高速行駛車輛位置信息快速檢測系統(tǒng)設(shè)計

王 豪， 紀(jì)少波， 劉振革2， 韓文揚3， 韋金城3， 李 萌

(1.山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，山東 濟南 250061； 2.山東技師學(xué)院 汽車工程系，山東 濟南 250200；3.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟南 250031)

車流量檢測、車速檢測、交通信號控制智能化及違章拍照等屬于交通領(lǐng)域的常規(guī)工作。這些工作都離不開車輛行駛位置信息的監(jiān)測，目前車輛位置信息有多種測試方法，如超聲波檢測、紅外線檢測、雷達檢測及地感線圈檢測等[1-4]。其中，地感線圈檢測方法由于具有精度高、成本低及使用方便等優(yōu)點，得到了更多的應(yīng)用[5-7]。目前車輛位置檢測研究多數(shù)采用計數(shù)設(shè)定時間內(nèi)的脈沖個數(shù)的方法分辨頻率的改變量[8-9]，這種檢測方式為了提高精度，需要采用較長的計數(shù)時間，由此帶來了響應(yīng)時間長的問題，無法滿足高速行駛車輛位置信息檢測的要求。市場上的車輛檢測器大多用于低速車輛位置信息檢測領(lǐng)域，如停車場、地下車庫等場合。但這些車輛檢測器均存在車輛位置信息檢測時間長、反應(yīng)速度下降等問題，對高速路上大量行駛的車速快、車長短的轎車而言，這種處理方法存在嚴重的漏判問題，難以適應(yīng)高速行駛車輛位置信息檢測。有必要采用改進的處理方法提高地感線圈的檢測速度，滿足高速行駛車輛位置信息檢測的需要。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)提出了一種以單片機為核心的高速行駛車輛位置信息檢測裝置及方法，其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。本系統(tǒng)設(shè)計電路采用LC振蕩電路產(chǎn)生正弦信號，經(jīng)過整形電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號，單片機通過輸入捕捉功能捕獲車輛經(jīng)過時的脈沖信號。車輛行駛經(jīng)過地感線圈時，由于車輛切割磁場的作用，在車輛內(nèi)部產(chǎn)生自成閉合回路的感應(yīng)電渦流，電渦流的磁場方向與原有的磁場方向相反，導(dǎo)致地感線圈的電感量減小，從而引起LC振蕩電路輸出脈沖信號頻率增加[10-12]。單片機通過定時器功能檢測輸出脈沖信號頻率的變化，判斷車輛的位置，并通過開關(guān)量信號輸出電路、指示燈輸出、蜂鳴器輸出及通信輸出等多種方式將車輛位置信息進行指示。此外，為了防止系統(tǒng)工作異常，設(shè)計了單片機外部自動復(fù)位電路，在長時間檢測不到車輛行駛通過時，電路發(fā)出控制信號，令單片機復(fù)位。

車輛行駛至地感線圈位置時，地感線圈電感的微弱變化能夠使振蕩電路的頻率產(chǎn)生改變。由于頻率的改變量小，加上干擾成分的影響，如果只測量一個脈沖信號的周期變化存在誤差。所以目前的車輛位置檢測多采用測量設(shè)定時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，這種方式對于高速行駛的車輛會帶來檢測不出來的問題。另外，如果脈沖信號存在瞬間的干擾信號，不容易去除，這種方法會存在較大的誤差。為此本系統(tǒng)改進檢測算法，通過單片機定時模塊獲取多個脈沖的持續(xù)時間，通過增加脈沖數(shù)的方式增加計時時間，提高位置信息檢測的精度；系統(tǒng)在計數(shù)持續(xù)脈沖總時間的過程中，同時實時測試每個脈沖的時間，如果發(fā)現(xiàn)脈沖時間過短，則判斷該脈沖信號為高頻干擾的影響，進而將該脈沖去除，據(jù)此消除高頻干擾對計數(shù)時間的影響。根據(jù)地感線圈振蕩電路的常用頻率范圍及車輛位置檢測信息的精度，這種方式的檢測時間一般可以控制在5 ms以內(nèi)，有效地提高了車輛位置檢測的速度。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 LC振蕩電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件由環(huán)形地感線圈、振蕩電路、單片機及輸出信號處理電路等部分組成。環(huán)形地感線圈通常埋在路面以下，長寬各約1.5 m。當(dāng)線圈中通以電流時，在地感線圈的周圍就會產(chǎn)生電磁場。對于匝數(shù)為N，長度為l的螺線管型線圈，其線圈內(nèi)的磁場自感量為

