基于MSP430的超載車(chē)輛動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

劉葉楠，陳超波

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710021）

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的高速公路運(yùn)輸系統(tǒng)的取得了飛速的發(fā)展，伴隨著其發(fā)展，大量的公路超限運(yùn)輸現(xiàn)象也接踵而至。超限運(yùn)輸現(xiàn)象不僅對(duì)公路、橋梁帶來(lái)嚴(yán)重的影響，而且極大地縮短了高速公路的使用年限，對(duì)交通安全構(gòu)成了極大的威脅。為了加強(qiáng)橋梁及公路的超限運(yùn)輸管理，對(duì)疑似超載車(chē)輛進(jìn)行精確測(cè)量，研發(fā)車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重技術(shù)是至關(guān)重要[1]。

目前，車(chē)輛超載檢測(cè)技術(shù)主要分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩類(lèi)。靜態(tài)檢測(cè)是通過(guò)固定安裝的電子地磅對(duì)經(jīng)過(guò)的車(chē)輛進(jìn)行稱(chēng)重；動(dòng)態(tài)檢測(cè)是在車(chē)輛行駛中獲取其重量。動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法不需要車(chē)輛停下來(lái)，不會(huì)對(duì)道路交通帶來(lái)干擾，檢測(cè)效率較高，因而動(dòng)態(tài)稱(chēng)重技術(shù)越來(lái)越得到人們的關(guān)注。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F2812的車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，但其數(shù)據(jù)處理速率較慢，難以滿足實(shí)時(shí)性要求。文獻(xiàn)[3]采用DSP為主控器搭建了硬件平臺(tái)，利用平均值濾波和中位值濾波結(jié)合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，軟件算法復(fù)雜，難以廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]介紹了一種由石英晶體傳感器和感應(yīng)線圈構(gòu)成的車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀，但其抗干擾能力較差，在電磁干擾較強(qiáng)的環(huán)境下，難以穩(wěn)定工作。對(duì)此設(shè)計(jì)了以MSP430F6736為核心的，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和通信存儲(chǔ)功能的超載車(chē)輛動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀。

1 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車(chē)輛動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)行駛中的車(chē)輛進(jìn)行精確稱(chēng)重，系統(tǒng)的核心是動(dòng)態(tài)稱(chēng)重。當(dāng)車(chē)輛駛?cè)霗z測(cè)系統(tǒng)時(shí)，車(chē)輛的前輪首先壓在地感線圈上，同時(shí)光幕也會(huì)被切斷；此時(shí)表示有車(chē)輛到來(lái)，系統(tǒng)開(kāi)始采集軸重信號(hào)。當(dāng)?shù)馗芯€圈與光幕由切斷變回連通狀態(tài)時(shí)，表示本次軸重采集完畢，之后將采集到的軸重信息發(fā)送至PC。地感線圈發(fā)生的電平跳變會(huì)觸發(fā)車(chē)牌識(shí)別器，車(chē)牌識(shí)別器會(huì)對(duì)現(xiàn)有車(chē)輛的車(chē)牌進(jìn)行采集與抓拍，工作完成后將車(chē)牌信息發(fā)送給PC。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of dynamic weighing detection system

2 檢測(cè)儀硬件原理設(shè)計(jì)

2.1 整體硬件組成

基于MSP430F6736動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括板傳感器、地感線圈、信號(hào)放大模塊、通信模塊、MSP430F6736核心處理單元等，具體構(gòu)成如圖2所示。

當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)彎板傳感器，傳感器將自身壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及與PC之間的通信。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成方案Fig.2 Data acquisition module scheme

2.2 核心處理器電路

MSP430F6736為美國(guó)TI公司的一款16位超低功耗混合信號(hào)處理器，其16位的精簡(jiǎn)指令集，125nS的命令周期便于操作，由于MSP430F6736自身帶有3個(gè)具有PGA的24位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度足以滿足超限檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，無(wú)需添加外部電路，可以極大程度地降低電路設(shè)計(jì)難度。對(duì)處理器芯片選擇完畢后即可對(duì)采集板電路各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)核心處理器MSP430F6736內(nèi)部，具有差分可編程增益放大器（PGA）輸入的24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以滿足超限檢測(cè)稱(chēng)重系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速率，故進(jìn)行外部電路設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)需額外采用外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，直接利用MSP430F6736內(nèi)部的24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。由于彎板式傳感器將壓力轉(zhuǎn)變的信號(hào)是mV級(jí)別的電壓信號(hào)，故需要將mV級(jí)的信號(hào)放大，以便于采集。其放大芯片可選用INA128，傳感器信號(hào)放大電路如圖3所示。

