無線通信在電容車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳 梅

(商丘師范學(xué)院物理與信息工程系，河南商丘 476000)

0 引言

電容式車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)通過電容式車輛稱重傳感器，利用車輛本身鋼板彈簧的變形檢測(cè)車輛載荷[1]。司機(jī)可由安裝在駕駛室內(nèi)的顯示器隨時(shí)獲得車輛載荷值，同時(shí)稽查人員可以利用手持儀器與車載式載荷檢測(cè)裝置進(jìn)行無線通信，獲得車輛的載荷信息。與傳統(tǒng)的稱重方法相比，采用具有無線通信功能的電容式車輛載荷檢測(cè)裝置具有更大的優(yōu)越性。

1 電容式車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)

電容式車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，車載裝置安裝在車體上，車輛每個(gè)輪軸的中部與車廂底之間都安裝一套電容傳感器。在載荷作用下，汽車的緩沖減振機(jī)構(gòu)(鋼板彈簧)產(chǎn)生變形，電容傳感器兩極板間的距離發(fā)生變化，傳感器的電容值也隨之變化。預(yù)先標(biāo)定出傳感器電路輸出電壓值與該輪軸載荷值之間的關(guān)系，就可以根據(jù)各輪軸傳感器電路的電壓值得出該輪軸的載荷質(zhì)量[2]。將各輪軸的載荷質(zhì)量相加即得整車載荷質(zhì)量。電容測(cè)量電路采用獨(dú)特的四相檢測(cè)電荷轉(zhuǎn)移式微電容測(cè)量線路[3]，將來自電容式稱重傳感器極其微弱的電容信號(hào)采集出來，并轉(zhuǎn)化成易于檢測(cè)的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP信號(hào)處理模塊[4]。DSP信號(hào)處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，計(jì)算整車載荷并將結(jié)果線性化;之后，將載荷結(jié)果輸出。

圖1 電容式車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)

無線通信以其不需鋪設(shè)明線、使用便捷等特點(diǎn)，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域占據(jù)重要地位[5]。無線通信裝置包括車載裝置和手持裝置。車載裝置接收手持裝置的指令，向手持裝置輸送載荷結(jié)果，必要時(shí)向手持裝置輸送車輛類型、車牌號(hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差校正;手持裝置中超聲波信號(hào)發(fā)射和數(shù)據(jù)接收裝置向車載裝置發(fā)出指令，啟動(dòng)車載裝置，接收來自車載裝置的數(shù)據(jù);稽查人員通過鍵盤向車載裝置輸送誤差校正數(shù)據(jù);單片機(jī)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后送給顯示裝置，并與PC機(jī)建立數(shù)據(jù)聯(lián)系;PC機(jī)形成局域網(wǎng)后，可以完成信息收集、顯示、查詢、檢索以及數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)、處理、存儲(chǔ)等多項(xiàng)工作。

2 無線通信原理

在電容式車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)中，手持儀器中的單片機(jī)為主機(jī)，車載稱重裝置中的單片機(jī)為從機(jī)，單片機(jī)之間的通信方式采用一對(duì)多的主從模式，可利用ISM頻段(433 MH z)，其通信原理如圖2所示。

主機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令及顯示車輛有關(guān)信息，從機(jī)負(fù)責(zé)收集車輛的載荷信息，進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理，根據(jù)主機(jī)的要求返回?cái)?shù)據(jù)，并執(zhí)行主機(jī)發(fā)出的命令，主機(jī)和從機(jī)之間的信息交換通過無線通信實(shí)現(xiàn)。在主從式多機(jī)無線通信系統(tǒng)中，從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切均由主機(jī)控制[6]。由于發(fā)送和接收共用同一物理信道，因此在任意時(shí)刻只允許1臺(tái)從機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)，只有被主機(jī)呼叫的從機(jī)才能占用總線，對(duì)主機(jī)作出應(yīng)答。

常見的多機(jī)通信方式是將每臺(tái)從機(jī)分配1個(gè)唯一的從機(jī)地址[7]。主機(jī)與從機(jī)通信時(shí)，主機(jī)先呼叫某從機(jī)地址，喚醒被叫從機(jī)后，主、從機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而未被呼叫的從機(jī)則繼續(xù)處于等待狀態(tài)。主機(jī)發(fā)送的信息可以傳到多個(gè)從機(jī)或指定的從機(jī)，各從機(jī)發(fā)送的信息只能被主機(jī)接收。但是主機(jī)發(fā)送的地址幀有效位僅有8位，只能分配256個(gè)從機(jī)地址。因?yàn)闄C(jī)動(dòng)車輛數(shù)目眾多，這顯然不能滿足要求。為了解決主機(jī)與從機(jī)的通信問題，系統(tǒng)采用基于時(shí)分多址的“隨機(jī)延時(shí)”方法，可以增加從機(jī)地址個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，其原理如圖3所示。

