貨運車輛車載動態(tài)稱重的同步采集系統(tǒng)

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(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，成都 610225)

引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展的需要，道路交通迎來了迅猛發(fā)展的機會，但是道路安全形勢依然嚴峻，而大型貨運車輛是影響道路安全的主要因素[1]。貨運車輛的重量監(jiān)測對道路安全十分重要。車輛動態(tài)稱重(Weigh-In-Motion，WIM)發(fā)展已久，目前車輛的動態(tài)稱重主要是基于軸重檢測，讓車輛通過軸重稱重平臺，達到動態(tài)稱重的目的[2]，關(guān)于車輛動態(tài)稱重的濾波算法也逐步深入[3-4]。

另外，貨運車主也非常關(guān)心自己貨物在運輸途中是否有丟失。車載動態(tài)稱重是另一種車輛動態(tài)稱重的方式，將稱重傳感器安裝于車上，結(jié)合動態(tài)稱重的濾波算法，通過本地組網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得貨運車主、貨運公司以及交管部門都能實時監(jiān)測到該貨車的載荷情況，可以提高貨運車輛稱重的高效性以及運輸過程的透明性。

汽車懸架是汽車連接車架與車軸的裝置，起著傳力、緩沖的作用[5]。目前，國內(nèi)載貨汽車的前后懸架仍廣泛使用鋼板彈簧懸架系統(tǒng)，因此可根據(jù)鋼板彈簧懸架系統(tǒng)的形變量來獲得其所承受的載荷量[6]。

鋼板彈簧位于貨車的不同部位，對于大型載荷貨車而言，它們之間的距離就相差更大。為了靈活地對各個鋼板彈簧形變進行檢測，我們使用多個采集器對不同位置的鋼板彈簧做形變檢測，檢測的結(jié)果將返回。涉及到多機通信，需要對鏈路進行控制，以保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。采集系統(tǒng)為一主多從結(jié)構(gòu)，RS485的下行支路(主機到從機)由單臺主機控制，不會產(chǎn)生鏈路沖突，所以需要對上行支路進行通信控制。本文介紹基于鋼板彈簧形變檢測的稱重傳感器設(shè)計和基于RS485的分時通信方案，并由二者構(gòu)建出動態(tài)稱重的同步采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由采集器、RS485通信模塊以及上位機部分組成。采集器以STM8單片機為核心，負責(zé)A/D轉(zhuǎn)換控制，并可以進行簡單濾波預(yù)處理。每一個采集器負責(zé)一塊鋼板彈簧形變值采集，可以方便地對不同位置的鋼板彈簧懸架做不同的濾波預(yù)處理和載荷分析，以提高動態(tài)稱重算法的靈活性。上位機由STM32單片機或PC機構(gòu)成，是通信系統(tǒng)的主機，負責(zé)協(xié)調(diào)各采集器的工作。

實現(xiàn)同步采集，通信是至關(guān)重要的一部分。通過制定相應(yīng)通信協(xié)議，并對上行支路采用時分復(fù)用的思想進行控制，使得采集系統(tǒng)做到同步采集、分時傳送功能。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 主要硬件設(shè)計

2.1 應(yīng)變式傳感器設(shè)計

圖2 惠斯登恒壓電橋

鋼板彈簧中的一固定小段的長度l變化與車輛的載重成線性關(guān)系，因此，可以通過檢測l變化得到車輛的載重信息[7]。應(yīng)變式壓力傳感器是一種傳感裝置，是利用彈性敏感元件和應(yīng)變計將被測壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電阻值變化的壓力傳感器[8]。本文選用箔式應(yīng)變片制作稱重傳感器，它具有較高的測量精度和較寬的線性范圍。當(dāng)應(yīng)變片受力發(fā)生變形時，則促使箔式電阻阻值發(fā)生變化，通過測量電路將此阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，并由A/D采集器獲取該變化。惠斯登恒壓電橋是構(gòu)成應(yīng)變式傳感器的常用測量電路[9]，電橋原理圖見圖2。圖中R1、R2、R3、R4使用高精度箔式電阻應(yīng)變片，組成全橋式等臂電橋。

應(yīng)變式傳感器的設(shè)計應(yīng)盡量減少自身的不穩(wěn)定因素帶來的誤差。引起應(yīng)變傳感器誤差的因素有電橋不平衡、零點偏移，參考文獻[8]介紹了在橋臂上串聯(lián)溫度系數(shù)極低的錳銅絲來補償因電橋中應(yīng)變電阻阻值不同帶來的電橋不平衡，串聯(lián)溫度系數(shù)大且很穩(wěn)定的銅絲來補償零點漂移。補償電路如圖3所示。R1、R2、R3、R4為應(yīng)變電阻，Rt為電橋平衡電阻，Rs為零點補償電阻。