(1)

式中，μr為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率；常數(shù)μ0=4×10-7h/m；A為線圈的環(huán)繞面積當(dāng)車體經(jīng)過線圈時，車體切割線圈產(chǎn)生磁場。車輛金屬部件產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，電渦流產(chǎn)生的磁場會引起感應(yīng)電流磁場的變化，由線圈的電感量公式可知，當(dāng)車輛從環(huán)形線圈上通過時，線圈作為振蕩電路的一部分，其電感量會減少。

振蕩電路首先采用1∶1隔離變壓器與地感線圈相連，隔離變壓器的另一端串聯(lián)兩個電容構(gòu)成LC諧振電路，該諧振電路的諧振頻率為

(2)

圖2為振蕩信號電路，通過反接穩(wěn)壓管使正弦振蕩信號幅值限制在5 V之內(nèi)，振蕩電路供電為+5 V，通過電阻的分壓，使振蕩電路的PNP三極管工作在放大狀態(tài)。振蕩電路起振后產(chǎn)生正弦波，并傳送至NPN三極管的基級。三極管的發(fā)射極等效電阻較低且通過增加電容，用于通過硬件消除高頻干擾脈沖的影響。當(dāng)所加電壓高于三極管的導(dǎo)通電壓時，三極管導(dǎo)通，輸出低電平；當(dāng)所加電壓小于導(dǎo)通電壓時，三極管截止，輸出高電平，將正弦信號轉(zhuǎn)換為矩形波信號。

圖2 振蕩信號電路

2.2 單片機及信號處理電路設(shè)計

單片機及信號處理電路包括單片機及周圍電路、開關(guān)量輸出信號處理電路和TTL整形電路等，如圖3所示。單片機采用Freescale公司生產(chǎn)的S9S08DZ60單片機，該單片機片內(nèi)自帶輸入捕捉、兩個定時器模組，總線頻率最高可達20 MHz，滿足裝置的功能需求。開關(guān)量信號輸出電路則通過NPN三極管將車輛到來狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為5 V和12 V電平向外輸出。TTL整形電路采用施密特觸發(fā)器CD4093芯片將振蕩電路產(chǎn)生的矩形波信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號，送入單片機的輸入捕捉功能引腳中。另外，單片機電路包括蜂鳴器及LED燈電路，通過聲音及燈光提示車輛到來信息。另外，為了便于裝置與其他系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，設(shè)計了RS232通信功能，可以通過通信方式傳遞相關(guān)參數(shù)。

2.3 單片機自動復(fù)位電路設(shè)計

單片機自動復(fù)位采用了兩種工作模式。

(1) 由MAX708芯片及其外圍電路組成復(fù)位電路，MAX708的低電平復(fù)位輸出脈沖端與單片機復(fù)位引腳相連，如圖4所示；利用單片機的定時器定時向MAX708芯片發(fā)出控制信號，當(dāng)單片機由于干擾等原因死機時，MAX708收不到單片機發(fā)出的控制信號，則該芯片的復(fù)位輸出脈沖端產(chǎn)生200 ms的復(fù)位脈沖輸出，使單片機復(fù)位，重新進入工作狀態(tài)。

