（电气工程专业论文）一种基于无线通信方式的电容式称重系统设计.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，o v e r l o a d i n gp h e n o m e n o nf o rv e h i c l e so fr o a dt r a n s p o r ti s e x t r e m e l yc o m m o n i ns e r i o u sa r e a s ，t h e r ee x i s td i f f e r e n td e g r e e so fo v e r l o a d i n g b e h a v i o r sf o ra l m o s ta 1 1t h ev e h i c l e s o v e r l o a d i n gs h i p p i n gc a nc a u s eg r e a td a n g e rt o t r a f f i cs a f e t y , t r a n s p o r tm a r k e te t c a tp r e s e n t ，t h ec h i n e s er o a dd e p a r t m e n tg o v e r n o v e r l o a d i n gc o m p l e t e l yb yu s i n ge l e c t r i cw e i g h b r i d g ea n dd y n a m i ca x l e l o a d d e t e c t i o ni n s t r u m e n t ，t h ep r i c e so ft h e s ed e v i c e sa r eh i g h ，a n dt h e yh a v ec o m p l e x i n s t r u c t u r e ，r e l a t i v ef i x e da n dl i m i t e di n s t a l l a t i o ns i t e ，a n dt h ee r r o ro fd y n a m i c w e i g h i n gi sl a r g e t h e r e f o r ed e s i g n i n ga ne a s ya n de f f e c t i v ei n - v e h i c l ew e i g h i n g d e v i c e sa r eo fh i g h e ra c a d e m i cv a l u ea n da p p l i c a t i o nv a l u e i nv i e wo ft h ed e f i c i e c yo fw e i g h i n gm e t h o d s ，w ed e v e l o pa ni n v e h i c l e w e i g h i n gd e v i c eb a s e do nc a p a c i t a n c es e n s o ri nt h i sp a p e r ，a n dw h e nl o a d se x c e e d r a t i n g s ，i t c u t so f fv e h i c l ei g n i t i o ns y s t e ma u t o m a t i c a l l y , w h i c hf u n d a m e n t a l l y s o l v i n gt h ep r o b l e mo fo v e r l o a d i n g t h i ss y s t e ma d o p t sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s m o d e ，u s i n g8 9 c 5 2s i n g l - e c h i p ，w i r e l e s st r a n s c e i v e rc h i pn r f 4 0 1t om a n u f a c t u r e h a n d h e l di n s t r u m e n t ，w h i c hr e