多路環(huán)形線圈車輛檢測器設(shè)計*

張永忠，張軍強(qiáng)，李穎宏

（北方工業(yè)大學(xué) 城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100144）

車輛檢測器是現(xiàn)代交通控制系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施，其主要檢測對象包括檢測車輛的行駛速度、流量、占有率、車間距等信息?，F(xiàn)階段車輛檢測器主要有環(huán)形線圈檢測器、視頻檢測器、RFID檢測器及磁映像檢測器等。視頻檢測器采用圖像處理技術(shù)設(shè)置路面虛擬線圈完成車輛檢測，具有無需破壞路面、支持多種交通流信息檢測的優(yōu)勢。但其易受光照強(qiáng)度、空間障礙物等干擾，環(huán)境適應(yīng)能力較差。磁映像檢測器采用AMR磁阻感知方式，利用車輛通過對地磁場擾動進(jìn)行檢測，對路面破壞較少，但檢測靈敏度欠佳[1]。環(huán)形線圈檢測器在全天候、高精度車輛檢測方面有其他檢測器無法比擬的優(yōu)勢[2-3]。針對現(xiàn)實中要求車輛檢測器適應(yīng)不同環(huán)境、抗串?dāng)_的問題，本文基于等精度測頻法設(shè)計原理，同時，在軟件上采用分時選通工作方式，完成16路檢測節(jié)點車輛檢測功能，避免相鄰線圈串?dāng)_，提高系統(tǒng)抗干擾性。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

環(huán)形線圈車輛檢測器是一種基于電磁感應(yīng)原理的車輛檢測器，由埋設(shè)在路面下的環(huán)形線圈、信號檢測處理單元及饋線三部分組成。埋設(shè)在路面下的環(huán)形線圈與檢測器內(nèi)的電容共同構(gòu)成LC振蕩器。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)有車輛經(jīng)過環(huán)形線圈上方時，產(chǎn)生的渦流效應(yīng)占主導(dǎo)作用，促使線圈電感量減小，導(dǎo)致振蕩器實時振蕩頻率f增大，處理器通過比較實時振蕩頻率f與本底頻率F的差異，判斷是否有車輛存在或通過[4-6]。

本設(shè)計采用多路分時選通方法使CPU內(nèi)部計數(shù)器與外部計時器協(xié)同工作，基于硬件原理實現(xiàn)等精度測頻，有效避免了因相鄰線圈串?dāng)_造成測頻誤差[2，4]。 同時，為了增加環(huán)形線圈檢測器的魯棒性，在采樣數(shù)據(jù)處理中采用滑動中值濾波算法，提高錯誤數(shù)據(jù)容錯能力。采用故障自恢復(fù)軟件處理算法，保障系統(tǒng)在復(fù)雜多變外界環(huán)境下的自適應(yīng)能力。保證系統(tǒng)低成本、高精度地完成16路檢測節(jié)點車輛檢測。

2 硬件設(shè)計

2.1 主體構(gòu)成

本系統(tǒng)采用精簡指令集ATmega128微處理器完成16路車輛檢測節(jié)點邏輯判斷。系統(tǒng)主要由16路環(huán)形線圈耦合電路、測頻部分、顯示部分、檢測部分及通信部分構(gòu)成。主體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主體框架圖

2.2 耦合電路

環(huán)形線圈耦合電路采用電容三點振蕩電路，由環(huán)形線圈與電路反饋電容決定震蕩頻率?？紤]渦流效應(yīng)及實際環(huán)形線圈電感量范圍（國標(biāo) GB/T26942-2011：50 μH～700 μH）， 選擇震蕩電路激勵頻率在 40 kHz～200 kHz之間。根據(jù)振蕩電路頻率變化特性曲線及實際環(huán)形線圈調(diào)整耦合電路反饋電容值可得系統(tǒng)最佳檢測靈敏度[2]?？煽卣鹗庱詈想娐吩砣鐖D2所示。