(2) 本系統(tǒng)的裝置主要用于高速公路領(lǐng)域，車流量大，根據(jù)這個特點提出了第二種復(fù)位模式：根據(jù)道路

圖4 單片機自動復(fù)位電路

的車流量情況，確定一個無車輛通過的最小時間限值，單片機通過定時器確定設(shè)定時間內(nèi)是否有車輛通過，如果沒有則認為系統(tǒng)工作異常，通過單片機控制MAX708的手動復(fù)位引腳發(fā)出控制信號，令單片機復(fù)位。

3 程序控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 工作模式設(shè)定

在地感線圈實際使用過程中，由于不同地感線圈的匝數(shù)和面積存在差異，造成地感線圈的輸出電感量存在一定差異；此外安裝環(huán)境的差異、外界溫度的變化以及車輛經(jīng)過路面時對地感線圈的擠壓變形，均會對地感線圈的電感量造成影響。因此，需要對設(shè)定脈沖個數(shù)對應(yīng)的脈沖時間計數(shù)值進行標(biāo)定，以滿足不同條件下的使用要求。本系統(tǒng)有兩種工作模式，即自動標(biāo)定模式和正常工作模式，每次裝置上電復(fù)位后，首先進入自動標(biāo)定模式，標(biāo)定結(jié)束后，進入正常工作模式，系統(tǒng)程序工作流程圖如圖5所示。

圖5 程序設(shè)計框圖

自動標(biāo)定是在檢測電路復(fù)位瞬間，無車輛經(jīng)過條件下，通過對設(shè)定脈沖數(shù)對應(yīng)的時間進行統(tǒng)計的方式獲取。在檢測電路上電或復(fù)位瞬間，且無車輛經(jīng)過條件下，通過單片機的輸入捕捉功能捕捉下降沿信號，得到連續(xù)10次設(shè)定脈沖個數(shù)的時間計數(shù)值；去掉計數(shù)值中的最小值和最大值，得到剩下8次計數(shù)值的平均值，將此值作為當(dāng)前安裝環(huán)境下無車輛通過時，單個脈沖的持續(xù)時間計數(shù)值，該值與設(shè)定脈沖個數(shù)的乘積即為標(biāo)定得到的計數(shù)基準(zhǔn)值。自動標(biāo)定結(jié)束后，自動進入正常工作模式。

正常工作模式：通過單片機的輸入捕捉功能得到設(shè)定脈沖數(shù)對應(yīng)的時間，具體實施過程如下：假如設(shè)定的脈沖數(shù)為m，振蕩電路輸出的矩形波信號經(jīng)過CD4093處理后進入單片機的輸入捕捉引腳，將該脈沖的持續(xù)時間與之前脈沖的持續(xù)時間累加；另外，脈沖個數(shù)加1，當(dāng)脈沖個數(shù)達到m時，得到的總累加時間即為當(dāng)前情況下設(shè)定脈沖數(shù)對應(yīng)的時間。

得到設(shè)定脈沖數(shù)對應(yīng)的時間后，將該時間與標(biāo)定模式得到的基準(zhǔn)時間進行比較，如果設(shè)定脈沖數(shù)對應(yīng)時間與基準(zhǔn)時間的差值未超過設(shè)定限值，則認為無車輛經(jīng)過。如果超過限值，則繼續(xù)判斷下一次設(shè)定脈沖數(shù)對應(yīng)的時間，只有當(dāng)連續(xù)3次設(shè)定脈沖數(shù)對應(yīng)的時間與基準(zhǔn)時間的差值均超過設(shè)定限值，則認為當(dāng)前車輛行駛至地感線圈位置。

3.2 干擾信號處理

圖6為異常干擾信號的示意圖，此類干擾信號多為高頻成分，持續(xù)時間短，如果未能去除，將導(dǎo)致設(shè)定脈沖數(shù)統(tǒng)計的時間縮短，影響統(tǒng)計的精度。為此，每當(dāng)一個脈沖信號到來時，將每個脈沖的時間計數(shù)值進行存儲，并將連續(xù)得到的20個脈沖的時間值按大小排序，去掉2個最大值和2個最小值后，求得剩余16個脈沖時間的平均值。將當(dāng)前脈沖的計數(shù)值與平均值比較，如果差值的絕對值未超過設(shè)定限值，則認為當(dāng)前脈沖是正常信號，將當(dāng)前脈沖的計數(shù)值進行累加；反之認為當(dāng)前脈沖是干擾信號，計數(shù)值不予累加處理。通過這種處理方法消除異常干擾信號對設(shè)定脈沖數(shù)對應(yīng)時間的影響。

