基于嵌入式技術(shù)的車輛載重監(jiān)測系統(tǒng)研究

馮四龍，高曉丁

(西安工程大學(xué)，陜西西安 710048)

0 引言

近年來，少數(shù)運輸者為追求高額利潤，不顧公道運輸安全限重的規(guī)定，車輛的載物經(jīng)常超載，經(jīng)常導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故，給人們的生命和財產(chǎn)帶來了很大的威脅;同時造成公路路面質(zhì)量下降、甚至損壞［3］。

目前，車輛超重檢查都是由路檢人員設(shè)點進(jìn)行檢查，屬于靜態(tài)檢測，效率比較低、漏檢率很高，而且還可能造成道路車輛的擁堵，影響正常的交通秩序。筆者設(shè)計了一種基于STC15F2K60S2單片機的車輛超載監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)能對車輛載重進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測并記錄10天內(nèi)的車輛載重信息，為路檢人員檢查車輛超載提供可靠的依據(jù);系統(tǒng)實時顯示并記錄車輛載重數(shù)據(jù)，當(dāng)車輛裝載超重時發(fā)出報警，給司乘人員以提醒［1］。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的功能模塊主要有:參數(shù)檢測模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、儲存模塊、實時時鐘模塊、PC機通信模塊和控制模塊等。力檢測采用多點測試方法，即測試模塊上連接多個力傳感器。各個傳感器完成一次數(shù)據(jù)測試后，將其數(shù)據(jù)預(yù)處理、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給核心CPU，然后主芯片對該數(shù)據(jù)做運算處理，并將數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則儲存在存儲器中，同時將數(shù)據(jù)實時地顯示在液晶屏上。路檢人員可以隨時用U盤通過系統(tǒng)串口通信模塊獲取系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)記錄了車輛近十天運行載重的情況。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 重力檢測模塊

稱重系統(tǒng)中采用NLSensor的WTP206系列柱式傳感器，其安裝在車輛的底部，保證測量穩(wěn)定可靠［2］。該型號的傳感器線性度誤差和重復(fù)度誤差均小于0.05;傳感器供電電壓為10 VDC;傳感器量程可根據(jù)車輛載重及安裝傳感器的數(shù)量選擇10 t，15 t，20 t［2］。

2.2 信號調(diào)理模塊

傳感器輸出信號的電壓很小，不能直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，必須進(jìn)行放大處理，采用 INA129芯片。INA129是低功耗高精度的通用儀表放大器，通用的3運放設(shè)計和體積小巧的特點使其應(yīng)用范圍廣泛［2-3］。該放大電路的電源電壓為±18 V，工作溫度-40～+125℃。

為有效地防止信號采集過程中產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象，削弱現(xiàn)場高次諧波或高頻干擾和噪聲，采用電容濾波器MAX7415。MAX7415芯片通過3 V供電電壓，只有1.2 mA電源電流，濾波帶通截止頻率為1 Hz到15 kHz。該濾波器為理想的低功耗A/D轉(zhuǎn)換模塊提供過濾和抗鋸齒應(yīng)用，也可以進(jìn)入低功耗模式，電源電流降低到0.2μA。

2.3 數(shù)據(jù)儲存模塊

系統(tǒng)設(shè)計一個數(shù)據(jù)存儲模塊。存儲器選用Atmel公司生產(chǎn)的AT24C256芯片，其為256 k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，采用II2C總線通信方式與主CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為便于測試后更好的閱讀數(shù)據(jù)，采用一定的儲存模式將數(shù)據(jù)保存在AT24C256中。在進(jìn)行軟件設(shè)計時，按照設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議:首先傳送檢測通道號，然后傳送測試時間，最后傳送壓力值。具體傳輸格式如圖2所示。

圖2 傳輸數(shù)據(jù)幀格式

STC15F2K60S2單片機內(nèi)部集成有II2C通信模塊，其外接端口與PC0和PC1端口復(fù)用，在使用該端口時，只需給兩根傳輸總線外連上拉電阻，每根一個。II2C通信芯片直接與該端口連接即可。

2.4 串口模塊、實時時鐘模塊和功能模塊

串口模塊主要實現(xiàn)PC機與該檢測系統(tǒng)通信工作，下載系統(tǒng)程序;路檢人員可用U盤通過該模塊獲取系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)［4］。USB信號使用分別標(biāo)記為D+和D-的雙絞線傳輸，見圖3，它們各自使用半雙工的差分信號并協(xié)同工作，以抵消長導(dǎo)線的電磁干擾。