a l i z e sd a t ac o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nm u l t i m a c h i n e s r o a dm a n a g e r sc a no b t a i nr e a l t i m el o a d i n gi n f o r m a t i o no fv e h i c l e s ，s oa st or e s t r a i n t h eo v e r l o a d i n gp h e n o m e n o n i nt h i sa r t i c l e ，w eb e g i nw i t ht h ec o o r d i n a t i o np r i n c i p l eb e t w e e nh o s ta n ds l a v e m a c h i n e ，d i s c u s sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d o f c a p a c i t i v e d e t e c t i o ns y s t e mf o rv e h i c l e sl o a d i n gi nd e t a i l f i r s t l y , w ed e s i g nt h e w h o l es t r u c t u r eo ft h ew h o l es y s t e m ，a n dt h e ni n t r o d u c e8 9 c 5 2s i n g l - e c h i p ，w i r e l e s s t r a n s c e i v e rc h i pn r f 4 0 1 t h e yc o m p s o s eh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do nm o d u l ed e s i g n i n8 9 c 5 2 s i n g l e c h i p ，w i r e l e s st r a n s c e i v e rc h i pn r f 4 01 ，a n da d o p tac o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lf r o mt h es o f t w a r eo ns y s t e md e s i g n ，r e d u c eb i te r r o rr a t ee f f e c t i v e l y f i n a l l y , w ec a r r yo nt h et e s ta n de x p e r i m e n to ft h es y s t e ma saw h o l e i nl i g h to fe x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i s ，w ek n o wt h a tt h es y s t e ma d o p t sas e r i a l l i n kc i r c u i tc i r c u i td e s i g n i ti ss i m p l ea n dp r a c t i c a lf o rt h i sd e s i g n ，a n di tc a ns o l v e c o m m u n i c a t i o np r o b l e m sb e t w e e nm u l t i - m a c h i n e s ，i m p r o v ed a t at r a n s m i s s i o ns p e e d a n dr e l i a b i l i t y , a d o p tac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt or e d u c e sb i te r r o rr a t ee f f e c t i v e l y , i m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ew