（通信与信息系统专业论文）不停车收费系统中的不停车称重.pdf

郑州大学硕士研究生论文 摘要 本文得到河南省杰出人7 j 创新基金的资助。 随着经济的发展，我国的公路发展很快，但同时货运汽车超载现象也越来越 严重。超载运输缩短路面的使用寿命，危及桥梁的安全使用，导致恶性交通事故 增加。为了治理车辆超限超载，有必要在高速公路收费站对货运车辆进行动态称 重收费。 国内的公路车辆动态称重技术起步较晚，虽然已有公司开发出用于公路收费 的动态称重系统，但是允许车辆通行速度仍然比较低。往往测量精度高，允许的 通行速度就比较低；通行速度高时，测量精度达不到要求。因此对动态称重系统 的开发工作主要解决的问题是测量精度和车辆通行速度之间的矛盾。 基于动态称重收费系统判断超载的依据，使用轴荷称重的方法进行动态称重。 本文对轴荷称重方法进行了详细分析，并在此基础上完成对硬件模块的设计和以 及对系统进行模型分析。 首先是对称重系统硬件模块的设计，包括称重秤台的设计以及称重电路的设 计。硬件部分的主要功能是数据采集、显示以及与p c 机接口，在硬件部分将传感 器送出的模拟信号经过放大和模数转换，变成数字信号，通过u s b 接口送入主机， 由主机来进行处理。 在对动态称重系统进行了硬件系统的设计基础上，详细分析了动态称重系统 的受力情况，通过分析称重系统可以用一个自回归滑动平均( a r m a ) 模型来表示， 把称重问题转换为对车速的测量和对系统参数的识别。最小二乘法是进行参数识 别的比较好的方法，考虑到我们建立的模型是时变模型，因此使用辅助变量算法 的递推算法来进行参数识别，得到了比较好的试验结果。在提高动态称重精度的 同时也降低了对车辆的通行速度的要求。 关键词：动态称重u s b 参数识别最小二乘算法 i i 郑州大学硕士研究生论文 a b s t r a c t i nt h ep a s tf e wy e a r s ，t h e r eh a v ear a p i di n c r e a s ei nt h eh i g h w a yb u i l d i n go fo u r c o u n t r yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r ye c o n o m y b u tt h e r ei sm o r ea n dm o r et h e s i t u a t i o no fo v e r l o a dt r a n s p o r t a t i o n t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h e h i g h w a ya n dt h ed a m a g eo ft h eo v e r l o a dt r a n s p o r t a t i o n o v e r l o a dt r a n s p o r t a t i o n s h o r t e n st h es e r v i c el i f eo fh i g h w a ya n de n d a n g e r st h es a f e t yo fb r i d g e a n di tl e a d st o t h ei n c r e a s e so ft h em a l i g n a n tt r a f f i ca c c i d e n t s s oi ti sn e c e s s a r yt oa p p l yt h es y s t e m o fw e i g h i n go fm o v i n gv e h i c l e sa n dc a l c u l a t i n gt o l lt oh i g h w a yf o rs t o p p i n gt h e s i t u a t i o no f o v e r l o a dt r a n s p o r t a t i o n t h es t u d yo f t h ew e i g h - i n - m o t i o ns y s t e mi no u rc o u n t r yi sl a t e rt h a no t h e rc o u n t r y 。ino u rc o u n t r y , s o m ec o m p a n i e sh a v ep r o d u c e dv e h i c l ed y n a m i cs c a l e sb u tt h ev e h i c l e d y n a m i cs c a l e sh a v en o tr e a l i z e dt h eh i g i lw e i g h i n ga c c u r a c yw h e nt h ev e h i c l er l l r l s a c r o s st h ep l a t f o r mw i t hh i g hs p e e d ， o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n go nt h ep r o g r e s so ft e c h n o l o