圖2 LC耦合震蕩電路

2.3 頻率采集

系統(tǒng)檢測靈敏度的關(guān)鍵在于采樣信號的準(zhǔn)確性和實時性。該模塊基于等精度測頻法硬件原理，使用ATmega128內(nèi)部16位計數(shù)器與外部16位計數(shù)器協(xié)同工作，經(jīng)D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換，保證外部計數(shù)器與內(nèi)部計數(shù)器硬件同步使能。根據(jù)支路信號頻率的不同，靈活改變閘門時間，使多路震蕩信號在整個測頻區(qū)域內(nèi)等時間地保持恒定的測量精度。外部計數(shù)器采用11.059 2 MHz標(biāo)準(zhǔn)頻率信號在實際閘門內(nèi)計數(shù)[7-8]。等精度測頻原理如圖3所示。

圖3 頻率測量原理圖

使用Fluke示波器采集實際工作波形，如圖4所示。

圖4 多路分時選通測頻工作波形

圖4中，波形A為單片機(jī)輸出的D觸發(fā)器控制信號，高電平計數(shù)器使能。波形B為4路震蕩信號分時選通后的4組波形，波形C、D為其中兩路使能后的震蕩波形。通過波形觀測可知，檢測支路選通后可精確對N個波形進(jìn)行同步計數(shù)（圖示2個周期）。

2.4 端口擴(kuò)展

系統(tǒng)采用ATmega128單處理器對16路環(huán)形線圈進(jìn)行檢測，輸入、輸出控制信號較多。靈活使用數(shù)字邏輯電路對I/O端口進(jìn)行擴(kuò)展。使用4線16線譯碼器芯片74HC154實現(xiàn)對16路耦合振蕩電路分時選通控制功能，使用CD4012與非門將16路檢測信號傳輸至頻率采集電路，分時完成多路檢測節(jié)點信號采集。分別由3片74HC595串入并出移位寄存器及8片74HC165并入串出移位寄存器完成16路檢測節(jié)點工作狀態(tài)指示及靈敏度設(shè)置。

2.5 通信及信息存儲

采用RS-485總線通信方式完成信息配置及數(shù)據(jù)通信，適用于實際路口交通信號機(jī)與多個檢測器組網(wǎng)連接。通過EEPROM芯片24C64對16支路檢測節(jié)點地址進(jìn)行唯一編號，存儲檢測交通流歷史數(shù)據(jù)。

2.6 隔離保護(hù)

環(huán)形線圈輸入、輸出電路分別采用光耦CPC1030N及1:1變壓器隔離，經(jīng)壓敏電阻及防雷管保護(hù)，防止雷擊等瞬間過電壓對檢測電路造成損壞，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

系統(tǒng)軟件采用模塊化分層設(shè)計，主要由控制模塊、測頻模塊、報警模塊、顯示模式和數(shù)據(jù)通信模塊組成，以完成16路檢測節(jié)點邏輯判斷。同時，采用分時選通采樣方式，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)中值濾波處理，提高系統(tǒng)抗干擾性。系統(tǒng)軟件主體流程如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計主體流程圖

3.2 測頻部分

測頻部分是系統(tǒng)檢測精度的關(guān)鍵。采用等精度測頻法，使用ATmega128內(nèi)部計數(shù)器與外部計數(shù)器協(xié)同工作，使多路震蕩信號在整個測頻區(qū)域內(nèi)保持恒定的測量精度。