圖3 傳感器信號(hào)放大電路Fig.3 Sensor signal amplifying circuit

2.4 通訊模塊電路設(shè)計(jì)

TD302D232H為一款雙路高速RS232隔離收發(fā)模塊，主要用于邏輯電平與232協(xié)議電平的轉(zhuǎn)換，可以輕松地實(shí)現(xiàn)RS232協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的連接功能。其最大通信波特率可以達(dá)到115200 b/s，具體電路如圖4所示。

圖4 通訊模塊原理Fig.4 Communication module principle

3 檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)分析，超限檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程如下：當(dāng)可疑車(chē)輛經(jīng)過(guò)超限檢測(cè)站時(shí)，首先，車(chē)輛前輪壓在地感線圈上，會(huì)啟動(dòng)車(chē)牌識(shí)別儀，車(chē)牌識(shí)別儀通過(guò)網(wǎng)口將車(chē)牌信息發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)接收此信息后會(huì)保存車(chē)輛車(chē)牌信息備用。同時(shí)，車(chē)頭觸發(fā)光幕傳感器，這時(shí)候采集板I/O模塊輸出信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖剑挛粰C(jī)通過(guò)串口向上位機(jī)發(fā)送請(qǐng)求，上位機(jī)接收到請(qǐng)求后開(kāi)始準(zhǔn)備接收采集的軸重信號(hào)，此時(shí)采集板開(kāi)始啟動(dòng)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集與預(yù)處理，待采集結(jié)束后，將軸重信息打包通過(guò)串口發(fā)送至至上位機(jī)。上位機(jī)接收到該信號(hào)后首先對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定處理，會(huì)得到車(chē)輛的車(chē)重，與相關(guān)規(guī)定對(duì)比后，會(huì)得到超限率、與罰款金額等信息，最后將所有信息整合存儲(chǔ)，并顯示在LED屏幕。整個(gè)系統(tǒng)總的工作流程圖如圖5所示。

圖5 超限檢測(cè)系統(tǒng)的軟件流程Fig.5 Software flow chart of overrun detection system

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，利用MFC多線程技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將整個(gè)程序分為2個(gè)線程，主線程與輔助線程。主線程主要用于完成初始化與車(chē)輛軸重?cái)?shù)據(jù)處理2個(gè)部分，其關(guān)鍵部分是稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)處理；輔助線程主要用于完成稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的接收。當(dāng)車(chē)輛到來(lái)時(shí)，下位機(jī)的I/O設(shè)備會(huì)檢測(cè)到光幕的變化，開(kāi)始軸重采集，同時(shí)通過(guò)串口向上位機(jī)發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，此時(shí)輔助線程會(huì)對(duì)信息進(jìn)行接收，接收完畢后將信息發(fā)送至主線程進(jìn)行處理。主線程、輔助線程的流程如圖6所示。

圖6 超限檢測(cè)程序流程Fig.6 Overrun detection program flow chart

3.2 串口通訊軟件設(shè)計(jì)

在Visual Studio 2013中多數(shù)會(huì)利用SerialPort類(lèi)來(lái)完成串口的通信，NET Framework 2.0類(lèi)庫(kù)中包含了一個(gè)SerialPort類(lèi)，與MSComm相同，可以簡(jiǎn)單地完成串口的各項(xiàng)操作。

利用SerialPort串口類(lèi)在編寫(xiě)程序時(shí)，首先需要手動(dòng)將串口類(lèi)倒入，建立SerialPort.h與SerialPort.cpp文件，并把SerialPort類(lèi)的.h和.cpp文件復(fù)制到工程中區(qū)，再把SerialPort.h與SerialPort.cpp添加到項(xiàng)目中，在stdafx.h中引入一個(gè)BOOL變量，用于表示標(biāo)志串口是否打開(kāi)，接下來(lái)需要在Dlg類(lèi)的頭文件中注釋宏中間加入消息的宏定義：

