基于GPS的道路測速系統(tǒng)校準(zhǔn)儀器的研制

齊 芳 周 洲 朱衛(wèi)民 井樂樂

(1.河南省計量科學(xué)研究院，鄭州 450008；2．鄭州大學(xué)，鄭州 450001)

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基于GPS的道路測速系統(tǒng)校準(zhǔn)儀器的研制

齊 芳1周 洲2朱衛(wèi)民1井樂樂2

(1.河南省計量科學(xué)研究院，鄭州 450008；2．鄭州大學(xué)，鄭州 450001)

設(shè)計研制了一個基于GPS的道路測速系統(tǒng)校準(zhǔn)儀器。該儀器可通過一個GPS接收機(jī)記錄運(yùn)動載體的行駛速度及時間、行駛路程，工作人員還可以方便地從軟件中提取任意時間、任意地點的速度或任意時間段、任意路段的區(qū)間速度，并將其與其他測速系統(tǒng)的測量值進(jìn)行比對校準(zhǔn)，從而完成對其他測速系統(tǒng)如雷達(dá)測速儀的校準(zhǔn)溯源。

GPS；測速；計量校準(zhǔn)；LabVIEW；區(qū)間測速

0 引言

隨著私家車的日益普及和貨物運(yùn)輸量的加大，道路安全形勢的日益嚴(yán)峻，對測速儀器的計量校準(zhǔn)及溯源變得尤為重要。傳統(tǒng)的測速校準(zhǔn)方式已經(jīng)不能滿足道路系統(tǒng)校準(zhǔn)的需要，GPS以其高精度的測速結(jié)果為測速系統(tǒng)的校準(zhǔn)提供了一種新的技術(shù)手段，可作為標(biāo)準(zhǔn)源完成其他測速方法如地感線圈測速儀[1]、雷達(dá)測速儀[2]等測速系統(tǒng)的計量校準(zhǔn)。

本文設(shè)計了一種基于GPS的道路測速系統(tǒng)校準(zhǔn)儀[3]，它可以記錄下安裝了GPS接收機(jī)的運(yùn)動載體的行駛路程，行駛速度及行駛時間，用戶可以從軟件中方便地提取測量期間內(nèi)任意時間，任意地點的瞬時速度，還可以提取任意時間段、任意路段的區(qū)間速度。并能將瞬時速度顯示在車外懸掛式LED屏上，方便其它的測速系統(tǒng)與作為標(biāo)準(zhǔn)源的本系統(tǒng)的測量值進(jìn)行比對校準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)介紹

基于GPS的道路測速系統(tǒng)校準(zhǔn)儀由GPS模塊、懸掛式LED顯示模塊和PC端上位機(jī)軟件三部分組成，如圖1所示。GPS模塊接收GPS衛(wèi)星信號后[4]，對衛(wèi)星信號解碼計算出時間、位置及速度信息，然后將這些數(shù)據(jù)按照一定的通訊協(xié)議通過串口發(fā)送給上位機(jī)軟件；上位機(jī)軟件接收數(shù)據(jù)并按照協(xié)議解析出路徑及速度信息，然后記錄下時間、路徑以及速度，以相應(yīng)的文件格式保存，并計算出任意時間段、路徑段的區(qū)間速度，同時將瞬時速度通過串口發(fā)送到懸掛式LED顯示模塊；LED顯示模塊接收到瞬時速度信息后，將瞬時速度顯示在LED屏上。當(dāng)檢測車通過公路測速系統(tǒng)且超速時，道路測速取證系統(tǒng)開始工作，自動拍攝檢測車，標(biāo)定該車的速度值。此時，被檢車輛外掛顯示屏上的車輛標(biāo)準(zhǔn)速度值也被拍攝，對比這兩個速度值即可實現(xiàn)對公路機(jī)動車測速系統(tǒng)的檢測校準(zhǔn)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 GPS模塊的設(shè)計

GPS模塊使用的是Garmin公司的GPS25LVS模塊。GPS25LVS模塊的RF引腳為天線引腳，通過BNC接口連接到吸附式天線。吸附式天線底盤上帶有磁石可以吸附在車頂，以便良好地接收GPS衛(wèi)星信號。VCC和GND引腳分別為電源和地引腳。Txd為串口發(fā)送引腳，Rxd為接收引腳，這兩個引腳與DB9接口相連接，方便地連接到電腦的串口上，圖2為GPS25LVS接口電路示意圖。