圖6 異常干擾信號去除方法

3.3 自動復(fù)位模式設(shè)計

裝置采用了兩種復(fù)位模式，其中模式一在程序中定時給MAX708發(fā)出控制信號，如果程序工作正常，控制信號會定時發(fā)出，此時MAX708不會輸出單片機復(fù)位信號；當(dāng)程序死機時，定時控制信號無法發(fā)送，MAX708給單片機發(fā)送復(fù)位信號，實現(xiàn)程序死機時的復(fù)位設(shè)計。模式二則通過定時器計時時間，在計時的過程中判斷是否有車輛通過，每次車輛到來自動將定時器的定時時間清0；當(dāng)定時器的計時時間超過設(shè)定時間，仍無車輛到來的狀態(tài)，則認為系統(tǒng)工作異常，通過MAX708芯片實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位。

4 模擬試驗測試

4.1 振蕩電路測試

本系統(tǒng)是根據(jù)地感線圈與電容形成的LC振蕩電路對車輛通過時的信號進行判斷，為了驗證設(shè)計電路的可行性，首先對設(shè)計電路進行電路圖仿真測試。電路圖仿真軟件為LTspice XVII模擬器，運行已搭建完成的LC振蕩電路，如圖7(a)所示，圖7(b)為仿真軟件輸出信號波形。經(jīng)過仿真軟件分析，搭建的電路能穩(wěn)定地輸出振蕩信號，改變模擬線圈的電感量，輸出振蕩信號的頻率有明顯的變化。

圖7 仿真軟件測試

4.2 模擬測試

在實驗室中用該系統(tǒng)和鐵板對車輛經(jīng)過地感線圈進行模擬測試，用示波器捕捉電路中的頻率變化，測得鐵板經(jīng)過前和經(jīng)過時的振蕩信號如圖8所示。無鐵板經(jīng)過時測量頻率為106.032 kHz，鐵板經(jīng)過時振蕩信號頻率增加到107.103 kHz，通過上述正常工作模式可有效檢測出頻率變化。由于鐵板質(zhì)量較輕，在實際道路上的應(yīng)用會產(chǎn)生更好的頻率變化效果。

5 結(jié)論

① 本文設(shè)計了基于地感線圈的高速公路車輛檢測裝置，車輛通過地感線圈時，LC振蕩電路輸出脈沖信號頻率發(fā)生改變，單片機捕捉脈沖信號的頻率變化，判斷車輛位置。

② 系統(tǒng)有兩種工作模式，自動復(fù)位模式中對設(shè)定脈沖個數(shù)對應(yīng)的脈沖時間計數(shù)值進行標(biāo)定；正常工作模式下，通過單片機定時模塊獲取多個脈沖的持續(xù)時間，通過增加脈沖數(shù)的方式增加計時時間，提高檢測精度的同時，也有較快的檢測速度。

③ 為了減少干擾信號的影響帶來車輛誤判，本系統(tǒng)改進算法，實時測試每個脈沖的時間，去除高頻干擾的時間計數(shù)值；并在系統(tǒng)長時間檢測不到車輛通過時，

圖8 鐵板經(jīng)過前和經(jīng)過時的振蕩信號

進行自動復(fù)位，進入自動標(biāo)定模式。

④ 對系統(tǒng)進行模擬試驗測試，試驗結(jié)果表明，LC振蕩電路能產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦信號，當(dāng)模擬車輛經(jīng)過時，單片機能捕捉到信號的頻率變化，并進行精確有效的判斷。