內(nèi)部計數(shù)器對被測信號的個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，輸出比較引腳OC1C產(chǎn)生可變頻率的外部計數(shù)器使能信號，同步使能外部計數(shù)器在特定時間內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計數(shù)。啟動線圈震蕩后，因LC震蕩電路起振時間及支路切換時間造成波形穩(wěn)定性問題，采用CTC模式改變OC3C比較輸出電平?jīng)Q定是否使能外部計數(shù)器。前C1個脈沖用于穩(wěn)定震蕩頻率，之后C2個脈沖信號再啟動外部計數(shù)器同步計數(shù)，實現(xiàn)頻率測量。根據(jù)線圈的實際電感調(diào)節(jié)門限計數(shù)器的計數(shù)使能時間t2，使各檢測支路等時間、等精度地完成頻率采集，提高檢測靈敏度。實際波形如圖4所示，測頻部分流程圖如圖6所示。

3.3 魯棒性設(shè)計

圖6 頻率測量流程圖

在實際應(yīng)用環(huán)境中，LC震蕩電路諧振頻率易受環(huán)境的影響而產(chǎn)生頻率漂移及瞬間干擾。采樣信號需經(jīng)濾波處理后進(jìn)行報警邏輯判斷及本底頻率產(chǎn)生。針對采樣信號干擾特性，采用5位滑動中值濾波算法處理后產(chǎn)生有效邏輯判斷信號，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性[9]。采樣信號經(jīng)濾波后有效地消除了隨機(jī)噪聲，濾波效果如圖7所示。本設(shè)計采用20位自適應(yīng)滑動中值濾波處理算法，每隔t時刻存儲一次采樣數(shù)據(jù)，對緩沖數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行中值排序，產(chǎn)生本底頻率。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定時間及采樣值與本底頻率差值temp決定刷新間隔時間t。采用不同刷新時間增強(qiáng)對環(huán)境的自適應(yīng)能力，如下所示：

3.4 報警邏輯

通過多路分時選通對采樣頻率與本底頻率進(jìn)行比較，并實時刷新報警?；跔顟B(tài)機(jī)原理，將系統(tǒng)狀態(tài)分為無車狀態(tài)、車輛存在、車輛駛過和錯誤數(shù)據(jù)。分類處理增強(qiáng)了檢測可靠性和對錯誤數(shù)據(jù)的容錯處理能力。系統(tǒng)具有故障自診斷能力，可根據(jù)震蕩頻率變化對線圈開路、短路和電路故障狀態(tài)進(jìn)行分類判斷。

4 測試效果

4.1 多路切換檢測穩(wěn)定性

對于等精度測頻法在環(huán)形線圈車輛檢測器中的應(yīng)用，本文取不同電感對采樣頻率進(jìn)行測量，取5 000個樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，頻率采樣值直方圖如圖7所示。其中采樣值n0為在N個被測頻率fx時間內(nèi)，對標(biāo)準(zhǔn)頻率f0的計數(shù)個數(shù)，即 n0=N·f0/fx。

圖7 等精度測頻采樣數(shù)據(jù)分析表

4.2 實際效果

使用30 cm×30 cm環(huán)形線圈模擬地埋線圈，50 cm×70 cm鐵板模擬車輛駛過，可正常感應(yīng)鐵板存在并輸出報警，具體測試效果如圖8所示。

圖8 車輛通過采樣數(shù)據(jù)趨勢圖

該環(huán)形線圈檢測器已應(yīng)用于實際路口進(jìn)行測試，試驗效果良好。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)可進(jìn)一步對車型分類，對道路車流量、瞬時車速及時間占有率進(jìn)行分析計算。

系統(tǒng)采用等精度測頻法實現(xiàn)車輛檢測功能?；诙嗦氛鹗庪娐范嗦愤x通原理分時完成16路檢測節(jié)點信號產(chǎn)生、信號采樣及信號處理。經(jīng)實際驗證，90 ms內(nèi)可完成16路車輛檢測節(jié)點邏輯判斷功能，可滿足160 km/h以下車速實時性檢測。采用16路環(huán)形線圈分時循環(huán)檢測，既保證了系統(tǒng)檢測精度，提高了系統(tǒng)抗串?dāng)_性，同時可保證系統(tǒng)檢測實時性。

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