g yo f w e i g h i n g ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fd y n a m i cw e i g h i n gs y s t e ma n df i n i s h e st h ed e s i g no ft h e h a r d w a r e a na c t u a lm o d e lo fv e h i c l ed y n a m i cw e i g h i n gs c a l eh a sb e e na n a l y z e da n d c o n s t r u c t e d f i r s t ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ec o n s i s t so ft h ed e s i g no fp l a t f o r ms c a l ea n dt h e d e s i g no fi n t e g r a t e dc i r c u i t ，a n dp r i n t i n gc i r c u i tb o a r d t h eo u t p u to fw e i g hs e n s o ri s a n a l o g u es i g n a l a f t e ri ti sa m p l i f i e d a n di sc o n v e r s e dt ob ed i g i t a ls i g n a l sw i t l la d c o n v e r t e r t h eh o s tc o m p u t e rd e a l 、航t 1 1t h ed i g i t a ls i g n a lw h a ti si m p o r t e df r o m w e i g h i n gc i r c u i ta c r o s su s bi n t e r f a c ec i r c u i t s e c o n d ，o nt h eb a s i so ff i n i s h i n gt h ed e s i g no fh a r d w a r e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h e s y s t e mo fv e h i c l ed y n a m i cw e i g h i n ga n dc o n s t r u c t sas y s t e mm o d e l t h es y s t e mo f v e h i c l ed y n a m i cw e i g h i n gc a nb ef i g u r ea sa r m am o d e l s ot h eq u e s t i o no f w e i g h i n g i st r a n s f o r m e dt ot h em e a s l r eo fv e h i c l e ss p e e da n dt h ei d e n t i f i c a t i o no fs y s t e m p a r a m e t e r t h el e a s ts q u a r em e t h o di n l i m i t e dm e m o r yi s a p p l i e dt o e s t i m a t et h e p a r a m e t e ro f t i m e - v a r y i n gl i n e a rs y s t e m s w eo b t a i ng o o dr e s u l tf r o mt h i sm e t h o d i i i 郑州大学硕士研究生论文 k e yw o r d s ：d y n a m i cw e i g h i n g ；u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) ；p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n ；l e a s ts q u a r em e t h o d i v 郑州大学硕士研究生论文 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、 抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的 一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者签名：墨p 玉峰 三一。j 年 月2 7 日 i 郑州大学硕士研究生论文 第1 章绪论 随着经济的高速发展，交通需求日益增加，改革开放以来，我国公路与城市 道路特别是高速公路发展非常迅速。但同时交通拥堵、交通环境恶化以及能源短 缺等问题也日益严重，成为制约我国经济发展的重要因素。因此，在修建更多的 道路、扩大路网规模的基础上，我们还需要利用高新技术来改造现有的道路运输 系统及其管理体系，大幅度提高路网的通行能力和服务质量。 