h o l es y s t e m t h ew h o l es y s t e mi so fm a n ya d v a n t a g e s s u c ha ss i m p l ed e s i g n ，h i g hd a t at r a n s f e rr a t e ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o ne t c ，w h i c h c a nb a s i c a l l ym e e tc o n t r o lr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：n r f 4 0 1c h i p s ，m c u ，w e i g h i n gd e v i c e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将 本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密。 学位论文作者签名：萤l 舍 础年f1 月7 日 指导教师签名： 星衔 l 刀菇年月，7 日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：史仓 e l 期：知略年1 月7e t 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 本课题研究的背景 第一章绪论弟一早三百t 匕 近年来，我国道路运输车辆超载现象比较普遍。车辆超载运输对交通安全、 运输市场及汽车生产秩序造成了极大危害【l 】。一是诱发了大量道路交通安全事 故。据统计，7 0 的道路安全事故是由于车辆超载引发的，5 0 的群死群伤性 重特大道路交通事故与超载有直接关系，车辆超载运输给人民生命财产造成了 巨大损失。二是严重损坏了公路基础设施。全国公路每年因车辆超载造成的损 失超过3 0 0 亿元【2 】，给国家财产造成了巨额损失。三是导致了道路运输市场的 恶性竞争。以竞相压价承揽货源，以超载来获取利润，超的越多，赚的越多， 形成了“压价一超载一运力过剩一再超载”的恶性循环。四是造成车辆“大吨 小标 泛滥。为迎合车辆超载运输的需求，一些汽车生产厂商竞相生产“大吨 小标”车，一些汽车改装厂和修理厂也纷纷非法改装车辆，影响了汽车工业的 健康发展。上述问题说明，车辆超载运输造成道路运输市场扭曲，诚信水准下 降，严重损害了统一开放、竞争有序的市场秩序，阻碍了现代道路运输市场体 系的建立和完善，破坏了正常的社会经济秩序，也严重危及国家和人民的生命 财产安全。 公路运输车辆的日益重型化以及普遍存在的载货汽车超载现象，给公路、 桥梁带来了严重的影响【3 j 。具体体现在以下几点： ( 1 ) 超载严重危害公路的正常使用 我国目前道路结构大多为等级偏低的半刚性基层路面，运输车辆类型繁多， 轴载变化很大，因超载系数不断上升，有小马拉大车之势。这种局面严重影响 了路面的使用质量，最终导致路面的早期破坏。据河北省初步调查，超载车辆 占满载车辆的约有8 0 ，超载吨位一般为吨位的6 0 1 0 0 ，由此造成路面坑 槽成串，严重龟裂成片，翻浆、沉陷严重，给公路养护工作造成相当的难度。 我国规范规定，柔性路面理论上重车轴载使路面达到标准轴载同等损害程度时， 相应的等效换算系数大致为轴载比四次方的关系，即重量增加1 倍，破坏系数 江苏大学工程硕士学位论文 将增加1 6 倍。假如有新建公路，建成年有1 0 0 0 辆日黄河j n l 5 0 型汽车通过， 设计年限为1 5 年，如果实际使用时通过的黄河j n l 5 0 型汽车平均超载6 0 ， 经核算实际使用年限仅为6 3 年，道路使用年限将缩短一半以上；在实际车辆 行驶时，还有超载1 0 0 或1 5 0 的车辆，故真正的使用年限还可能更短。因此， 加强对超载运输的管理，必要从交通轴载调查入手，完善交通调查方式、方法。 ( 2 ) 超载严重危害桥梁的正常使用 超载车辆在严重危害公路正常使用的同时，也同样危害着桥梁的正常使用： 我国桥梁设计载荷标准，2 0 世纪7 0 年代大体为汽车一1 5 级，以后提高到汽车 - - 2 0 级，目前干道上少数桥梁的载荷标准为汽车超2 0 级，仍以正常的黄河j n l 5 0 型车为例：总重1 5 t ，后轴重约1 0 0 k n ，合乎汽车- - 2 0 级标准( 后轴载荷1 3 0 k n ) ， 如果超载1 0 0 ，后轴重1 5 5 k n ，将大于汽车- - 2 0 级的重车标准( 后轴载荷 1 4 0 k n ) ；如果是斯泰尔汽车主轴加挂车超载后可达8 0 - - 一9 7 t ，而且成系列行驶， 间距很小，则汽车- - 2 0 级的桥梁也难以承受。2 0 世纪7 0 年代以前修建的旧桥 标准偏低以及桥龄较长则更容易出现问题。 由于车辆超限运输，对路面的正常使用造成了严重影响：桥头跳车、路基 不均匀沉降、沥青路面早期损坏、水泥混凝土路面断裂破损等病害。超限运输， 使公路设施的破坏加剧，公路维护费用剧增。据北京市交管局统计，仅2 0 0 4 年 以来超载车辆就损坏本市公路路面2 0 4 x 1 0 6 k m 2 ，损坏桥梁2 8 2 座，1 7 x 1 0 5 m 2 ， 两项合计直接经济损失达7 6 亿元，间接损失更为严重。 ( 3 ) 超载易造成交通事故 由于车辆严重超限，经常出现爆胎、半轴或悬挂处断裂等引发交通事故， 尤其是很容易造成车辆制动、动力和传动系统的机械性能下降致使操纵失控， 特别是遇有紧急情况，更容易发生交通事故，造成了大量的生命财产损失。 ( 4 ) 超载超限阻碍先进运输方式的发展 超载超限运输是在一种完全扭曲不合理的市场状态下形成的，这种建立在 低价格、低成本、粗放型、低服务水平基础上的运输，阻碍了先进运输生产方 式的发展。公路货物运输组织具有点多面广、门到门等优势，通过网络化、规 模化的运输组织完全可以达到降低运输成本，提高企业经济效益的目的。 ( 5 ) 超载超限扰乱了运输市场的正常秩序 2 江苏大学工程硕士学位论文 超载超限运输扰乱了运输市场的j 下常秩序，使原来守法的运输经营者看到 不合法的经营能赚到利润，也采取效仿的办法，使市场更加的无序。从汽车工 业来看，超载超限的形势也严重影响了汽车工业的健康发展，据统计，我国货 车的种类多达几万种，这意味着货运车量规模化生产程度十分低下，同时也说 明汽车改装市场之大，其中有相当大的部分是与超载超限有关联的。 ( 6 ) 超载超限造成了对环境的污染 由于超载产生了大量的废气排放，在高速公路上经常可以看到冒着黑烟、 车身被压得变了形的车辆在慢速行驶，严重污染了大气，影响了道路的通行能 力。总之，车辆超限超载运输对交通安全、运输市场及汽车生产秩序造成了极 大危害，诱发交通事故，严重破坏公路基础设施，据统计全国每年因车辆超载 造成的损失超过3 0 0 亿。因此，从满足社会公众利益的角度来保证运输的安全， 减少超载超限引起的恶性交通事故和对公共社会带来的危害。 道路运输车辆超载的危害性，引起了党中央、国务院的高度重视。2 0 0 0 年 国家发布了控制超载的关于加强对机动车超载违章管理的通知( 公交管i - 2 0 0 0 6 6 号) 。2 0 0 3 年1 2 月，温家宝总理在交通部上报的关于加强车辆超限超载 治理工作的报告上作出了“要治理就要坚决治好，不能半途而废”的重要批 示。去年由交通部、公安部、国家发展改革委、国家质检总局、国家工商总局、 国务院法制办、国家安监局等七部委联合制定了关于在全国丌展车辆超限超 载治理工作的实施方案。 根据形势需要，应设计出一种简便的车辆载荷检测装置，以有效地控制车 辆超载。车辆载荷检测装置的核心是安装在车辆上的电容称重传感器，而该类 传感器性能研究是问题的关键。而无线传输的重要性在车辆载荷检测中也尤为 重要。 1 1 1 国内车辆载荷检测现状 目前，我国公路部门治理车辆超载完全靠称重的方法【4 。8 j 。称重的器具分为 固定式和便携式两种。固定式有电子地磅( 电子汽车衡) 和计重收费系统两种。 电子地磅主要用于普通公路上设的车辆超载检查站。稽查人员一般根据目测预 江苏大学工程硕士学位论文 判车辆是否超载，勒令可疑车辆驶入路边的检查站，用电子地磅静态称量车辆 重量，以判断车辆是否超载。该方法存在以下弊端：( 1 ) 须拦截车辆，令其驶 上称台，不仅其效率低，而且影响其他车辆的行驶和道路畅通，并有可能诱发 交通事故，危及稽查人员的人身安全。( 2 ) 由于主干道上没有称重装置，有时 会造成超载汽车逃避检查。( 3 ) 检测系统结构大、质量重、无法携带且安装不 方便。 