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        基于WIFI的無線便攜式汽車軸重稱重系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

        2021-03-29 09:39:56楊倫余康徐瑞利
        汽車實用技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:臺板軸重濾波

        楊倫,余康,徐瑞利

        (中航電測儀器股份有限公司,陜西 西安 710119)

        前言

        對汽車重心位置的計算與檢測,為設(shè)計人員合理分配汽車軸重和輪重提供有效數(shù)據(jù),幫助改善汽車的運行穩(wěn)定性,并且車輛最終定型前也需要通過重心檢測試驗[1]。本系統(tǒng)的研究對提高公路交通運輸安全和公路使用壽命都具有重大意義。

        傳統(tǒng)的便攜式汽車軸重稱重系統(tǒng),主要由稱重板、儀表箱和互聯(lián)電纜等組成,各稱重板與儀表箱之間采用電纜連接,傳送重量電壓信號。首先由于傳送信號為模擬信號,信號幅值也很小,極易受到環(huán)境干擾,而且信號在長線傳輸時會產(chǎn)生衰減,再就是實際使用過程中,互聯(lián)電纜也極易受到損傷,給使用者帶來很大不便,最后稱重板與儀表箱之間須有固定的連接對應關(guān)系,不能隨意調(diào)換。這些傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺陷,致使便攜式軸重稱重系統(tǒng)的使用難以推廣和普及。

        針對上述問題,本系統(tǒng)的傳感器(即稱重臺板)直接集成了信號處理功能,每個傳感器即為一個獨立的秤臺,并采用了無線信號傳輸技術(shù),取消了互連電纜,布放時沒有位置順序的限制,稱重臺板信號直接傳送至電腦顯示終端。

        圖1 傳統(tǒng)便攜式汽車軸重稱重

        1 系統(tǒng)總體方案

        系統(tǒng)主要由稱重臺板和電腦終端(含管理軟件)兩大部分組成,其中稱重臺板由板式稱重傳感器、數(shù)據(jù)采集處理電路和無線信號傳輸裝置三部分集成為一體。

        系統(tǒng)采用“車輪-秤臺”承載映射機理,即秤臺與車輛輪胎相對應,車輛總載荷分配在各秤臺上,各秤臺獨立顯示承載重量,每個測試結(jié)果通過無線收發(fā)裝置發(fā)送至電腦終端,對各秤臺顯示的重量信號進行采集與管理,可以對車輛的稱重數(shù)據(jù)進行存儲、報表、打印等操作。

        傳感器選用L15B型板式稱重傳感器,橫向一致性好、測量精度高,信號由數(shù)據(jù)采集電路轉(zhuǎn)換處理,最終得到精確的重量數(shù)據(jù),通過無線傳輸裝置送達電腦終端,無線傳輸裝置選用深圳海凌科的Wi-Fi模塊產(chǎn)品,功率大,能夠有效繞過障礙物,實現(xiàn)50m的傳輸距離。數(shù)據(jù)采集電路和無線傳輸裝置直接嵌入傳感器內(nèi),形成一體化的重量感應、采集處理、顯示及傳輸?shù)姆Q重臺板,充分體現(xiàn)系統(tǒng)便攜的特點。

        便攜式汽車軸重稱重系統(tǒng)含多只稱重臺板,對于不同車型、不同軸型、不同軸距/輪距車輛的軸重及輪重,通過簡單的組合即可實現(xiàn)。

        系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖:

        圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

        2 傳感器選用

        L15B型板式稱重傳感器具有如下的特點:

        1)整體平板式設(shè)計,動態(tài)響應頻率高;

        2)采用航空用特殊材料,過載能力強;

        3)采用了特殊的防護處理,防護等級高;

        4)重量輕,易于攜帶;

        5)裝配橡膠提手,可移動布放;

        6)配套專用引橋,便于車輛上下稱重臺板。

        圖3 板式稱重傳感器(稱重臺板)

        因此,在公路運輸車輛的移動稱重和載荷監(jiān)測方面,板式稱重傳感器應用廣泛,對于飛機重量及重心的檢測,以及特別場合的重量檢測方面也能適用。

        3 無線通訊技術(shù)選擇

        基于使用者便攜式應用的要求,系統(tǒng)的外設(shè)應盡量精簡,因此系統(tǒng)設(shè)計時在無線通訊技術(shù)選擇上,就從電腦可選配的藍牙模塊與Wi-Fi模塊之間進行了選擇,而不考慮433MHz工業(yè)無線電等技術(shù),實現(xiàn)最為便捷的數(shù)據(jù)傳輸方式。

        嵌入式UART-WIFI模塊HLK-WIFI-M03是海凌科電子設(shè)計基于串行接口的符合Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)標準的產(chǎn)品,內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE 802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧,能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