1 1 公路发展及不停车收费系统概况 1 中国公路的发展状况 改革开放以来，我国公路与城市道路特别是高速公路发展很快，公路以 1 9 1 的速度发展，高速公路以5 0 8 的速度发展。到2 0 0 0 年年底，全国已通车 的公路总里程达1 4 0 万公里。特别是高速公路，自1 9 8 8 年沪嘉高速公路通车至 2 0 0 0 年的1 2 年间，我国的高速公路总长度已达1 6 0 0 0 公里，跃居世界第三。 根据“九五”规划和2 0 1 0 年发展纲要，交通部计划到2 0 1 0 年完成3 5 万公 里由高等级公路组成的国道主干线，也就是纵贯东西和横穿国境南北的”五纵七 横”1 2 条国道主干线。 收取道路通行费是目前我国公路建设投资的主要回收方式之一。与公路建设 相比，公路收费的自动化水平却相对滞后，造成收费站前车辆拥挤，大大降低了 高速公路的通过速度，成为制约车速提高的瓶颈。实现车辆收费管理的自动化， 解决路桥拥挤的状况，建立有效、可靠的车辆自动收费管理系统己成为交通管理 的新课题。 2 不停车收费系统简介及其意义 电子不停车收费系统( e l e c t r o n i ct o l lc o ll e c ti o n ，简称e t c ) 也叫不停 车收费系统，或称电子收费系统。是国际上正在努力开发并推广普及的一种用于 公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。它通过路测天线与车载电子标签之间的 专用短程通讯，在不需要司机停车和其他收费人员采取任何操作的情况下，自动 完成收费处理全过程。 不停车收费技术特别适于在高速公路或交通繁忙的桥隧环境下采用。实施不 停车收费，允许车辆高速通过，大大提高公路的通行能力；公路收费电子化，可 郑州大学硕士研究生论文 降低收费管理的成本，有利于提高车辆的营运效益；同时可以大大降低收费口的 噪声水平和废气排放：可以缩小收费站的规模，节约基建费用和管理费用。对于 交通繁忙的大桥、隧道，不停车收费系统可避免月票制度和人工收费的众多弱点， 有效提高这些市政设施的资金回收能力。 图1 1 不停车收费系统简图 我们在引进硬件设备( 瑞典t a g m a s t e r a b 公司的c o n f i d e n t 产品) 的基础上 进行消化吸收，开发出自己的e t c 系统。图1 1 所示，不停车收费系统由摄像头、 地感线圈、车道控制机( 主机) 、非接触i c 卡读写器等组成。具有车辆类型识 别、车辆分离、收费、拦截违规车辆等功能。 系统工作过程如下： 阅读器在4 到l o 米的椭圆形区域内发射2 4 5 g h z 的微波，当持有i c 卡的车 辆经过e t c 收费车道驶入该区域时，i c 卡将该微波反射回阅读器，阅读器以无 线的方式读取随车i c 卡中记录的牌照号码、预存款金额、标识号、车型和车主 的信息，并传输到车道控制机中，车道控制机根据接收的信息，查询数据库服务 器中的相关记录，确定缴费金额以及余额是否充足。如果余额充足，记录进入日 期、时间、入口号以及所收费用。然后修改r a m 中的数据，将收费情况写入数 据库，车道控制机发出指令，令红绿灯的绿灯亮，车道控制机启动控制电路让显 示牌显示车型，余额；并且在汽车将要到达栏杆机前，控制栏杆机抬起。 同时启动控制电路，利用摄像头拍摄车辆的图像和并存储到计算机的硬盘 中，以供管理部门查询。由车型、车牌识别子系统对车辆的车型、牌照等进行实 郑州大学硕士研究生论文 时鉴别，主机根据i c 卡读写器读到的信息及车型、牌照识别的结果，进行信息 融合，牌照、车型一致的车辆车牌及图像信息将不作保存。车型不符的车辆将被 拦截，进行处理以后再对其放行。 地感线圈与车辆检测器共同构成一个车辆检测系统，用于检测是否有车辆通 过。当车辆经过地感线圈时，地感线圈的电感改变，由车辆检测器输出一个命令 给栏杆机落杆。 3 国内外不停车收费系统的发展概况 从1 9 9 8 年初开始，交通部组织了近1 0 个省的交通厅开展了“网络环境下的 不停车收费系统研究”，在该项目中，将研究制定我国的“不停车收费系统指导 性意见”( 包括系统构成与接口规范、标签和路段的编码规范、不停车收费系统 专用标志标线及信号规范、网络环境下不停车收费的结算制度、不停车收费系统 电磁兼容性验收规范) ，并在4 个省、市进行示范工程。 目前，国内不停车收费系统正处于一个从探索到试点的重要发展时期。在 1 9 9 8 2 0 0 3 年期间，我国的i t s 研究和e t c 研究都取得了很大的进展。在高速 公路上采用不停车收费系统从广东开始，全国许多省市陆续都应用了不停车收费 系统，实践证明，这种不停车收费系统不但大大提高了运输效率，而且从技术上 防止了违纪的发生。 不停车收费系统目前在国际上用得很多，美国很早就致力于e t c 系统的研究 开发，从1 9 8 8 年美国l i n c o n 隧道首开e t c 系统以来，大量的不停车收费车道已 在美国国内的收费公路上开通，e t c 系统已经成为美国回收公路投资的有效手 段。 在日本e t c 系统发展相当快，现已在全国普及，日本的5 8 6 h z 系统成为国 际标准，这将为日本的e t c 业务扩展开辟更广阔的道路。 欧洲在e t c 方面起步更早，1 9 8 6 年挪威的b e r g e n 首次进行e t c 应用以来， 意大利、西班牙、英国、法国等国先后在国内开始了e t c 应用。