我国的高速公路上主要采用计重收费系统检测车辆重量【9 。1 。这种装置由 动态轴重仪和红外线车辆分离器组成，其中轴重仪检测车辆的每根轴重，红外 线分离出每一辆车，计算机计算出该车的重量。动态轴重仪安装时需要在路面 上挖坑，埋设在收费站车道上【1 2 】，费工又破坏了路面；红外线车辆分离器安装 在车道两侧，实践证明冬天温度较低时，分离器玻璃表面结霜，影响红外线的 发射和接收，无法正确分离车辆，因而也就造成装置不能正常工作；由于轴重 仪的工作台面小，不可能同时称出整车所有轮的重量，因而也就不能做到不停 车称量。 便携式动态轴重检测仪由稽查人员临时将取样用的感应器放在车辆经过的 车道上，车轮从感应器上轧过时，计量出轮重，整车所有轮重之和即为车重。 这种设备携带方便，但它也有如下不足：( 1 ) 被称重车辆将到来时，稽查人员 匆忙将感应器放在车轮下，容易出安全事故。( 2 ) 由于感应器放置得匆忙，感 应器的面积又较小，位置可能会与车轮对不正，造成计量结果偏低。( 3 ) 部分 产品的感应器只有一个，实际只称出单侧轮重，当车辆货物装偏时，计量结果 会有较大误差。( 4 ) 正常工作时，被检测车辆的车速要低于5 k m h ，实际检测 完一辆车最快也需5 m i n ，工作效率低，车辆较多时会造成堵车。( 5 ) 也不能做 到不停车称量。 上述称重装置都采用电阻应变式称重传感器，电阻应变片粘贴在弹性体的 表面，长期工作后弹性体的刚度降低，会造成计量值偏耐1 3 , 1 4 】。由于这些称重 装置的体积庞大，结构复杂，造成价格偏高，一套高速公路车道用计重收费系 统约需5 0 万元。 4 江 苏大学工程硕士学位论文 1 1 2 国外车辆载荷检测现状 发达国家车辆超载现象比较少，他们的车辆称重装置的应用也较少。英国 和美国有一些公司生产车辆称重产品【1 5 。2 2 1 ，其他国家相对较少【2 3 。2 5 】。他们的产 品大多为电子地磅和便携式动态轴重检测仪，适用于在固定的检测站进行测量 检测，很少有用于公路计重收费系统的动态轴重仪。他们用的传感器也大都与 国内相同，为电阻应变式传感器【2 2 1 。目前国外最先进的检测方法是瑞士k i s t l e r 有限公司的动态称重系统( w w w k i s t l e r c o m ) ，它只适用于在大型检测站进行 固定安装检测，并且采用石英晶体传感器，不仅价格昂贵，而且无法进行静态 和准静态称重测量。 国外车辆称重装置的应用目的与我国不同。我国主要用来检测、限制、惩 罚超载车辆，而他们大多数只是用来测量车辆所装货物的质量。 1 2 本课题研究的意义和内容 1 2 1 本课题研究的意义 杜绝超载的根本措施是自动限制，超过车辆的载荷限额，将自动断开油路 或电路。这就从根本上解决了超载问题。 目前我国采用的电子地磅和计重收费系统体积庞大，结构复杂，价格昂贵， 安装地点相对固定并且有限，并不能有效地制止超载现象。 本项目的车辆限载器的安装和使用方法与现有装置截然不同，它的主体部 分安装在车辆上，可以象速度里程表、燃油表、机油压力表和水温表等仪表一 样作为车辆的必备仪表，而不用安装或放置在公路上，使用方便，司机随时可 以知道车辆载荷值，当载荷超过额定值时，自动切断车辆点火系统，使得车辆 无法上路，将事故消灭在萌芽状态。执法人员手持检测仪可以对车辆进行载荷 测量，既安全又方便。如果国家权威部门能规定行驶在中国境内的所有车辆都 装上这类限载器，并将其可靠地密封起来，非执法人员无法自行调整修改其性 能参数，将可以有效地制止超载现象发生。 利用电容称重传感器，可方便面地实现车辆载荷测量，以有效地控制车辆 5 江 苏大学工程硕士学位论文 超载。利用电容称重传感器进行车辆称重，特别是动态称重，目前国内外还是 空白，研究学术价值较高。 该装置每套的成本不足百元，相对于车辆约几十万元的价格来说是微不足 道的，但它的安装使用却能使得全国每年由超载造成的3 0 0 亿元经济损失大幅 度减少，社会经济效益非常可观。 1 2 2 本课题研究的内容 本文将着重从以下几方面讲述电容式车辆称重装置的无线通信： 第一章：绪论 。 第二章：电容式车辆称重装置概述 第三章：本课题的硬件设计 第四章：本课题的软件设计 第五章：一点对多点的无线通信 第六章：结论与展望 6 江苏大学工程硕士学位论文 第二章电容式车辆称重装置概述 2 1 车辆称重装置 车辆电容称重装置安装在被测车辆上。