#include，#import語句實現(xiàn)。

步驟2 對COM環(huán)境進行初始化操作，完成后即可得到 _ConnectionPtr，_RecordsetPt，_CommandPtr三個指針：_CommandPtr為要提交的sql查詢字符串；_RecordsetPtr為查詢返回的結(jié)果；_ConnectionPtr為連接并分別去定義對象。即

步驟3 m_Connection對象中的Open去連接數(shù)據(jù)庫。

步驟4 利用 m_pConnection，m_pCommand等指針去對數(shù)據(jù)庫進行增、刪、改、查操作。

步驟5 使用完畢后關(guān)閉連接釋放對象。

4 動態(tài)稱重數(shù)據(jù)處理及實例驗證

4.1 稱重信號的數(shù)字濾波

車輛在檢測過程中，以一定的速度通過彎板傳感器，車輛的速度、加速度以及車輛運行過程中自身產(chǎn)生的振動、車輛不規(guī)范過稱以及檢測系統(tǒng)本身都會使實際重量信號中帶有不同頻率的干擾，另外系統(tǒng)周圍的工作環(huán)境等因素也會帶來一些偶然性誤差。從混雜有各種干擾的真實車輛信號中濾除干擾，得到車輛信息的有效信號，是影響整個系統(tǒng)測量精度的關(guān)鍵所在，因此有必要對采集到的信號進行數(shù)字濾波。檢測儀采用算數(shù)平均濾波算法進行數(shù)字濾波。濾波后通過動態(tài)稱重算法獲得準確的軸重。

算數(shù)平均濾波的主要思想是將采樣得到的N個連續(xù)的采樣值分別相加，然后求其平均值，將該算術(shù)平均值看作此次測量的濾波結(jié)果。算術(shù)平均值為

假定Si為有效值，ni為隨機噪聲，則

將式（2）代入式（1），可得

該濾波算法一般用于被測信號在一個平均值小范圍附近變化的系統(tǒng)，對去除周期性的噪聲具有良好的效果。

4.2 動態(tài)稱重算法

經(jīng)過算術(shù)平均濾波后的信號曲線己經(jīng)比較平穩(wěn)光滑，求出反映實際車輛軸重的A/D值有以下步驟：

步驟1 車速提取。處理數(shù)據(jù)的信號和車輛通過傳感器稱臺的速度有關(guān)，因此準確獲取被檢車輛的速度也關(guān)鍵步驟之一。具體過程是：①設(shè)定1個閾值T，若采樣值x滿足條件x≥T，則說明被檢車輛有軸壓在傳感器稱臺的有效區(qū)內(nèi)；若x

可正確計算出被檢車輛的各個軸通過稱臺的速度。③對N個速度值求取算術(shù)平均值，所得結(jié)果v即為被檢車輛的速度，即

步驟2 軸數(shù)計算。在軸數(shù)計算之前，先對車輛實際載荷情況做簡單的分析。一般來講，車輛由車頭和車廂構(gòu)成，且都是車頭載人部分重量較小，車廂載貨部分重量較大，被檢車輛的重量信號如圖7所示。由圖可見，車輛開始壓過稱臺時，測得的重量值不斷增加，當被測軸完全壓在稱臺有效區(qū)時，波形到達一個峰值并在很短的時間內(nèi)趨于平穩(wěn)；該軸離開稱臺時信號波形開始下降，接著重量又不斷增加，說明第2個軸開始經(jīng)過稱臺。因此，可以采用設(shè)定閾值的方法來計算軸數(shù)。

圖7 被檢測車輛的重量信號Fig.7 Weight signal of detected vehicle

步驟3 數(shù)據(jù)處理。結(jié)合檢測的重量信號，根據(jù)計算出的車輛速度，將數(shù)據(jù)的處理分為以下3種情況：

1）被檢車輛低速通過稱重傳感器，取2個波峰之間的算術(shù)平均值更貼近于被檢車輛的真實軸重；

2）被檢車輛中速通過稱重傳感器，該段信號近似為正弦曲線，求其平均值作為被檢車輛的真實軸重；

3）被檢車輛高速通過稱重傳感器，采用波峰為每個軸重的有效值。

經(jīng)過多次車輛重量信息實際測量的統(tǒng)計對比，設(shè)計的車輛動態(tài)稱重檢測儀的總體誤差率<5%，可以滿足路政工作人員執(zhí)法檢測的精確要求。車輛稱重統(tǒng)計的10次數(shù)據(jù)見表1，實際的測試結(jié)果令人滿意。

表1 車輛的檢測與實際重量對比Tab.1 Comparison of vehicle detection and actual weight

試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有成本低、使用簡單、靈活性強等特點；為執(zhí)法檢查提供了新的檢測手段，解決了我國車輛運輸管理中的一個問題，對于我國治理公路超載超限具有很大的實際意義和廣闊的應(yīng)用前景。

4.3 實例驗證

為了驗證理論的正確性與可行性，將樣機在某超限檢測站進行了實際測試，在距離超限檢測站約1 km的公路旁設(shè)立車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)，如圖8所示。圖9和圖10分別給出了超限檢測稱重界面、監(jiān)測數(shù)據(jù)運行界面。

圖8 主機箱安裝實景Fig.8 Installation of host box

圖9 超限檢測稱重界面Fig.9 Overlimit test weighing interface

圖10 監(jiān)測數(shù)據(jù)運行界面Fig.10 Monitoring data running interface

由該運行界面可見，此動態(tài)稱重系統(tǒng)可以同時對3個車道進行檢測。數(shù)據(jù)處理完成后，檢測時間、車牌號等車輛信息會顯示在界面中相應(yīng)車道的左側(cè)區(qū)域，其右側(cè)列表中顯示該車各軸的重量。

5 結(jié)語

所設(shè)計的超載車輛動態(tài)檢測儀，以高性能的單片機MSP430F6736為核心處理器，并結(jié)合Visual Studio 2013開發(fā)工具、Microsoft Access數(shù)據(jù)庫管理工具，采用了232通訊技術(shù)等，實現(xiàn)了對超載車輛的動態(tài)監(jiān)測。其硬件平臺簡單，功耗較低，信息采集識別精度高，數(shù)據(jù)處理快。實例測試驗證了所設(shè)計的系統(tǒng)的有效性和可行性。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了智能化，降低了人為干預(yù)，提高了檢測效率，同時緩解了排隊檢測帶來的交通擁堵，具有一定的實用價值。

[1]祝文允，王金琳.車輛超載檢測技術(shù)的研究進展[J].河南科技，2015，31（1）：109-111.

[2]范愛民，廖高華，林謀有.公路車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010，40（6）：62-64.

[3]王惠中，張雨默，李春霞.一種新型車輛動態(tài)稱重儀的設(shè)計[J].電氣自動化，2010，32（1）：71-72.

[4]曾華中，徐建閩.基于TMS320F2812的車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)[J].微計算機信息，2007，23（17）：165-167.

[5]劉忠超，殷華文，郭抒穎.基于MSP430單片機的智能儀表設(shè)計[J].自動化與儀表，2015，30（2）：20-24.

[6]楊軍，李麗宏，周尚儒.基于自適應(yīng)卡爾曼濾波的動態(tài)稱重算法的研究[J].自動化與儀表，2014，29（8）：5-8.

[7]陳三風，劉曉波.基于VB 6.0與單片機串行通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表，2004，19（1）：68-70.