圖3 時(shí)分多址的“隨機(jī)延時(shí)”原理

當(dāng)手持儀器控制按鍵按下后，主機(jī)循環(huán)發(fā)送查詢命令，查詢附近有無車輛經(jīng)過，為防止數(shù)據(jù)碰撞，將主機(jī)發(fā)出查詢命令后的時(shí)間適當(dāng)延時(shí)，并將所延時(shí)的時(shí)間分成n個(gè)時(shí)間間隔。各從機(jī)“隨機(jī)”選擇1個(gè)時(shí)間間隔，在此時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)回應(yīng)答，這樣主機(jī)就可以在逐個(gè)時(shí)間間隔接收應(yīng)答數(shù)據(jù)。如果某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)從機(jī)發(fā)生了數(shù)據(jù)碰撞，主機(jī)就會(huì)發(fā)現(xiàn)該時(shí)間間隔內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)有誤碼，然后將數(shù)據(jù)拋棄。如果沒有發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，主機(jī)就會(huì)收到正確的數(shù)據(jù)，然后通知從機(jī)數(shù)據(jù)已經(jīng)收到。在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，主機(jī)發(fā)送的地址幀有效位均為8位，即均能分配256個(gè)從機(jī)地址，若干個(gè)時(shí)間間隔就可對(duì)應(yīng)出更多的從機(jī)地址個(gè)數(shù)。從機(jī)的應(yīng)答數(shù)據(jù)包括車輛的車牌號(hào)、車型及車輛的載荷信息。如果主機(jī)接收到正確的應(yīng)答數(shù)據(jù)，就在手持儀器上顯示結(jié)果，同時(shí)也可以傳給用于車輛管理的計(jì)算機(jī)。

3 無線通信裝置的硬件構(gòu)成

電容式車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)的無線通信設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)采用最新的無線收發(fā)芯片nRF401，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸率高及能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 無線收發(fā)芯片nRF401

nRF401是NORDIC公司最新推出的單片無線收發(fā)一體的芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要包括高頻接收與發(fā)生、PLL頻率合成、FSK調(diào)制/解調(diào)和雙頻(433.92 MHz/434.33 MH z)切換等單元。

圖4 nRF401內(nèi)部結(jié)構(gòu)

nRF401的主要特點(diǎn)如下:采用小型20引腳SSOP封裝，有利于減少PCB面積而降低成本，適合便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)，也有利于開發(fā)和生產(chǎn);采用藍(lán)牙核心技術(shù)設(shè)計(jì)，工作于433 MH z ISM頻段，2個(gè)工作頻道，采用頻移鍵控(FSK)調(diào)制解調(diào)技術(shù);可以直接與單片機(jī)串口連接，也可以經(jīng)過RS-232C電平轉(zhuǎn)換后接至計(jì)算機(jī)串口;nRF401無線傳輸不需要曼徹斯特編碼，直接采用最常用的串口進(jìn)行，編程和應(yīng)用非常方便;外圍元件僅外裝1個(gè)晶體和幾個(gè)電阻、電容、電感元件即可;采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好，且具有低發(fā)射功率、高接收靈敏度和強(qiáng)抗干擾能力。

nRF401有3種工作模式，即接收模式(TXEN=0)、發(fā)送模式(TXEN=1)和等待模式。nRF401的詳細(xì)工作模式與控制方式見表1所列。

從表1可以看出，TXEN、CS及PWR的不同組合可確定nRF401的工作模式，通過單片機(jī)編程控制3個(gè)引腳的工作狀態(tài)，可使nRF401處于不同的工作模式，從而實(shí)現(xiàn)雙向無線通信。

表1 nRF401的工作模式與控制方式

3.2 硬件設(shè)計(jì)

從圖1可以看出，車載稱重裝置對(duì)車輛的載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和處理，從單片機(jī)按照控制命令接收車輛載荷檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)，與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。從單片機(jī)構(gòu)成的顯示及收發(fā)控制系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖5所示。

控制單片機(jī)選用ATM EL公司生產(chǎn)的89C52，它與nRF401的連接關(guān)系為:89C52的發(fā)送端P3.1(TXD)和接收端P3.0(RXD)分別與nRF401的DIN、DOUT連接，P3.6與發(fā)射使能控制線TXEN連接，P3.7與頻道選擇線CS連接。

圖5 從機(jī)顯示及收發(fā)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖1中的手持儀器為主機(jī)，主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

當(dāng)?shù)缆饭芾砣藛T按動(dòng)手持儀器的控制按鍵，要求讀取數(shù)據(jù)，主機(jī)接到命令后，向從機(jī)發(fā)送命令，通過無線收發(fā)模塊接收從機(jī)載荷數(shù)據(jù)，然后在手持儀器的顯示屏幕上顯示載荷信息和車輛有關(guān)信息，并且可以根據(jù)需要通過串口通信上傳至道路管理部門的計(jì)算機(jī)。與從機(jī)相比，主機(jī)多了一個(gè)用來與計(jì)算機(jī)通信的串行口，此串口采用RS232標(biāo)準(zhǔn)，可用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)。在主機(jī)中有1對(duì)收發(fā)串口(TXD和RXD)連接到了nRF401無線收發(fā)模塊，另外還有1個(gè)與計(jì)算機(jī)通信的RS232串行接口需要連接，顯然89C52單片機(jī)的串口不夠，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)利用16C550通用異步串行接口芯片將89C52的并行連接口轉(zhuǎn)換為串行接口。