称重装置的核心器件是电容称重传 感器，将载荷变化转变为电容值的变化，根据电容的变化值得到载荷值。一 车辆有前后两根轮轴，电路框图见图2 1 【1 1 。 前轴传感器屏蔽板 因 图2 1 车辆限载装置电路框图 前后传感器将载荷的变化转变为电容的变化；电容测量电路将电容值转换为 电压值；单片机将传感器输出的电压值进行a d 转换，并将数据运算处理后，将 整车载荷值送给数字显示器；当车辆载荷超载时，输出去点火控制信号。 2 1 1 电容式车辆称重装置的设计 针对目前车辆称重方法的不足，开发了基于电容式车辆称重装置的设计，此 装置安装在被检测的车辆上，可静态、也可动态地检测车辆载荷质量，不受场所 地点限制，必须另加专用弹性体，结构简单。电容极板密封在绝缘材料内，具有 不变形、不磨损、不锈蚀及寿命长等优点。 此装置采用了电容称重传感器的车辆载荷检测系统，它由车载称重装置和 7 江 苏大学工程硕士学位论文 手持仪器两部分组成。传感器的安装如图2 2 川所示。其中各部分的含义为：l 一车架；2 一电容上极板部件；3 一钢板弹簧；4 一电容下极板部件；5 一轮轴。 图2 2 车载式电容称重传感器安装 电容上极板部件中包括电容上极板和上屏蔽板，安装在车架下部，左右居 中；电容下极板部件包括电容下极板和下屏蔽板，安装在轮轴中部的上方，电 容两极板面相对且上下对正。屏蔽板接电容测量线路的地。车辆的每根轮轴上 方均安装一套电容传感器。 在载荷作用下，汽车的缓冲减振机构( 钢板弹簧) 产生变形，电容传感器 两极板问的距离d 发生变化，传感器的电容值也随之变化。预先标定出传感器 电路输出电压值与该轮轴载荷值之间的关系，以后就可以根据各轮轴传感器电 路的电压值得到该轮轴的载荷质量。将各轮轴的载荷质量相加，可以得到整车 载荷质量 2 6 , 2 7 , 2 8 】。 传感器利用车辆本身钢板弹簧的变形检测车辆载荷，司机能由安装在驾驶 室内的显示器随时知道车辆载荷值，同时稽查人员可以利用手持仪器与车载式 载荷检测装置进行无线通信，获得车辆的载荷信息。与传统的称重方法相比， 采用具有无线通信功能的电容式车辆载荷检测装置具有更大的优越性。 目前国内微机网络多为有线通信方式，有线通信的优点是数据传输可靠性 高，但需要铺设较多明线，而有些领域由于条件所限，难以铺设线路，这时就 需要无线通信来解决问题，本系统利用n r f 4 0 1 无线收发芯片成功实现了计算 机与多台单片机以无线方式通信。它的主体部分安装在车辆上，可以象速度里 8 江苏大学工程硕士学位论文 程表、燃油表、机油压力表和水温表等仪表一样作为车辆的必备仪表，而不用 安装或放置在公路上，使用方便，司机随时可以知道车辆载荷值，当载荷超过 额定值时，自动切断车辆点火系统，使得车辆无法上路，将事故消灭在萌芽状 态。执法人员手持检测仪可以对车辆进行载荷测量，既安全又方便。如果国家 权威部门能规定行驶在中国境内的所有车辆都装上这类限载器，并将其可靠地 密封起来，非执法人员无法自行调整修改其性能参数，将可以有效地制止超载 现象发生。利用电容称重传感器，可方便地实现车辆载荷测量，以有效地控制 车辆超载。利用电容称重传感器进行车辆称重，特别是动态称重。具有设计简 单、数据传输率高、能耗低等优点。 2 1 2 车辆载荷计算 车辆在静止或匀速行驶时，车辆载荷质量m l 可由下式算出： m l = n 1 + n 2 一m l( 2 一1 ) 式中：n 1 、n 2 为车辆前、后轮的约束反力，它们的大小与前后轮轴的钢 板弹簧的变形有关。将电容传感器的上下极板分别安装在车厢底与前后轮轴中 部之间，这样可以预先测定出各种n 1 、n 2 值和上、下极板间的距离d 1 和d 2 值，以后就可以由传感器根据d l 、d 2 值对应得到n 1 、n 2 值。当轮轴数不止2 个时，可相应增加n 3 、n 4 、。 空车质量m l 可以在空载时称量出，或者由产品说明书得到。车辆载荷检 测装置的组成框图如图2 3 所示。它主要由车载装置和手持装置两部分组成。 车载装置安装在车体上，车辆每个轮轴的中部与车厢底之间都安装一个电 容传感器，载荷不同时传感器上下极板间的距离发生变化，从而引起极板间的 电容变化，电容测量电路将此电容值转换为电压，经a d 转换后送入“d s p 信 号处理模块”。