韓文揚(yáng)，安 平，蘇春華，韋金城

（1. 山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；2. 日照公路建設(shè)有限公司，山東 日照 276800）

1 背景

相較于傳統(tǒng)靜態(tài)稱重設(shè)備，動態(tài)稱重系統(tǒng)具有效率高、安裝靈活等特點(diǎn)。實(shí)際稱重信號特點(diǎn)設(shè)計信號處理和采集電路擬實(shí)現(xiàn)服務(wù)器遠(yuǎn)程通訊控制，并定時接收采集軸載譜數(shù)據(jù)，可長時間安裝運(yùn)行，無需工作人員定期到現(xiàn)場獲取數(shù)據(jù)。

2 聯(lián)網(wǎng)版動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 壓電膜傳感器

壓電膜傳感器是一種新型的聚合物壓電薄膜［1］，彈性好，易彎曲，具有相當(dāng)寬的頻率范圍，穩(wěn)定性能和動態(tài)性能好，適合在急劇變化的環(huán)境中工作。在動態(tài)稱重中使用的壓電膜傳感器為條狀傳感器，由金屬編織芯線、壓電材料和金屬外殼制成同軸結(jié)構(gòu)。所用壓電膜傳感器安裝在道路溝槽內(nèi)，汽車輪胎經(jīng)過傳感器時，壓電材料在受機(jī)械沖擊或振動時產(chǎn)生電荷信號［2］。

2.2 系統(tǒng)功能組成

開發(fā)的系統(tǒng)電路將兩個壓電膜傳感器配合使用，設(shè)計的信號處理電路可將電荷信號放大為電壓信號，利用低通濾波電路濾除信號中的低頻噪聲。車輛經(jīng)過兩個傳感器時，不同重量的車軸產(chǎn)生不同面積的脈沖信號，單片機(jī)快速采集壓電膜傳感器信號進(jìn)行計算軸重，兩個傳感器測量數(shù)據(jù)取平均值可以有效降低誤差。進(jìn)一步根據(jù)傳感器的安裝距離和不同信號產(chǎn)生的時間差，還能得到車速和軸距等車輛參數(shù)。

系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測車輛參數(shù)，通過4G網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器傳送及接收設(shè)置參數(shù)；系統(tǒng)包含實(shí)時時鐘功能，可記錄車輛通過時間。系統(tǒng)能接收地感線圈開關(guān)信號，獲得車輛當(dāng)前狀態(tài)；設(shè)計了看門狗電路，可防止單片機(jī)意外死機(jī)，使系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作。系統(tǒng)采用太陽能電池板供電，設(shè)計了供電電壓測試電路，當(dāng)電壓過低時發(fā)送故障代碼。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能組成

3 硬件電路設(shè)計

3.1 電源電路設(shè)計

系統(tǒng)的電源電路采用雙電源設(shè)計思路，太陽能電池板經(jīng)控制器穩(wěn)壓后輸出+12 V，電源芯片K7812-1000R3可將+12 V電壓轉(zhuǎn)化為-12 V電壓，線性穩(wěn)壓芯片7805將+12 V轉(zhuǎn)化為+5 V，7809將-12 V轉(zhuǎn)化為-5 V。為防止電源波動對芯片供電造成影響，在每個電源芯片后加入濾波電容，穩(wěn)定電源輸出。

3.2 信號處理電路設(shè)計

壓電膜傳感器產(chǎn)生的信號為電荷信號［3］，在進(jìn)行測量時需要將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號［4］。信號處理電路對壓電膜傳感器信號進(jìn)行兩級電路放大，第一級放大電路將傳感器輸出微弱電荷信號，放大為mV級電壓信號。該電路使用輸入運(yùn)算放大器TL062，可通過反饋電阻調(diào)節(jié)電壓增益。第二級放大電路采用了AD620放大器對輸入的信號進(jìn)行放大。MC1403恒壓源產(chǎn)生信號的基準(zhǔn)電壓，將輸入信號整體抬高，方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

3.3 單片機(jī)外圍電路及采集電路設(shè)計

系統(tǒng)采用單片機(jī)MC9S08DZ60，具有24路12位ADC采集通道，在保證采樣精度的基礎(chǔ)上，可減少單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換的時間，提高數(shù)據(jù)采集速度，通過分析計算，得到車速和軸重等車輛參數(shù)。