欧洲计划在未 来几年内开发多国间统一的e t c 系统，取代现有的各国自成体系的收费站卡，以 期给欧洲的公路运输带来巨大的经济效益和综合社会效益。 1 2 不停车称重收费的依据和意义 由于汽车超限超载现象的普遍存在，对社会、环境、经济以及道路安全都造 3 郑州大学硕士研究生论文 成严重影响。作为遏制超限超载的一种手段，货运车辆经过收费站时，要对其进 行计重收费。 1 汽车超限超载的危害 目前，在全国范围内，普遍存在着汽车超载超限现象。所谓车辆超载，就是 指车辆运载的货物重量超过行驶证的核定载质量；而车辆超限是指车辆的轴载质 量、车货总质量或装载总尺寸超过国家规定的限值。 超载超限汽车无法达到正常行驶速度，长时间占用车道，直接影响公路运输 的通行效率。更为严重的是，汽车超载超限还导致公路损坏严重、交通事故频发、 养护费用增加、交通拥堵、环境污染等社会问题。 ( i ) 超限超载运输严重损害公路和桥梁 大量超过公路、桥梁限载标准的运输车辆在公路上行驶，致使公路严重损坏， 大大地缩短了其使用年限。 超限运输对桥梁的安全也构成了重大威胁。车辆严重超限，即使设计标准较 高的水泥混凝土桥梁也会产生桥梁挠度增大，水泥混凝土过早开裂，逐步引起钢 筋锈蚀，缩短桥梁寿命，在桥梁的薄弱环节如伸缩缝接口的钢材焊口开焊破坏、 桥头填土下沉产生桥头跳车，甚至还可能由于车辆荷载超过桥梁设计极限使桥梁 损毁崩塌。 ( 2 ) 超限运输车辆行驶公路严重影响交通安全 车辆严重超限，使车辆的技术状况大大降低，车辆的行驶稳定性、刹车性能、 悬挂承荷能力、转向可靠度趋差，轮胎爆胎可能性增大，极易引发交通安全事故。 另一方面，汽车长时间超负荷工作，磨损加剧，车辆使用寿命大大缩短。 ( 3 ) 超限运输严重扰乱运输市场秩序，引起恶性竞争 由于运输市场运力供大于求，竞争激烈。承运者为争揽货源，竟相降低运输 价格，以低运价吸引货主。为了弥补降价造成的经济损失，车主采用多装和逃避 交通规费的办法获得补偿，使运力过剩的矛盾更加突出，拉不到货的车主则以更 低的运价争揽货源，又以更多的超载来减少亏损。于是陷入一个“超载运力 过剩压价再超载”的循环往复的怪圈。部分汽车制造厂家为迎合市场， 非法生产“大吨小标”汽车和非法进行汽车改装，使超限超载运输呈规模化，迸 一步加剧超限超载运输。 乓 郑州大学硕士研究生论文 ( 4 ) 超限超载运输扰乱了国家养路费和路桥收费政策，制造新的不公平 由于所有公路收费都是按车辆核定的吨位收费，超限超载车辆装载量超过核 定的装载量，使平均每吨位实际交费额减少，降低了单位运输成本，这样，在同 样运价水平时，超限超载运输者就可获得比守法经营者更多的利润。对于国家来 讲，漏征了大量规费，对于遵纪守法的入来说，无疑是不公平的。 ( 5 ) 超限运输降低了公路的使用效率，污染环境 严重超限车辆一般车速都很低，有的不足4 0 k m h ，并且由于超限车的车体 大，影响后车通行，常常造成交通阻塞，使公路的使用效率大大降低。另外，超 限车辆由于荷载大，在起步、爬坡时大冒黑烟，造成路面和环境的污染。 2 不停车称重收费的必要性 由于车辆超限超载造成的种种弊端，必须对车辆超限超载进行治理，建立健 康、规范、公平、有序的道路运输市场，维持良好的车辆生产、使用秩序和道路 交通秩序，确保公路设施的完好和公路交通安全。 对车辆超限超载的治理工作需要从多方面着手。比如国家制定相应的法律法 规，从法律上限制超限超载；规范汽车厂家的生产，严格按国家新标准制造、销 售符合全行业法规标准的汽车；打击非法改装车量等等。 在高速公路收费站对货运车辆实行计重收费是治理超限超载现象的一种行 之有效的方法。现行的公路通行费征收办法和标准是以车辆行驶证的标定吨位为 计费依据，空车和重车实行同一收费标准，这在客观上造成了超限等于减费、 超限就是利润”的实际效果。因此，需要在高速公路的收费站对通过的货运车辆 实行计重收费。将汽车车型和汽车的载重进行比对，对空载或者载重小于标定吨 位一定比例的车辆减收通行费；而对超限超载车辆则加重收费，进行惩罚性的收 费，并要求其卸载转运。 同时，为了提高高速公路收费站的通行效率，要求系统在车辆行进过程中进 行计重收费，也就是不停车称重收费。 3 不停车称重收费系统的优点 作为不停车收费系统的一部分，不停车称重收费系统在兼有不停车收费系统 的优点以外，对车辆超限超载的检查和治理也有非常重要的作用。 在高速公路中使用不停车称重收费系统具有以下的优点： 郑州大学硕士研究生论文 有利于对超限超载车辆的科学管理 减少高速公路路面、桥梁的损坏，减少国家经济损失 提高交通流量、减少拥堵现象，降低运输成本 促进公路运输业以及汽车技术和汽车工业的健康发展 减少环境污染 易于与不停车收费系统相结合 1 3 汽车称重的发展 1 国内外不停车称重系统发展概况 从6 0 年代开始，经济发达国家就开始了动态称重设备的研究，尤其注重称 重传感器的研制，使其具有小型化、低成本、高精度的优点。其中德国和美国的 研究水平较高，德国p a t 公司生产的动态称重系统的动态精度为3 。美国纽约 州立大学的研究人员研制出在汽车时速高达8 8 k m ，路面应力达l o k g c m 的情况 下，其测量精度可保持在2 以内的动态称重系统。 