“d s p 信号处理模块”对信号进行滤波，计算整车载荷并将结果 线性化；将载荷结果送给车载数字显示装置；接收手持装置的指令，向手持装 置输送载荷结果，必要时向手持装置输送车辆类型、车牌号数据，进行误差校 正。手持装置中超声波信号发射和数据接收装置向车载装置发出指令，启动车 载装置，接收来自车载装置的数据；稽查人员通过键盘向车载装置输送误差校 9 江 苏大学工程硕 士学位论文 正数据；单片机系统接收数据后送给显示装置，并可以与p c 机建立数据联系； p c 机形成局域网后，可以完成信息收集、显示、查询、检索以及数据分析统计、 处理、存储等多项工作。 图2 3 车辆载荷检测装置的组成框图 2 2 无线通信基本原理 在电容式车辆载荷检测系统中，道路管理人员手持的手持仪器中的单片机 为主机，车载称重装置中的单片机为从机，单片机之间的通信方式采用一对多 的主从模式，可利用i s m 频段( 4 3 3 m h z ) ，其通信原理如图2 4 所示。 主机负责发送控制命令及显示车辆有关信息，从机负责收集车辆的载荷信 息，进行一定的数据处理，根据主机的要求返回数据，并执行主机发出的命令。 主机和从机之间的信息交换通过串行通信实现。在主从式多机串行通信系统中， 从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制【2 9 】。由于发送和接收共用同 物理信道，因此在任意时刻只允许一台从机处于发送状态。只有被主机呼叫的 l o 江 苏大学工程硕士学位论文 从机才能占用总线，对主机作出应答。 图2 - 4 主从机串行通信原理 常见的多机通信方式是将每台从机分配一个唯一的从机地址。主机与从机 通信时，主机先呼叫某从机地址，唤醒被叫从机后，主从两机之间进行数据交 换，而未被呼叫的从机则继续处于等待状态。主机发送的信息可以传到多个从 机或指定的从机，各从机发送的信息只能被主机接收。但是主机发送的地址帧 有效位仅有8 位，只能分配2 8 = 2 5 6 个从机地址。因为机动车辆数目众多，这显 然不能满足要求。 为了解决主机与从机通信的问题，系统采用基于时分多址的“随机延时” 方法，如图2 5 所示，可以避免数据碰撞，从而实现一点对多点的通信。其主 要原理如下： 当手持仪器控制按键按下后，主机循环发送查询命令，查询附近有无车辆 经过，为防止数据碰撞，将主机发出的查询命令后的时间分成若干个时间间隔。 各从机“随机”选择一个时间间隔，在此时间间隔内发回应答，这样主机就可 以在逐个时间间隔接收应答数据。 h 一时问问隔1 + 卜时间间隔2 一 卜时间间隔n 命令t应答 应答应答 时问t 图2 - 5 时分多址的“随机延时”原理 如果某个时间间隔内从机发生了数据碰撞，主机就会发现该时间间隔内接 收到的数据有误码，然后将数据抛弃；如果没有发生数据碰撞，主机就会收到 正确的数据，然后通知从机数据已经收到。从机的应答数据包括车辆的车牌号、 车型及车辆的载荷信息。如果主机接收到正确的应答数据，就在手持仪器上显 江苏大学工程硕士学位论文 示结果，同时也可以传给用于车辆管理的计算机。 2 3 车辆载荷检测系统组成 公路车辆称重系统安装在专门的检测车道上，由轴重检测台、数据采集处 理器、轮胎判别器、红外线车辆分离器、检测计算机、打印机及声光超限报警 器等组成。 该系统主要由p c 机、波士电子r s 2 3 2 4 8 5 转换器、电平转换芯片m a x 4 8 5 、 单片机a t 8 9 c 5 2 和无线收发模块n r f 4 0 1 及外围电路组成。首先，在主机系统 用v b 6 0 编程语言编写界面，输入要产生的查询信号；其次，在所编程序的控 制下从主计算机串口送出，经过转换变成t t l 信号送入单片机；最后，通过单 片机的控制及收发把数据传到无线收发模块n r f 4 0 1 ，通过天线向从机发射。在 从机系统，无线收发模块n r f 4 0 1 先处于接收状态，当接收到主机的查询信号， 并经过单片机处理后，从片选器中选出所要查询的机器，再把机器的探测信号 通过n r f 4 0 1 向主机传输，最后由主机的n r f 4 0 1 接收并传到主计算机处理，这 样就完成了主机与从机的一次通信。 计算机与单片机之间串口通信采用r s 4 8 5 接口标准实现远程通信。