圖3 補償后電路

鋼板彈簧模型圖如圖4所示，由參考文獻[3]可知道，1處為鋼板彈簧主應(yīng)變區(qū)。為了使應(yīng)變片形變反映鋼板彈簧的垂直主應(yīng)力，將應(yīng)變片貼于1處，使其形變方向與鋼板彈簧主形變方向平行。

圖4 汽車鋼板彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 STM8單片機硬件系統(tǒng)設(shè)計

為了方便對每個鋼板彈簧的A/D采樣值進行濾波預(yù)處理，并提高系統(tǒng)的靈活性，采用分布式采集系統(tǒng)，一個單片機負責(zé)一個鋼板彈簧的形變量采集。采集系統(tǒng)以價格低廉、功耗低的STM8單片機為控制核心。

采用HX711芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該芯片為24位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部實現(xiàn)低噪聲放大器，能同步抑制50～60 Hz 的電源干擾，通過片內(nèi)穩(wěn)壓電路可直接向外部傳感器和芯片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源[10]。芯片采用I2C的方式與單片機相連接，使用E+、E-作為外部傳感器供電接口，使用A+、A-作為A/D采集接口，芯片外接電路如圖5所示。

圖5 HX711電路連接圖

系統(tǒng)采用RS485接口組成半雙工網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)接線圖如圖6所示，其中R為匹配電阻。

圖6 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖

3 通信方案

3.1 RS485的時分復(fù)用方案

時分復(fù)用(TDM)是采用同一物理連接的不同時段來傳輸不同的信號，也能達到多路傳輸?shù)哪康腫11]。系統(tǒng)借用TDM的思想，對RS485的上行鏈路進行時分控制，通信開始之前，主機設(shè)定一個通信周期T，在通信周期T內(nèi)設(shè)定若干時間節(jié)點Tn，每個從機有一個不同的時間節(jié)點，從機只有在自己的時間節(jié)點到來時才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

設(shè)計只定義允許發(fā)送的時間節(jié)點Tn，不定義結(jié)束的時間，并且只允許從機在Tn到來時開始發(fā)送數(shù)據(jù)，這就要求每個時間節(jié)點間留有足夠的時間間隔，既可以保證在該時間間隔內(nèi)能完成一次通信，也能避免因為低速單片機時間同步誤差帶來的通信沖突。這種方法比較適用于通信規(guī)模小、實時性要求低的組網(wǎng)中。時間節(jié)點法分時通信規(guī)則見圖7。

圖7 分時傳輸描述圖

圖中，T0到Tn為時間節(jié)點，表示一個時刻相鄰兩個時間節(jié)點間為一時間間隔，所有時間間隔之和為一個通信周期T。

3.2 RS485時間同步程序設(shè)計

分時傳輸?shù)那疤崾菍Ω魍ㄐ艡C進行時間同步，在通信之前，需要進行時間同步，具體實現(xiàn)步驟如下：

時間同步由主機發(fā)起，在多機通信之前，主機確定通信周期T和時間間隔Ti，并指定通信間隔系數(shù)n，之后主機通過廣播將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給所有從機。各從機收到該時間同步數(shù)據(jù)幀后，便立即讀取時間同步的參數(shù)，響應(yīng)時間同步，并且計算自己允許發(fā)送數(shù)據(jù)的時間節(jié)點Tn，Tn計算公式如下，其中m為該從機的本地MAC地址號。

(1)

參數(shù)獲取并計算完畢后，單片機立即啟動μs定時器，定時周期為T，本機允許發(fā)送的時間節(jié)點為Tn。當(dāng)自己的時間節(jié)點Tn到來時，從機允許發(fā)送數(shù)據(jù)。從機響應(yīng)時間同流程圖如圖8所示。

3.3 通信協(xié)議

3.3.1 數(shù)據(jù)幀格式定義

數(shù)據(jù)幀由幀頭、幀尾、源地址與源地址、功能選項以及承載功能選項具體細節(jié)的功能單元組成。數(shù)據(jù)幀格式的具體信息如表1所列。