最近几年，国内工业界对动态称重汽车衡的需求有了很大的增长，许多生产 厂家和公司都相继推出了自己的动态汽车衡产品，但由于汽车应用的灵活性，现 在的动态汽车衡产品对汽车车型和拖挂状态的适应性都非常有限。另外，严格说 来，国内现阶段的动态轨道衡和动态汽车衡只能算是准动态称重。国内研制出的 固定式车辆动态称重系统，轴重误差一般为( 5 一1 0 ) ，车辆通过衡器的规定速 度比较低( 一般在2 0 k m h 以下) ，在高速公路收费中不能满足要求，因此迫切 需要研制生产测量精度较高的动态称重系统。 1 9 9 6 年河南省首次采用公路车辆低速动态称重设备，安装在公路超限运输 车辆行驶的路段上，在取得明显效果的基础上，对称重设备进行了改造和完善。 1 9 9 8 年，省政府发布河南省人民政府关于加强超限运输车辆行驶公路管理的 通告之后，该系统在全省超限运输监控室推广使用。 2 汽车称重的分类 汽车称重方法主要分为静态称重方法和动态称重方法。 传统的汽车称重都是使用静态称重方法，使汽车停在秤台上进行称重。静态 称重方法的主要优点是测量精度高；它的缺点是测量速度慢，体积大，造价高。 6 郑州大学硕士研究生论文 这种方法只适用于对测量速度要求不高的情况。在高速公路收费中，如果使用静 态称重方法，速度远远不能满足要求，极容易造成收费站车辆拥堵，限制了高速 公路的通行速度。 汽车动态称重就是在车辆行进中对其进行称重。它的优点主要是测量速度 快，体积小，造价低：但是由于动态过程中的不确定因素增多。使得测量结果精 度较低，对测量结果的分析和处理比较困难。在高速公路收费中，为了提高收费 站的通行速度，要求汽车以尽可能快的速度通过称重系统而得到精度较高的车重 信息，就要使用动态称重方法。从前面的分析可知，动态称重方法主要需要解决 的问题是对动态称重过程的分析，以及对称重信号的处理和寻找优化算法。 1 4 课题的主要工作 不停车称重收费系统是一个复杂的系统，具有采集车重信息、存储、判断车 型、处理超限车辆信息以及收费等功能。 本课题主要完成的工作是动态称重系统的设计，包括以下几方面： ( 1 ) 进行整体设计。将系统按照实现的功能划分为不同的模块。 ( 2 ) 选择合适的称重传感器，制作称重秤台。 ( 3 ) 设计动态称重电路以及制作p c b 板。硬件电路主要完成数据采集、结果 显示以及与主机通信的功能。电路设计主要包括数据采集电路、l e d 显示电路以 及u s b 接口电路( 数据采集电路与p c 机的接口电路) 。 ( 4 ) 硬件电路的调试以及仿真调试。 使电路能够正确的完成各项功能。 ( 5 ) 对动态称重系统进行受力分析， 使用伟福仿真器对电路进行仿真调试， 建立动态称重系统的数学模型，得出一 个用a r 姒( 自回归滑动平均) 模型表示的快速对变系统。分析系统中的各种噪声 利用辨识算法进行在线递推辨识，计算出准确度较高的结果。 郑州大学硕士研究生论文 第2 章不停车称重收费系统整体设计 不停车称重收费系统通过在公路上设置的称重检测装置，对车辆重量检测及 超限车辆信息统计，判别车辆的超限超载情况。作为不停车收费系统的一部分， 不停车称重收费系统具有称重、收费以及判断和处理超限超载车辆信息的功能。 其中，动态称重系统是不停车称重收费系统的基础，在准确、快速的获得汽 车车重信息的前提下，才能对车辆是否超限超载进行正确的判断，并完成正确的 收费。我们课题的主要工作是对动态称重系统的设计和研究，本章主要对不停车 称重收费系统和动态称重系统的设计思想进行简单的介绍。 2 1 公路动态称重的设计思路 高速公路将逐步实行统一的车辆分类标准和收费标准。由按车辆吨( 座) 位 分类收费，改为按国际通行的做法，即按车头高度和车辆轮轴数分类收费。另外， 根据国家交通部规定，超载达到一定比例的车辆被列为“超限”车辆，具体分类 的依据是货车的轴数和轮胎个数。因此，不停车称重收费系统采用测量车辆轴重 的方法。一方面根据轴重计算出汽车的静态重量；另一方面，正确判别车辆轴数、 轮胎个数，以正确判断车辆是否超限超载。 动态称重( w e i g h t i n m o t i o n ) 系统简称w i m 系统，它是不停车称重收费系统 的重要组成部分。系统不需要汽车停车称重，只要汽车经过秤台，系统就可以实 现称重，具有隐蔽性、及时性和连续性的优点，其数据处理系统具有快速准确、 大容量储存以及可视化的特点。 2 1 1 动态称重方法 动态汽车称重的方法很多，从前面的介绍已经知道，判断汽车超限超载的依 据是货车的轴数和轮胎个数。因此，不停车称重收费系统都采用轴重称量的方法 计算汽车的静态重量，同时，可以正确判别车辆轴数、轮胎个数，以正确判断车 辆是否超限超载。所谓轴重称量，就是分别测出车辆各轴轴荷，再由测量系统计 算出整车重量。利用这种方法设计的地衡造价低、称重效率高。本文设计的车辆 动态称重系统就采用轴重称量的方法。 采用轴重( 荷) 称重方法不受车型的限制，可以对任何车型进行称重。但是 由于动态过程中车辆过秤时间短、外部干扰大以及传感器工艺限制等因素造成动 郑州大学硕士研究生论文 态称重测量精度低、测量速度慢。 由车辆动态称重所采用的方法，要求秤台的宽度不能太宽，使得同时压过秤 台的只能有一对车轮或者是双连轴及三连轴的车轮，台面下的称重传感器将感应 到的压力信号送入数据处理系统，计算出汽车每一对经过秤台的车轮对秤台的压 力，然后将测量所得数据进行叠加处理，就得到汽车的静态载重。 