可以像操作MSComm控件一樣對(duì)其進(jìn)行操作。先利用成員函數(shù)m_SerialPort.InitPort（）去對(duì)設(shè)置通訊端口號(hào)及波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位等信息進(jìn)行設(shè)置，仍然利用成員函數(shù)open（）去打開(kāi)端口，之后進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)操作，待傳輸結(jié)束后繼續(xù)利用最后成員函數(shù)close（）去關(guān)閉端口。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要存儲(chǔ)車(chē)輛的相關(guān)信息：車(chē)輛各軸的重量、車(chē)量的速度、車(chē)輛的軸數(shù)以及車(chē)輛的總重量等。數(shù)據(jù)庫(kù)是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)。VC++中常用的數(shù)據(jù)庫(kù)主要有Microsoft Office Access，MQL Server。在此采用 Microsoft Office Access作為數(shù)據(jù)庫(kù)的管理系統(tǒng)。使用ADO的方式來(lái)對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)，步驟如下：

步驟1 將ADO類(lèi)導(dǎo)入至工程項(xiàng)目中，通過(guò)在stdafx.h中添加#include，#import語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。

步驟2 對(duì)COM環(huán)境進(jìn)行初始化操作，完成后即可得到 _ConnectionPtr，_RecordsetPt，_CommandPtr三個(gè)指針：_CommandPtr為要提交的sql查詢(xún)字符串；_RecordsetPtr為查詢(xún)返回的結(jié)果；_ConnectionPtr為連接并分別去定義對(duì)象。即

步驟3 m_Connection對(duì)象中的Open去連接數(shù)據(jù)庫(kù)。

步驟4 利用 m_pConnection，m_pCommand等指針去對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行增、刪、改、查操作。

步驟5 使用完畢后關(guān)閉連接釋放對(duì)象。

4 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)處理及實(shí)例驗(yàn)證

4.1 稱(chēng)重信號(hào)的數(shù)字濾波

車(chē)輛在檢測(cè)過(guò)程中，以一定的速度通過(guò)彎板傳感器，車(chē)輛的速度、加速度以及車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中自身產(chǎn)生的振動(dòng)、車(chē)輛不規(guī)范過(guò)稱(chēng)以及檢測(cè)系統(tǒng)本身都會(huì)使實(shí)際重量信號(hào)中帶有不同頻率的干擾，另外系統(tǒng)周?chē)墓ぷ鳝h(huán)境等因素也會(huì)帶來(lái)一些偶然性誤差。從混雜有各種干擾的真實(shí)車(chē)輛信號(hào)中濾除干擾，得到車(chē)輛信息的有效信號(hào)，是影響整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量精度的關(guān)鍵所在，因此有必要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。檢測(cè)儀采用算數(shù)平均濾波算法進(jìn)行數(shù)字濾波。濾波后通過(guò)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重算法獲得準(zhǔn)確的軸重。

算數(shù)平均濾波的主要思想是將采樣得到的N個(gè)連續(xù)的采樣值分別相加，然后求其平均值，將該算術(shù)平均值看作此次測(cè)量的濾波結(jié)果。算術(shù)平均值為

假定Si為有效值，ni為隨機(jī)噪聲，則

將式（2）代入式（1），可得

該濾波算法一般用于被測(cè)信號(hào)在一個(gè)平均值小范圍附近變化的系統(tǒng)，對(duì)去除周期性的噪聲具有良好的效果。

4.2 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重算法

經(jīng)過(guò)算術(shù)平均濾波后的信號(hào)曲線己經(jīng)比較平穩(wěn)光滑，求出反映實(shí)際車(chē)輛軸重的A/D值有以下步驟：

步驟1 車(chē)速提取。處理數(shù)據(jù)的信號(hào)和車(chē)輛通過(guò)傳感器稱(chēng)臺(tái)的速度有關(guān)，因此準(zhǔn)確獲取被檢車(chē)輛的速度也關(guān)鍵步驟之一。具體過(guò)程是：①設(shè)定1個(gè)閾值T，若采樣值x滿足條件x≥T，則說(shuō)明被檢車(chē)輛有軸壓在傳感器稱(chēng)臺(tái)的有效區(qū)內(nèi)；若x

可正確計(jì)算出被檢車(chē)輛的各個(gè)軸通過(guò)稱(chēng)臺(tái)的速度。③對(duì)N個(gè)速度值求取算術(shù)平均值，所得結(jié)果v即為被檢車(chē)輛的速度，即