圖2 GPS25LVS接口電路示意圖

3 懸掛式LED顯示模塊設(shè)計

LED顯示模塊設(shè)計為32×16的LED點陣模式，通過移位寄存器74HC595來控制這些LED燈。模塊使用單片機(jī)STC89C52來接收上位機(jī)發(fā)送的速度信息，并模擬移位寄存器時序來控制LED的點亮。

本模塊的軟件設(shè)計為前臺和中斷兩個部分。圖3和圖4分別為前臺程序及中斷程序的流程圖。

圖3 前臺程序流程圖

圖4 中斷程序流程圖

4 PC端上位軟件機(jī)模塊設(shè)計

由于本系統(tǒng)需要有大量的圖表顯示以及儀表控制，因此選擇LabVIEW[5]作為上位機(jī)程序的開發(fā)軟件，軟件包含前面板和程序框圖兩個部分。

4.1 前面板設(shè)計

前面板設(shè)置了兩個選項卡，一個是速度界面，一個是路程界面。所有和速度有關(guān)的測量裝在速度界面選項卡中，和路程有關(guān)的測量則裝在路程界面選項卡中。

圖5 速度測量界面速度與時間顯示部分

速度界面的左邊是一個波形圖，它可以實時顯示速度曲線，波形圖的下面有一個水平滑動桿，拖動該滑動桿可以控制波形圖中的游標(biāo)移動，讀取相應(yīng)的時間與速度信息，在旁邊的文本顯示框中顯示，如圖5所示。界面的右邊有一個名為“采樣”的按鈕及一個文本顯示框，用戶點擊“采樣”按鈕或單擊鍵盤上的回車鍵，軟件會對當(dāng)前時刻和速度進(jìn)行采樣，將數(shù)據(jù)保存在顯示框中，如圖6所示。路程測量界面的左邊是一個XY圖控件，它接收的數(shù)據(jù)格式是一維簇數(shù)組，可根據(jù)經(jīng)緯度簇數(shù)組而實時更新路徑信息。右邊是三個文本顯示控件，分別顯示平均信息、起點信息和終點信息。起點信息和終點信息分別顯示了路徑圖表中游標(biāo)位置的經(jīng)度、緯度、時刻以及速度值，平均信息則顯示了起點游標(biāo)與終點游標(biāo)之間行駛所用的時間，行駛的路程及區(qū)間速度。整個路徑測量界面圖表可以實時記錄路徑信息。

圖6 前面板采樣部分

4.2 程序框圖設(shè)計

本程序開辟了三個進(jìn)程，分別完成GPS數(shù)據(jù)協(xié)議解析、GPS信息記錄采集存儲和瞬時速度值點陣轉(zhuǎn)換及發(fā)送功能。

1)GPS數(shù)據(jù)協(xié)議解析進(jìn)程

本進(jìn)程使用普通的程序流程，由while循環(huán)、for循環(huán)以及條件結(jié)構(gòu)組成。首先進(jìn)程使用一個while循環(huán)，該循環(huán)在軟件運(yùn)行期間一直運(yùn)行直到軟件關(guān)閉時停止。循環(huán)內(nèi)是一個條件結(jié)構(gòu)，條件結(jié)構(gòu)由真假兩個分支構(gòu)成，該條件結(jié)構(gòu)根據(jù)前面板電源開關(guān)的值來判斷進(jìn)入哪個分支。當(dāng)電源開關(guān)被按下時，條件結(jié)構(gòu)進(jìn)入“真”分支，否則進(jìn)入“假”分支。真分支負(fù)責(zé)完成GPS數(shù)據(jù)的協(xié)議解析，假分支則沒有任何功能。這樣相當(dāng)于電源開關(guān)按下后，軟件處于正常工作模式，電源開關(guān)彈起后軟件處于待機(jī)模式。