2 1 2 车辆分离和车速测量 由于车辆称重是通过轴重测量来实现的，因此有两个问题需要解决，一是如 何对车辆进行有效的分离，正确区分测量到的轴重信号是同一辆汽车的，还是不 同车辆的，可以进行正确的叠加；二是由于动态称重系统在车辆行驶中完成测量， 速度的大小会影响称重传感器的输出信号的形态，进而影响测量结果和测量精 度，故在处理测量数据时，要对车速进行处理，以消除车速对称重结果的影响。 因此就需要测量经过称重系统的车辆速度。 1 车辆分离 动态称重采用轴重测量的方法，要测出单轴的质量再进行叠加，得到车辆的 实际质量。因此系统需要识别测得的数据是否是同一辆车的轴重。 在收费站入口处安放地感线圈，当有物体从其上经过时，其电感发生改变； 当没有物体无经过时，电感不会改变。当单车、半挂车以及全挂车经过时，由于 挂车之间也有连接，因此，连接部分经过时，地感线圈电感仍然会发生改变，只 要地感线圈的电感持续变化，系统就认为是同一辆车经过收费站。同时，在路侧 安装红外光栅分车器，它能消除跟车现象，将半挂车、全挂车、单车可靠分离。 这两者结合，保证了称重检测数据与车辆的一一对应关系，不会出现由于误 判而产生多车或少车现象。 2 车速测量 在车道入口处埋入地感线圈，当车辆进入车道时，地感线圈感应到车辆进入， 车辆检测器向主机发送信号，通知主机有车辆进入车道，同时主机开始计时。在 秤台前方也埋入地感线圈，感应车辆到达，车辆检测器向主机发送信号使主机停 止计时，测得汽车从第一个地感线圈到第二个地感线圈的时间。两个地感线圈的 距离已知，就很容易得到车辆的精确的速度。 郑州大学硕士研究生论文 2 l3 动态称重设计思路 动态称重系统由称重传感器、秤台台面、数据采集转换电路、车速采集系 统、待称量物以及主机组成。如图2 1 所示，是不停车称重的设计框图。 车辆经过秤台时，车轴对秤台的压力信号由称重传感器输出毫伏级的模拟信 号，该模拟信号经运算放大器放大后送a d 转换器，将模拟信号转换成数字信号。 数字信号送入单片机，经过简单的处理，通过接口电路送入主机，结合检测系统 送入主机的车长车速信息，利用优化算法对数据进行处理，得到车轴静态时的轴 重。最后根据轴重计算出车辆的静态载荷。 图2 1 动态称重设计框图 2 2 不停车称重收费系统简介 不停车称重收费系统主要包括以下几部分：车辆分离系统、轮轴识别系统、 车型识别系统、称重系统、中央控制系统。各部分之间的关系如图2 2 所示。 图2 2 不停车称重收费系统简图 各部分功能如下： 车辆分离系统：自动检测车辆的开始和结束，实现车辆的自动分离功能。 轮轴识别系统：主要完成对车辆轮胎数量的检测、轮轴数量和轮距的检测。 l o 郑州大学硕士研究生论文 结合车型识别系统正确的判断车辆类型。 车型识别系统：主要完成对车辆车型的检测，车辆类型和该类型车辆超限限 值是一一对应的。比较该限值同实测车辆总重量，就可以知道车载是否超限，以 及超限的重量。 称重系统：称重系统由称重台、称重传感器和u d 转换系统组成。传感器 采用高精度应变式传感器，工作可靠。a j d 转换系统进行数据采集，并将模拟信 号转换成数字信号，输入中央控制系统。 中央控制系统：是整个系统的核心控制件，本系统使用的通信接口是u s b 接口技术。数据库中存有所有注册车辆的基本信息，如车主、车牌号、车型、车 重等。中央控制系统配合其它功能系统完成车辆分离、车型判别、车辆重量称量、 超限判别及超限报警、超限重量计算、按车载重量计费等功能。 另外，系统还包括一些其它的辅助功能：超重报警器、打印机、大屏幕显示 车辆重量、通行信号指示灯等等。中央控制系统是系统核心，称重、车型识别、 车辆分离以及车辆图片数据信息送入中央控制系统，在此处各类信息经过分析处 理，完成称重、收费、车辆超限超载判别等功能以及其他的辅助功能。 2 3 称重系统分析 2 3 1 轴重信号分析 图2 。3 和2 4 为小车以不同速度通过称重系统时，采集的轴重信号。 o5 加i u t 鲁序爿-欺莽市列 图2 3 车速为0 5 m s 的轴重信号 图2 4 车速为2 5 m s 的轴重信号 分析圈2 3 和图2 4 可的到以下结论： ( 1 ) 车辆轴重信号与车速有关。车速越高，轴重信号上升段就越陡峭，上升段 终值偏离轮重真实值越远。 置 l l 玑 札舡 l 0 0 o 郑州大学硕士研究生论文 ( 2 )车辆轴( 轮) 重信号上升段呈线性形状。 ( 3 ) 当车辆离开秤台后，称重传感器受到的压力突然消失，会输出一个反方 的电压信号。 ( 4 ) 正确地建立动态称重系统的模型，解决轴重信号和车辆通过系统的速度 之间的关系，是正确测量的关键。 2 。3 。2 称重系统的干扰 干扰是指各种干扰信号或噪声对有用信号的不良作用，包括各设备间的相互 影响。作为一个实用的系统，要保证它的可靠性，工作环境是必须考虑的，从硬 件、软件方面增加抗干扰措施，使之适应硬件、软件工作环境。 1 振动引起的误差 在动态称重过程中，称重系统受到各种振动的影响。称重中的振动主要有以 下三方面： 1 由车辆自身的各种因素引起的振动； 2 由路面不平造成的振动； 3 由车辆与地表耦合而产生的振动。 首先对于秤台固有振动的影响，可采用高刚性称重台，以提高其固有频率； 另外，我们将秤体设计成铰链结构，同样可以提高秤体的有频率。