3.4 開關(guān)量信號處理電路設(shè)計

信號處理板接收外部地感線圈開關(guān)量信號，當(dāng)高電平信號到來時，三極管導(dǎo)通，單片機(jī)IO口進(jìn)行判別。三極管基極和發(fā)射極需要串接電阻，該電阻可使晶體管在輸入呈高阻態(tài)時可靠截止，同時在晶體管關(guān)閉時,增加基級和發(fā)射極之間的放電速度，減少晶體管中的殘留電荷引起的滯后時間。

3.5 串口通訊電路設(shè)計

控制系統(tǒng)采用兩路異步串行通訊，搭建以MAX232芯片為核心的RS-232串口通訊電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。一路通訊連接DTU，將采集的車輛數(shù)據(jù)通過4G上傳至服務(wù)器；另一路則是用來預(yù)留拓展功能。RS-232能夠同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，適合短距離兩個設(shè)備單點(diǎn)快速通訊。

3.6 實(shí)時時鐘電路設(shè)計

系統(tǒng)實(shí)時時鐘電路由一個時鐘芯片PCF8563和外圍晶振、匹配電容組成。實(shí)時時鐘芯片通過IIC總線與單片機(jī)通訊，傳遞時間信息。PCF8563芯片的通訊接口連接至單片機(jī)的2個IO口，模擬產(chǎn)生IIC時序，實(shí)現(xiàn)時間信息的有效傳輸。除了利用系統(tǒng)電源供電外，額外增加了紐扣電池供電，當(dāng)系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時，紐扣電池給芯片供電，保證其一直處于工作狀態(tài)。

3.7 看門狗電路設(shè)計

為了保證系統(tǒng)在工作過程中不會因為干擾等原因?qū)е滤罊C(jī)［5］，看門狗芯片采用了MAX705，該芯片的看門狗定時器用于監(jiān)控主控單片機(jī)的活動。如果在1.6 s內(nèi)芯片的WDI端沒有收到來自單片機(jī)的觸發(fā)信號，且WDI為非高阻態(tài)，則芯片給主控單片機(jī)發(fā)出復(fù)位信號，令主控單片機(jī)復(fù)位，防止主控單片機(jī)由于干擾出現(xiàn)死機(jī)的問題，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

4 數(shù)據(jù)傳輸

4.1 4G DTU

DTU采用4G無線透傳模塊，支持移動、聯(lián)通和電信4G高速接入，在4G網(wǎng)絡(luò)下具有速率快、延時低的特點(diǎn)，適合應(yīng)用在一些傳輸大數(shù)據(jù)量，交互頻繁的場景，具有高度的穩(wěn)定性。DTU安裝有手機(jī)SIM卡，與單片機(jī)雙向數(shù)據(jù)傳輸，支持網(wǎng)絡(luò)透傳模式，接收單片機(jī)定時發(fā)送的車輛數(shù)據(jù)，并實(shí)時向服務(wù)器打包發(fā)送。

4.2 傳輸協(xié)議

在進(jìn)行4G網(wǎng)絡(luò)傳輸時，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行包裝，轉(zhuǎn)化為能在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男盘?，同時在服務(wù)器接收之后能將傳輸?shù)男盘栟D(zhuǎn)化為直觀可讀的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)為兩者之間建立行之有效的傳輸協(xié)議。采集系統(tǒng)將每個車輛數(shù)據(jù)打包發(fā)送，每包數(shù)據(jù)幀都包含數(shù)據(jù)頭、傳輸數(shù)據(jù)及和校驗結(jié)果三部分。制定的傳輸協(xié)議分采集器上傳和服務(wù)器下發(fā)兩種。

采集器上傳包括兩類數(shù)據(jù)幀：第一類是發(fā)送正常采集的數(shù)據(jù)，服務(wù)器可設(shè)置固定的時間間隔使采集器上傳數(shù)據(jù)。第二類是發(fā)送故障狀態(tài)的故障碼，有兩種工作方式，若采集器自身判斷有問題，則主動上傳故障碼；若工作人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有問題，則通過服務(wù)器詢問，采集器將故障代碼上傳，用于故障原因分析。

服務(wù)器下發(fā)包括兩類數(shù)據(jù)幀：第一類是設(shè)置參數(shù)，主要是設(shè)置系統(tǒng)時間及數(shù)據(jù)上傳間隔，為了兼容后續(xù)功能，預(yù)留相關(guān)字節(jié)；第二類是發(fā)送狀態(tài)查詢指令，主要用于故障原因分析，通過發(fā)送不同指令，采集器上傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