2)GPS信息記錄采集存儲進(jìn)程

該進(jìn)程采用事件結(jié)構(gòu)編程。用戶對軟件界面的任何操作，例如“單擊鼠標(biāo)”，“拖動鼠標(biāo)”或者“按下鍵盤的某個鍵”，操作系統(tǒng)都會將這些操作以隊列的形式記錄下來，而事件結(jié)構(gòu)則會不停地掃描該隊列，一旦有設(shè)定的事件，就會觸發(fā)相應(yīng)的程序。

3)瞬時速度值點陣轉(zhuǎn)換及發(fā)送

本進(jìn)程負(fù)責(zé)完成將進(jìn)程1)中解析出來的速度值變換為點陣串行數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給LED模塊。該進(jìn)程同樣使用事件結(jié)構(gòu)編程，不過只包含兩個事件，一個是“超時”，另一個是“速度值改變”。如果速度值沒有改變，本進(jìn)程將不被觸發(fā)，LED顯示的速度值也不會改變；當(dāng)速度值變化了之后，本進(jìn)程就會將速度值變化為點陣串行數(shù)據(jù)發(fā)送到LED上來更新顯示的速度值。

5 實驗數(shù)據(jù)分析

目前，國內(nèi)對雷達(dá)測速儀的檢定采用的標(biāo)準(zhǔn)器多數(shù)是安裝在機(jī)動車上的非接觸式測速儀，因此我們用該GPS道路測速系統(tǒng)同另一套型號為CTM-800的非接觸式多功能測速儀對同一條道路上的各個測速點進(jìn)行速度測量值采集、比對。實驗中將接收機(jī)安置于車上，行駛車輛采用逐漸加速的方式行進(jìn)，實驗人員觀察測速系統(tǒng)的實時性。實驗過程中所顯示車速值隨著車速的變化而發(fā)生快速的變化，可以證明速度更新的實時性良好。另外采集速度值時采用在某個速度點對兩個裝置的速度采集界面拍照取樣，這樣采集得到的速度值可以客觀地反映同一速度點的數(shù)值。采集的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩套測速儀的測試數(shù)據(jù) km/h

根據(jù)測試結(jié)果分析，GPS道路測速系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差為±0.5%，可以達(dá)到機(jī)動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)中對于計量器具誤差的要求[6]。另外，由于非接觸式多功能測速儀對天氣有較高的要求，在下雨天氣及路面有積水的情況下對數(shù)據(jù)采集有較大的影響，而GPS道路測速系統(tǒng)則對天氣無太高要求，且其無需固定在測速車輛上，攜帶方便，因而更適合在道路上對其他測速系統(tǒng)如雷達(dá)測速儀進(jìn)行檢定校準(zhǔn)。

6 小結(jié)

本文設(shè)計的GPS道路測速系統(tǒng)校準(zhǔn)儀采用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，數(shù)字化電路，全電腦控制，具有準(zhǔn)確度等級高，穩(wěn)定性好和使用方便等優(yōu)點，且檢測人員還可以方便地從軟件中提取任意時間、任意地點或任意時間段、任意路段的區(qū)間速度與其他測速系統(tǒng)的測量值進(jìn)行比對校準(zhǔn)，從而完成對其他測速系統(tǒng)如雷達(dá)測速儀的校準(zhǔn)溯源。

[1] 魯麗,朱衛(wèi)民.無源式地感線圈測速儀檢定系統(tǒng)研制[J].計量技術(shù)，2011(10):53-55

[2] 陳一.雷達(dá)測速儀檢定裝置測量結(jié)果的不確定度評定[J].計量與測試技術(shù)，2007(12):46-47

[3] 張寶峰,胡波,朱均超,李翠,楊毅.基于GPS的在線車速檢測校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表，2012(11):12-14

[4] 杜娟,孫中豪,姚飛娟,劉星.GPS測速方法與精度分析[J].全球定位系統(tǒng)，2012(6):13-16

[5] 王海寶，吳光杰，譚澤富，聶祥飛.LabvIEw虛擬儀器程序設(shè)計與應(yīng)用[M].成都西南交通大學(xué)出版社，2005:1-3

[6] JJG 527—2007機(jī)動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)檢定規(guī)程[M].中國計量出版社，2007

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.15