表1 數(shù)據(jù)幀格式定義

本設(shè)計中MAC地址域為0～16，0表示主機地址，16表示廣播地址。功能選項的具體內(nèi)容如表2所列。

表2 功能選項

圖8 從機響應(yīng)時間同步流程圖

功能碼01只能通過廣播發(fā)送，用于時間同步。通信系統(tǒng)在時間同步后才能運行。當(dāng)功能碼為01時，功能單元承載時間周期T和時間節(jié)點間隔系數(shù)Ti,等待且在時間同步完成后，從機將在自己的時間節(jié)點上回送一個同步完成的數(shù)據(jù)幀。功能碼為02時，表示立即采集并轉(zhuǎn)換A/D數(shù)據(jù)。功能碼為03時，采集器采集并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并且需要數(shù)據(jù)的回送，數(shù)據(jù)回送過程的沖突避免見第4.1節(jié)。功能碼04用于單播輪詢的時候。

3.3.2 通信程序設(shè)計

當(dāng)主機程序需要獲取從機的采集數(shù)據(jù)時，可能出現(xiàn)通信線路或是從機未響應(yīng)等情況導(dǎo)致的數(shù)據(jù)獲取失敗問題。為了解決該問題，主機采用循環(huán)發(fā)送的方式，直到收到所有預(yù)定從機的數(shù)據(jù)，這種方式適用于功能碼為01、03和04這些有返回值的數(shù)據(jù)幀發(fā)送情況，當(dāng)經(jīng)過一定次數(shù)的發(fā)送仍然不能收到回送結(jié)果，則報告出錯。當(dāng)然，必須得保證每次發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔足夠長。

當(dāng)多機同時進行通信時，從機的數(shù)據(jù)發(fā)送必須嚴格按照第3.1節(jié)中的通信規(guī)則。該規(guī)則的實現(xiàn)主要使用單片機的定時器來完成，當(dāng)單片機收到時間同步數(shù)據(jù)后便修改定時參數(shù)T和Tn，并啟動定時器。定時器中斷觸發(fā)時間為10 μs，使用軟件的方式進行一個周期T的定時，即引入變量t，每次定時中斷后t自加，t每加1相當(dāng)于經(jīng)過10個μs，通過判斷t的大小來判斷時間是否到達Tn，以及定時是否滿一個周期。用T_FLAG來表示發(fā)送允許位，單片機需要發(fā)送數(shù)據(jù)時需要檢測T_FLAG狀態(tài)。從機數(shù)據(jù)發(fā)送流程見圖9。

圖9 從機發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

4 采集器程序設(shè)計

4.1 A/D采集控制程序

HX711初始化后，將數(shù)據(jù)線和用于控制數(shù)據(jù)接收的CLK信號電平拉低以保證數(shù)據(jù)正確接收，然后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的接收由CLK控制，在數(shù)據(jù)和CLK被主動拉低之后，每發(fā)送一次CLK的高電平信號，便讀取1次DOUT位數(shù)據(jù)，當(dāng)收到24個DOUT電平后，開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，這樣電壓增益為128。之后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)返回，完成A/D的這一次采集工作，繼續(xù)等待下次單片機的調(diào)用。

4.2 采集器主程序

STM8單片機作為通信系統(tǒng)的從機，一直監(jiān)聽鏈路等待主機的命令，STM8單片機正確收到主機發(fā)來的數(shù)據(jù)后，通過查閱數(shù)據(jù)幀中的功能選項判斷主機的意圖，具體功能選項見表2。根據(jù)功能選項調(diào)用相應(yīng)的子程序進行處理，程序主流程如圖10所示。

圖10 采集器主程序流程圖

5 測試及實驗結(jié)果

通過對貨車模型進行等重加載實驗來測試同步采集器，測試主機使用PC機，PC機端使用本次設(shè)計的通信協(xié)議的上位機程序。

測試過程進行了180次連續(xù)加重，每次加重后由PC發(fā)起采集命令，之后PC記錄各采集器傳來的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。測試完成后將各采集的數(shù)據(jù)進行曲線繪制，繪制結(jié)果如圖11所示。圖表橫坐標(biāo)為載荷值，縱坐標(biāo)為PC機收到的采集器處理后的A/D轉(zhuǎn)換值。

圖11 數(shù)據(jù)結(jié)果曲線圖

由上圖可以看出，4個采集器傳來的數(shù)據(jù)均在曲線附近，并且?guī)缀醭删€性，這與應(yīng)變式傳感器的物理特性[12]基本一致。每次測試都完整收到4個從機的數(shù)據(jù)，曲線沒有出現(xiàn)大的跳變，說明測試過程中通信系統(tǒng)是穩(wěn)定的，同步采集任務(wù)成功。

結(jié) 語

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