圖3 USB電纜

USB接口以其方便、傳輸速率高等優(yōu)點逐漸成為嵌入式設(shè)備與PC機進(jìn)行高速通信的理想選擇。采用Philips的PDIUSBD12設(shè)備端接口芯片擴展出一個USB的設(shè)備接口。通過此USB設(shè)備接口芯片，采用Bulk-Only傳輸方式，將此設(shè)備做成一個海量存儲設(shè)備(即U盤)，使用嵌入式控制器具有U盤功能。這樣，一來嵌入式設(shè)備的應(yīng)用程序可以直接通過U盤這種途徑下載到嵌入式控制器的Flash存儲器中。二來，為嵌入式設(shè)備引入FAT文件系統(tǒng)，使其與U盤的閃存兼容，這樣，可以使用嵌入式設(shè)備在共同的Flash上創(chuàng)建文件，然后通過U盤功能方便地復(fù)制到PC機上。當(dāng)插入U盤后，液晶顯示屏?xí)@示該車輛的車牌、時間和10以內(nèi)的數(shù)據(jù)［5］。

2.5 顯示模塊

該系統(tǒng)采用SMG12864液晶，其體積小、重量輕、功耗小、顯示質(zhì)量高。同時顯示4路采集數(shù)據(jù)。對于8路數(shù)據(jù)可采用循環(huán)顯示方法。顯示的數(shù)據(jù)為通道號和壓力數(shù)據(jù)。如果不需要顯示數(shù)據(jù)時，可采用功能鍵關(guān)掉顯示。12864液晶與STC15F2K60S2的數(shù)據(jù)端口直接與PD口連接，功能控制端接在PB端口上。

2.6 最小系統(tǒng)

STC15F2K60S2單片機有兩種晶振方式:外部晶振、內(nèi)部晶振。這里采用的是外部晶振，復(fù)位電路采用的是外部RST引腳復(fù)位，供電電壓為5V，可以使用車載轉(zhuǎn)換為其供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括主程序、液晶顯示程序、數(shù)據(jù)采集、以及處理程序［6］。系統(tǒng)上電后，首先完成單片機、液晶顯示、傳感器等的初始化和自檢。進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)后，則對稱重傳感器信號進(jìn)行采樣處理，將采樣數(shù)據(jù)及節(jié)點信息發(fā)送給主機，主機接收載重數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)并記錄節(jié)點信息，如果系統(tǒng)某監(jiān)測點遭到拆卸或意外受損主機未接收到該檢測點的數(shù)據(jù)則液晶顯示該節(jié)點號并鎖死系統(tǒng)，進(jìn)行自動制動防止人為的故意拆卸和由此產(chǎn)生的系統(tǒng)錯誤測量［7］。

圖4 主程序

當(dāng)確認(rèn)各檢測點正常后，主機對各節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)運算明確車輛的載重狀態(tài)是否正常并將載重量進(jìn)行實時顯示;如有異常，則對超載行為進(jìn)行報警提示及顯示。如圖4，5所示。

圖5 載重信息采集及處理程序

4 系統(tǒng)的調(diào)試與試驗

本系統(tǒng)在模擬試驗上進(jìn)行。給模擬小車裝有傳感器并調(diào)試試驗壓力值，然后給定相應(yīng)的壓力值，給定的值可以在一定的范圍內(nèi)波動，讓其一直工作1～2天并記錄數(shù)據(jù)，連續(xù)重復(fù)試驗10天左右，通過對壓力的客觀測量及研究，符合試驗的要求，此系統(tǒng)將有助于車輛超重的實時監(jiān)測，更方便、更快地給路政人員提供依據(jù)。

5 結(jié)語

設(shè)計了一種基于嵌入式處理器的測量車輛載重系統(tǒng)。該系統(tǒng)在單個芯片上實現(xiàn)了車輛在正常工作狀態(tài)下的壓力連續(xù)采集與存儲，且系統(tǒng)具有體積小、功耗低、速度快、測試準(zhǔn)確、工作可靠等特點，該嵌入式系統(tǒng)可以為路政人員的實時檢查提供了依據(jù)和基礎(chǔ)，為車輛超重測量系統(tǒng)的開發(fā)提供了一條新的思路。

［1］ 田晶晶，李世武.基于位移傳感器的汽車超載動態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2012(6):1475-1480.

［2］ 陳廣華.基于粘貼式應(yīng)變傳感器的車輛超載監(jiān)測系統(tǒng)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2011(4):409-414.

［3］ 施漢謙，宋文敏.電子稱技術(shù)［M］.北京:中國計量出版社，1991.

［4］ 郁有文，常 健.傳感器原理及工程應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

［5］ 譚奇良，鐘 麗，謝湘南，余廷浩.壓力傳感器檢定數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開發(fā)［J］.中國測試技術(shù)，2003(06):18-20.

［6］ 安志軍，趙志恒，邵曉明.壓力傳感器自動檢定系統(tǒng)川［M］.北京:計量與測試技術(shù)，2010.

［7］ 王福瑞.單片機微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001.