还可采用防冲 击减振装置，抑制机动车动态称重对，冲击力引起的称重传感器输出波形的不规 则振荡，减小称重秤上平台在竖直方向受到的、除机动车重量以外的阻力，消除 冲击力对传感器产生的横向效应。 另外，对于来自车辆振动的影响，可以通过软件对称重信号进行处理，来提 高测量准确度。对a d 转换的采样数据用数字滤波方法处理，减少动态秤量中的 冲击、振动等因素对采样的干扰。 2 系统的温漂误差 由于系统的一部分设备置于在室外，必然受到温度的影响。我国的大部分地 区冬夏温差很大，甚至中午和夜间的温度也会有较大的差异，因此系统的温漂就 是一个需要解决的问题。我们可以采取动态标零的办法来消除温漂引起的误差， 即汽车进入车道后，在进行称重之前，首先对空台进行计量，并将此值作为秤台 郑卅【大学硕士研究生论文 的零值。 2 4 动态称重系统的要求 动态称重系统的速度和准确度主要由以下几个方面决定：一是称重传感器的 选择，称重传感器的性能指标直接决定了称重的速度、精度：二是称重电路的设 计，电路的稳定性、a d 转换的精度和速度都要有较高的要求；三是建立正确的 数学模型，寻找合适的算法对数据进行处理。 从发展的角度看，动态称重电子衡器应该在以下几个方面有所进展： ( 1 ) 彻底消除误判和漏检的可能性 ( 2 ) 过衡速度进一步提高 ( 3 ) 动态称重准确度突破0 1 ( 4 ) 尽量减小占地面积、工程造价和安装要求 ( 5 ) 简化结构，无需特别设计秤台基础 这几个方面的目标也是我们研究的动态称重系统期望达到的目标。 郑州大学硕士研冗生论文 第3 章硬件系统的设计 对于一个系统而言，硬件是其最基本的框架，是系统的所有功能的基础。硬 件的选择及其性能的好坏对系统功能的实现和系统的精度都有直接影响。称重系 统的硬件系统设计主要包括以下两方面：称重传感器选择以及称重电路的设计。 称重电路的设计又包括以下几部分：数据采集电路、l e d 数码管显示电路、接口 电路设计( 本系统使用的是u s b 接口电路，在第四章中单独讨论) 。 3 1 称重传感器的选择 称重传感器是电子称重系统的心脏部件，它将非电量的质量信号转变为可测 量的电信号输出。它为系统提供通过秤台车辆重量的最原始的信息，其性能在很 大程度上决定了电子衡器的计量精度和稳定性。 称重传感器的种类繁多，分类方式也千差万别。根据工作原理来分类，称重 传感器主要有以下几种：电阻应变式、差动变压式、电容式、压磁式、压电式、 振弦式等。 基于不停车收费系统的动态称重工作环境在室外，工作环境恶劣；此外动态 称重系统也要求传感器要精度高、速度快、频率响应好、长期性能稳定。基于以 上的原因，从准确度、经济性、使用性等方面综合考虑，我们选择使用电阻应变 式称重传感器。 电阻应变式传感器具有以下特点：精度高，测量范围广；使用寿命长， 性能稳定可靠；可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、潮湿等恶劣环 境正常工作；结构简单，体积小，重量轻；价格便宜，品种多样，便于选择 和大量使用；频率响应较好，即可用于静态测量又可用于动态测量。 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体( 弹性元件，敏感粱) 在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片( 转换元件) 也随同 产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化( 增大或减小) ，再经相应 的测量电路把这一电阻变化转换为电信号( 电压或电流) ，从而完成了将外力变 换为电信号的过程。 我们选择的是宇航传感器公司的传感器，其主要技术指标如下： 非线性度 o 0 5 灵敏度1 2 m v v 郑州大学硕士研究生论文 重复性 0 0 1 f s 滞后效应 1 0 6 q 输入电阻3 8 0 0 2 0 q ，输出电阻3 5 0 0 1 0 q 工作温度范围1 0 0 c 一十5 0 c 供桥电压：4 2 4 v 3 2 数据采集电路设计 数据采集电路的主要功能是将传感器输出的电压信号进行放大处理后，再送 入模数转换器进行模数转换，再将转换后的数字信号送入微处理器进行处理。因 此，数据采集电路部分主要包括两方面：输入信号的放大，以及放大后模拟信号 的数字转换。 1 器件选择： 在硬件电路设计之前，首先要对需要用到的芯片进行选型。 ( 1 ) 放大器： 传感器的输出是一个毫伏级的模拟信号，因此在进行模数转换之前，需要经 过运算放大器进行放大。为了得到精确的放大倍数及最低限度的零点漂移，放大 器采用了高精度、超低漂移的运算放大器0 p 0 7 。 ( 2 ) a d 转换器； 采集上来的模拟信号要进入单片机进行处理前，需要转换成数字信号。综合 考虑系统对转换精度与转换速度的要求，我们选择a d 5 7 4 模数转换器来完成模数 转换的工作。 a d 5 7 4 a 是美国模拟数字公司( a n a l o g ) 推出的单片高速1 2 位逐次比较型a d 转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低， 精度高等特点。并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的电阻电 容元件即可构成一个完整的a d 转换器。