為了防止外界電磁干擾，系統(tǒng)電路用金屬盒進(jìn)行屏蔽，同時(shí)，為避免系統(tǒng)中的射頻電路對(duì)數(shù)字電路發(fā)生干擾，將這兩部分電路在盒內(nèi)分兩倉(cāng)隔開，倉(cāng)間僅允許數(shù)據(jù)線插槽通過。

4 無線通信裝置的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)進(jìn)行車輛載荷檢測(cè)時(shí)，可以不停車檢測(cè)，車輛行駛時(shí)的速度遠(yuǎn)小于光速，無線通信中的多普勒頻移效應(yīng)可以忽略不計(jì)。但車輛速度越快，車輛在有效的通信工作區(qū)域內(nèi)逗留的時(shí)間越短，信號(hào)的強(qiáng)度變化也越快，因此必須提高數(shù)據(jù)的收發(fā)速度。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最高車速定為50 km/h，無線通信工作半徑定為100 m，處理能力定為同時(shí)處理20輛汽車，因此平均每輛車的處理時(shí)間應(yīng)該小于720 ms。根據(jù)道路管理的需要，處理一輛車的總的通信量不大于50 byte(包含車輛身份信息和載荷信息等)，而實(shí)際應(yīng)用過程中，數(shù)據(jù)傳輸率要比理論值大一些，因此系統(tǒng)采用10 kbit/s數(shù)據(jù)傳輸率完全可以滿足要求。

公路上惡劣的噪聲環(huán)境、通信過程中的數(shù)據(jù)碰撞都會(huì)使得無線通信出現(xiàn)誤碼。因此，必須選用效果良好的差錯(cuò)控制編碼，確保有較強(qiáng)的檢錯(cuò)能力。基于以上考慮，軟件設(shè)計(jì)選用移動(dòng)通信中常用的循環(huán)冗余碼[8]。

軟件設(shè)計(jì)包括主機(jī)和從機(jī)2部分。在主機(jī)程序中，首先對(duì)顯示緩沖區(qū)、鍵盤緩沖區(qū)和串口進(jìn)行初始化，并設(shè)置通信波特率及方式;然后顯示一些初始數(shù)據(jù);接下來程序掃描鍵盤，若沒有按鍵或沒有按“讀數(shù)”命令鍵則一直掃描，否則調(diào)用主機(jī)發(fā)送子程序，發(fā)送命令。而在主機(jī)發(fā)送子程序流程中，首先要將無線發(fā)送模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，然后發(fā)送命令幀，命令幀發(fā)送完則將無線發(fā)送模塊的狀態(tài)變?yōu)榻邮諣顟B(tài)。

主機(jī)在接收狀態(tài)下等待接收從機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù)，一旦從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，主機(jī)便進(jìn)入接收中斷服務(wù)子程序，主機(jī)首先檢查接收的數(shù)據(jù)是否為有效數(shù)據(jù)，如果為假則打開中斷，并返回到主程序，如果為真則接收數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。當(dāng)接收完所有的數(shù)據(jù)后，調(diào)用顯示子程序顯示結(jié)果，打開中斷，返回到主程序。

在從機(jī)主程序初始化后，顯示一些初始數(shù)據(jù)，然后接收系統(tǒng)采集與數(shù)據(jù)處理模塊的載荷數(shù)據(jù)，并在從機(jī)端顯示結(jié)果，然后每隔一定時(shí)間就接收載荷數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。

當(dāng)主機(jī)發(fā)出命令，要求從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)便進(jìn)入接收中斷服務(wù)子程序，從機(jī)首先判斷主機(jī)的命令是否為有效命令，如果不是則打開中斷，返回從機(jī)主程序;如果是有效的命令則調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)子程序。在從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)子程序中，首先獲取數(shù)據(jù)地址指針，將無線通信模塊轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，然后系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)延遲碼，以防數(shù)據(jù)碰撞的方式發(fā)送載荷數(shù)據(jù)幀，發(fā)送完后再將無線通信模塊轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諣顟B(tài)。執(zhí)行完從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)子程序后，再返回中斷服務(wù)程序，并打開中斷，然后返回到主機(jī)主程序循環(huán)。

5 結(jié)束語

本文利用nRF401無線收發(fā)芯片和控制單片機(jī)89C52實(shí)現(xiàn)了電容式車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)中的無線通信，具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低廉、編程簡(jiǎn)便及通信可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。無線通信技術(shù)在電容式車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，使執(zhí)法人員可以通過手持儀器對(duì)公路車輛進(jìn)行不停車載荷檢測(cè)，大大提高了工作效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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