步驟2 軸數(shù)計(jì)算。在軸數(shù)計(jì)算之前，先對(duì)車(chē)輛實(shí)際載荷情況做簡(jiǎn)單的分析。一般來(lái)講，車(chē)輛由車(chē)頭和車(chē)廂構(gòu)成，且都是車(chē)頭載人部分重量較小，車(chē)廂載貨部分重量較大，被檢車(chē)輛的重量信號(hào)如圖7所示。由圖可見(jiàn)，車(chē)輛開(kāi)始?jí)哼^(guò)稱(chēng)臺(tái)時(shí)，測(cè)得的重量值不斷增加，當(dāng)被測(cè)軸完全壓在稱(chēng)臺(tái)有效區(qū)時(shí)，波形到達(dá)一個(gè)峰值并在很短的時(shí)間內(nèi)趨于平穩(wěn)；該軸離開(kāi)稱(chēng)臺(tái)時(shí)信號(hào)波形開(kāi)始下降，接著重量又不斷增加，說(shuō)明第2個(gè)軸開(kāi)始經(jīng)過(guò)稱(chēng)臺(tái)。因此，可以采用設(shè)定閾值的方法來(lái)計(jì)算軸數(shù)。

圖7 被檢測(cè)車(chē)輛的重量信號(hào)Fig.7 Weight signal of detected vehicle

步驟3 數(shù)據(jù)處理。結(jié)合檢測(cè)的重量信號(hào)，根據(jù)計(jì)算出的車(chē)輛速度，將數(shù)據(jù)的處理分為以下3種情況：

1）被檢車(chē)輛低速通過(guò)稱(chēng)重傳感器，取2個(gè)波峰之間的算術(shù)平均值更貼近于被檢車(chē)輛的真實(shí)軸重；

2）被檢車(chē)輛中速通過(guò)稱(chēng)重傳感器，該段信號(hào)近似為正弦曲線，求其平均值作為被檢車(chē)輛的真實(shí)軸重；

3）被檢車(chē)輛高速通過(guò)稱(chēng)重傳感器，采用波峰為每個(gè)軸重的有效值。

經(jīng)過(guò)多次車(chē)輛重量信息實(shí)際測(cè)量的統(tǒng)計(jì)對(duì)比，設(shè)計(jì)的車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重檢測(cè)儀的總體誤差率<5%，可以滿足路政工作人員執(zhí)法檢測(cè)的精確要求。車(chē)輛稱(chēng)重統(tǒng)計(jì)的10次數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，實(shí)際的測(cè)試結(jié)果令人滿意。

表1 車(chē)輛的檢測(cè)與實(shí)際重量對(duì)比Tab.1 Comparison of vehicle detection and actual weight

試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有成本低、使用簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)；為執(zhí)法檢查提供了新的檢測(cè)手段，解決了我國(guó)車(chē)輛運(yùn)輸管理中的一個(gè)問(wèn)題，對(duì)于我國(guó)治理公路超載超限具有很大的實(shí)際意義和廣闊的應(yīng)用前景。

4.3 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論的正確性與可行性，將樣機(jī)在某超限檢測(cè)站進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，在距離超限檢測(cè)站約1 km的公路旁設(shè)立車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，如圖8所示。圖9和圖10分別給出了超限檢測(cè)稱(chēng)重界面、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)行界面。

圖8 主機(jī)箱安裝實(shí)景Fig.8 Installation of host box

圖9 超限檢測(cè)稱(chēng)重界面Fig.9 Overlimit test weighing interface

圖10 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)行界面Fig.10 Monitoring data running interface

由該運(yùn)行界面可見(jiàn)，此動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)3個(gè)車(chē)道進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)據(jù)處理完成后，檢測(cè)時(shí)間、車(chē)牌號(hào)等車(chē)輛信息會(huì)顯示在界面中相應(yīng)車(chē)道的左側(cè)區(qū)域，其右側(cè)列表中顯示該車(chē)各軸的重量。

5 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的超載車(chē)輛動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀，以高性能的單片機(jī)MSP430F6736為核心處理器，并結(jié)合Visual Studio 2013開(kāi)發(fā)工具、Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具，采用了232通訊技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超載車(chē)輛的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。其硬件平臺(tái)簡(jiǎn)單，功耗較低，信息采集識(shí)別精度高，數(shù)據(jù)處理快。實(shí)例測(cè)試驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的有效性和可行性。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化，降低了人為干預(yù)，提高了檢測(cè)效率，同時(shí)緩解了排隊(duì)檢測(cè)帶來(lái)的交通擁堵，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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