其主要功能特性如下： 哮非线性误差：小于1 2 l b s 或1 l b s ： 哮有参考电压基准和时钟电路，不需外部时钟就可以工作； 啼转换速率高，1 2 位转换2 5 | ls ，8 位转换1 6 us ： 模拟电压输入范围为o 一1 0 v 和o _ _ 2 0 v ，o 一5 v 和0 一i o v 两档四种： 1 6 邦州大学硕士研究生论文 幸数据输出格式分为1 2 位和8 位两种。 ( 3 ) 微处理器： 由于u s b 接口程序所需程序空间比较大，要求微处理器包含比较大的内部程 序存储器空间。p h l i p s 公司生产的p 8 9 c 5 8 x 2 单片机内部含有3 2 k 字节的f l a s h 程序存储器和2 5 6 字节的r a m 。可以满足设计要求。所以我们选择p 8 9 c 5 8 x 2 作 为系统微处理器。 p 8 9 c 5 8 x 2 是一款低功耗、高性能的8 位微处理器，采用先进的c m o s 工艺制 造，指令系统与8 0 5 1 完全相同。它包含3 2 k 字节的f l a s he p r o m 和2 5 6 字节的 r a m 、3 2 条i o 口线、3 个1 6 位定时计数器、6 输入4 优先级嵌套中断结构、 一个串行i o 口( 可用于多机通信、i o 扩展或全双工u a r t ) 以及片内振荡器和 时钟电路。 p 8 9 c 5 8 x 2 的特性如下： 采用静态设计，可提供很宽的操作频率范围( 频率可降至o ) 。 片内含3 2 k 字节f l a s h 程序存储器，可擦除和编程1 0 0 0 0 次以上。可编程 加密位，数据保存可达l o 年以上。 存储器的寻址范围可达到6 4 k 字节r a m 和6 4 k 字节r o m 。 工作速度可达到3 3 m i j z 。 电源控制模式：可实现两个由软件选择的节电模式( 空闲模式以及掉电模 式) 。 2 采集电路设计 如图3 1 所示为a d 5 7 4 与p 8 9 c 5 8 x 2 的接口电路。a d 5 7 4 采用一5 v + 5 v 双极 性输入方式，2 脚直接接地，转换结果为1 2 位数据，分两次输出转换结果。3 、 4 、5 、6 脚分别接至单片机p 2 5 、p 1 3 、p 1 4 、p 1 5 ，用于控制a d 5 7 4 a 的工作 过程。a d 5 7 4 状态脚( s t a t u s ) 接单片机p 1 0 ，当单片机p 1 0 查询到s t s 端送 出的转换结束信号后，先将转换后的1 2 位a d 数据的高8 位读入单片机，然后 再将低4 位读入单片机。与a d 5 7 4 的1 2 脚和1 0 脚相接的两个1 0 0 0 的电位器 分别用于零点调整和满刻度调整( 增益调整) ，具体的调整方法是： 1 6 郑州大学硕士研究生论文 l 帅u p ，1 6 v 图3 i 数据采集电路图 零点调整：调整r p 2 使得输入模拟电压从一5 v 变化至l j - 4 9 9 8 8 v ( 即输入电 压变化i 2 l s b ) 时，输出数字量从0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 变化到0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 。 满刻度调整( 增益调整) ：调整r p l 使得输入模拟电压从+ 4 9 9 8 8 v 变化 到+ 5 v ( 即输入电压变化1 2 l s b ) ，输出数字量从1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 变化到 1 l l l l l l l l l l l 。 a d 5 7 4 的数据输出线与单片机数据总线的连接方式：将高8 位d b 4 d b il 接 到数据总线的d o - - d 7 ，低4 位d b o d b 3 接到数据总线的高4 位d 4 d 7 。 a d 5 7 4 的次转换过程通常需要外部的一个启动操作命令和一个读操作命 令。启动命令使a d 5 7 4 内部控制逻辑初始化，开始一次逐次逼近过程，此时s t s 为高电平，向外部指示转换正在进行中。转换结束后，s t s 变为低电平，当外部 检测到s t s 为低，就可以执行读数据操作命令，这是a d 5 7 4 的输出三态缓冲器打 开，转换结果被送到数据总线上。 a d 转换程序主要有三大块组成： a d 转换器启动程序； 查询等待转换结束程序； 读取转换结果程序。 中断服务程序代码如下： u i n ta d _ s a m p l e ( v o i d ) f 郑州大学硕士研究生论文 u i n tt e m p ： a c s = o ； p 2 = o x d o ； r c - - 0 ： a o = o ：l l a o 为0 按1 2 位转换，2 5 u s c e = i ： w h i l e ( s t s ) ： a o = o ： r c = i ； h i s a m p l e l = p o ： a o = i ： l o w s a m p l e 2 = p o ： c e = o ： a c s = i ： p 2 =