        WI-FI無線網(wǎng)絡(luò)包括兩種類型的拓撲形式:基礎(chǔ)網(wǎng)和自組網(wǎng)。本系統(tǒng)中,采用WI-FI的基礎(chǔ)網(wǎng)類型,運用無線網(wǎng)絡(luò)加密方式,對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行保護。同時WI-FI模塊自動掃描,以快速組網(wǎng)與保持在線,提高系統(tǒng)的響應速度。

        通過HLK-WIFI-M03模塊,稱重臺板的數(shù)據(jù)可以輕松接入無線網(wǎng)絡(luò),進行組網(wǎng)。

        4 硬件電路及軟件程序設(shè)計實現(xiàn)

        系統(tǒng)硬件電路包含數(shù)據(jù)采集電路和無線數(shù)據(jù)傳輸裝置兩部分,數(shù)據(jù)采集電路負責采集板式稱重傳感器的模擬電壓信號,經(jīng)采集轉(zhuǎn)換處理后得到重量數(shù)據(jù),然后由無線數(shù)據(jù)傳輸裝置將重量數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦終端。

        數(shù)據(jù)采集電路主要由電源電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、主控制器、按鍵電路、通訊電路和顯示電路等組成,電路結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖見圖4。各電路部分的功能如下:

        1)電源電路給所有功能電路提供工作電壓;

        2)A/D轉(zhuǎn)換電路采集稱重傳感器的模擬電壓信號;

        3)主控制器是數(shù)據(jù)采集電路的核心樞紐;

        4)按鍵電路實現(xiàn)清零、標定等用戶操作的錄入;

        5)通訊電路為主控制器與無線數(shù)據(jù)傳輸裝置的接口;

        6)顯示電路對采集處理后的重量示值等進行指示。

        圖4 數(shù)據(jù)采集電路方案框圖

        軟件程序完成數(shù)據(jù)采集電路部分A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取、濾波和標定處理,當有按鍵操作時識別鍵值并執(zhí)行相應的命令,最后將重量數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示電路進行實時顯示,軟件流程圖見圖5。

        圖5 下位機軟件流程圖

        系統(tǒng)下位機軟件的關(guān)鍵部分就是數(shù)據(jù)濾波和轉(zhuǎn)換處理,從A/D轉(zhuǎn)換器讀到的碼值一般會有幾十上百個數(shù)值的跳變,這種情況必須采用數(shù)字濾波算法對數(shù)據(jù)進行處理。本系統(tǒng)采用了中位值濾波和算術(shù)平均濾波的組合算法,即中位值平均濾波算法,連續(xù)采樣12個A/D轉(zhuǎn)換碼,排序后找出其中的最大值和最小值并舍棄,把剩余的 10個數(shù)值求和再取平均值,即得到一個穩(wěn)定的數(shù)值。中位值平均濾波算法的優(yōu)點是可以消除偶然出現(xiàn)的脈沖干擾,缺點是測量速度較慢,而且比較占用緩存。

        經(jīng)過實際測試,中位值平均濾波算法可以滿足本系統(tǒng)靜態(tài)測量的應用需求,實現(xiàn)高精度的靜態(tài)測量。

        5 管理軟件設(shè)計實現(xiàn)

        系統(tǒng)管理軟件采用Visual Basic 6.0軟件編制完成,主要有輪重/軸重/總重顯示、數(shù)據(jù)存儲、打印等功能,其中數(shù)據(jù)存儲使用了Microsoft Office自帶的Access數(shù)據(jù)庫,對于本管理軟件而言,其功能足以支持本課題所需應用。

        管理軟件流程與稱重界面見圖6。

        圖6 管理軟件流程圖與稱重界面

        6 系統(tǒng)測試

        在連接完成整套系統(tǒng)后,將安裝管理軟件的電腦放置距被測試傳感器約10m遠處,用標準力機對被測試傳感器進行了測試,包括非線性、重復性和偏載測試,測試結(jié)果見表1。

        圖7 稱重測試

        表1 靜態(tài)精度測試結(jié)果

        通過上述測試結(jié)果,分析可知,基于 WIFI的無線便攜式汽車軸重稱重系統(tǒng)在無線通訊連接的情況下,稱重信息傳輸準確,響應速度快,系統(tǒng)的綜合精度達到≤0.2%FS。

        7 結(jié)語

        根據(jù)用戶的應用需求,選用了基于Wi-Fi無線通訊技術(shù),并結(jié)合了高精度數(shù)據(jù)采集技術(shù)的方案,設(shè)計實現(xiàn)了基于Wi-Fi技術(shù)的便攜式汽車軸重稱重系統(tǒng)。

        本系統(tǒng)未采用傳統(tǒng)的電纜線連接方式,而是基于 WIFI技術(shù)原理下,將稱重儀表集成在稱重板內(nèi),實現(xiàn)了真正意義上的便攜式無線稱重方式。系統(tǒng)的單元模塊簡單,稱重信息傳輸準確、系統(tǒng)響應速度快,綜合精度高。

        經(jīng)用戶實際應用測試,系統(tǒng)各項功能及性能達到預期要求,運行穩(wěn)定可靠,滿足工程應用需求。

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