5 動態(tài)稱重試驗測試

5.1 稱重信號分析

為進(jìn)一步驗證電路設(shè)計的可行性和稱重數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行路面模擬測試。壓電膜傳感器與地感線圈均鋪設(shè)在道路上，安裝位置見圖2。壓電膜傳感器與車輛行駛方向垂直鋪設(shè)，地感線圈則鋪設(shè)在兩條傳感器中間。

圖2 安裝位置示意

傳感器安裝后，在模擬測試現(xiàn)場進(jìn)行信號獲取，將壓電膜傳感器與信號處理電路連接，用示波器測量模擬車輛經(jīng)過時的輸出波形，見圖3。圖3（a）是兩軸車的稱重信號，當(dāng)兩軸車的不同車軸先后通過同一條平行放置的壓電薄膜時，會產(chǎn)生2個脈沖信號；圖3（b）是六軸車的稱重信號，車輛經(jīng)過時產(chǎn)生了6個脈沖信號。

圖3 稱重信號輸出波形

5.2 稱重算法

車輛車輪壓在傳感器上時，傳感器輸出電壓從零點(diǎn)開始上升，到達(dá)峰值之后下降至零點(diǎn)，產(chǎn)生的波形與軸重有著較為良好的線性關(guān)系。經(jīng)過大量模擬測試，初步驗證了軸重的計算方法：

式中：W—軸重，t；C—調(diào)整系數(shù)；A=1t0V（t）dt—脈沖信號的積分面積，t；t0、t1—信號從零點(diǎn)開始上升的時間和信號下降為零點(diǎn)的時間，s；v—車速，km/h,可由兩個傳感器之間的安裝距離和同一車軸經(jīng)過兩個傳感器之間的時間差計算得到。

系統(tǒng)采用安裝兩個壓電膜傳感器的方式計算軸重，在計算過程中取平均值作為最后的軸重測量結(jié)果，可以有效減少測量誤差。此方式可以精確測量車速，通過車速和相鄰車軸經(jīng)過同一傳感器的時間差計算軸距，同樣取兩個傳感器計算的平均值作為最終測量軸距。

5.3 試驗測試結(jié)果

為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)版道路動態(tài)稱重系統(tǒng)的廣泛開發(fā)應(yīng)用，并測試戶外4G傳輸?shù)姆€(wěn)定性進(jìn)行現(xiàn)場試驗。該路段設(shè)計為雙向六車道，檢測重載車輛較多的最外側(cè)行車道、服務(wù)器接收車輛數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明：（1）壓電膜傳感器能有效輸出稱重信號，采集系統(tǒng)能快速獲取此信號，計算得到車速、軸數(shù)、軸距和軸重車輛參數(shù)。（2）系統(tǒng)能實(shí)時檢測供電電壓和傳感器工作溫度，保證工作正常。（3）單片機(jī)經(jīng)串口通訊將數(shù)據(jù)定時傳送至DTU，進(jìn)而以4G網(wǎng)絡(luò)傳送至服務(wù)器顯示并存儲。（4）測試系統(tǒng)監(jiān)測一段時間內(nèi)的車輛數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)顯示這一路段六軸載重車輛較多，載重量較大，與現(xiàn)場實(shí)際觀測情況相符。

6 結(jié)語

（1）提出了一種基于4G傳輸技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)式車輛動態(tài)稱重裝置，系統(tǒng)以單片機(jī)為微處理器，結(jié)合壓電膜傳感器信號處理電路，將傳輸?shù)男盘柌蓸犹幚?，計算得到車輛參數(shù)信息，并將數(shù)據(jù)定時發(fā)送至DTU，通過自定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與服務(wù)器建立雙向4G網(wǎng)絡(luò)通訊。（2）進(jìn)行路面模擬測試試驗，測量了壓電膜傳感器輸出信號，并給出了軸重等數(shù)據(jù)的計算方式。試驗結(jié)果滿足測試需求，此方案可以較好的實(shí)現(xiàn)對車輛的動態(tài)稱重。（3）實(shí)際運(yùn)營高速公路現(xiàn)場試驗測試結(jié)果表明，開發(fā)的系統(tǒng)能實(shí)時檢測道路車輛數(shù)據(jù)，并上傳至服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為高速公路車輛動態(tài)稱重提供較好的技術(shù)手段。