n r f 4 0 1 是由挪威n o r d i c 公司推出的集收发为一体的集成芯片，工作于4 3 3 m h z i s m 频 段；采用f s k 调制与解调技术，抗干扰能力强；采用d s s + p l l 频率合成技术， 频率稳定性好；灵敏度高且功耗小，在接收待u 机状态时，电流仅为8 a ；具有 多频段切换功能；传输速率最大可达2 0 k b p s ，传输功率最大+ 1 0 d b m ；差分式 天线接口，易于做成p c b 天线。 1 2 脚c s 是通道选择，c s = “1 ，表示中心频率为4 3 4 3 2 m h z ，c s = “0 ”， 表示中心频率为4 3 3 9 2 m h z ；1 8 脚p w ru p 是电源丌关，p w ru p = “1 ”，表 示进入工作模式，p w ru p = “0 ”，表示进入待机模式；1 9 脚t x e n 是工作模 式选择，t x e n = “1 ”，表示进入发送模式，t x e n = “0 ”，表示进入接收模式。 1 0 脚d o u t ，数据输出端。9 脚d i n ，数据输入端。1 6 脚和1 5 脚分别是a n t l 和a n t 2 ，为天线接入端。 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 2 4 车辆载荷检测装置的基本功能 ( 1 ) 能对静态或低速通过的车辆进行称量。 ( 2 ) 能检测车辆的轴重、轴数及整车重量，轮胎识别采用具有抗干扰性强、 寿命长的轮胎判别器。 ( 3 ) 称重仪数据处理器及检测控制终端既可用于超限检测又可用于计重收 费。 ( 4 ) 能按超限车辆超限判别标准的要求设置超限重量限值，并可以方便地 进行调整。 ( 5 ) 能自动判别车辆是否超限。 ( 6 ) 能自行处理称重流程。 ( 7 ) 能形成完整的车辆称重信息，包括车辆的轴重、整车重、轴数、车辆 限制重量、车辆超限重量、时间、车牌号码等信息并打印。 ( 8 ) 能将检测数据长期存储，并能按照时间、车号等要求进行统计和查询。 ( 9 ) 能将检测数据通过声光报警器及时报警，提醒司机及现场工作人员。 ( 1 0 ) 采用高亮度l e d 大屏幕显示轴重、总重及超限值。 ( 11 ) 车号录入系统在录入车牌号码方面适应新式车牌。 ( 1 2 ) 系统在录入车牌号码后，立即显示该车历史记录。 ( 1 3 ) 分时段查询系统更加快捷、详细。 ( 1 4 ) 车辆检测记录删除功能设置了权限口令。 ( 1 5 ) 每套固定式超限检测设备配备正规票据打印机l 台，可打印有关票据。 2 5 车辆载荷检测装置的特点 ( 1 ) 采用轴计量的方式，不受车辆屯位的限制。 ( 2 ) 分辨率高、量值准确、计量速度快、使用方便。 ( 3 ) 结构简单、占地面积小、安装调试方便、适应性强。 江苏大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 自动化。车辆可以不停车，以低于l o k m h 的速度匀速通过秤台，称重 系统便可以称出准确重量，并将重量等信息存储到数据库中，供随时调用查询， 形成各种报表。 ( 5 ) 网络化。多台轮轴计量仪可连成网络，测量数据统一上传到计量数据 库。管理者通过局域网或互联网访问计量数据库，根据计量的繁忙程度，通过 车道控制器可以调配车辆的运作。 2 6 车辆载荷检测系统的主要技术参数 ( 1 ) 精度： ( a ) 静态称重精度o i m l i i i 级； ( b ) 动态称重精度 士3 ( 车速 l o k m h 匀速行驶) 。 ( 2 ) 环境温度：一4 0 - + 8 0 。 ( 3 ) 单轴称重：4 0 t 。 ( 4 ) 超载能力：1 5 0 。 ( 5 ) 全天候工作。 ( 6 ) 服务h 向应时间：维修响应时间8 h ，缺陷响应时间一 4 5 ) ，晶体x 1 需要用高稳定晶体。电容应选用高稳定贴片元件如n p o 高稳 定电容，以确保性能的稳定。 1 5 江苏大学工程硕士学位论文 3 1 2n r f 4 0 1 的工作模式 图3 1n r f 4 0 1 内部结构图 n r f 4 0 1 有三种工作模式：接收模式( t x e n = o ) 、发送模式( t x e n = 1 ) 和等待模式。在等待模式时，系统的功耗可以达到很小的值，n r f 4 0 1 的详细工 作模式与控制方式如表3 1 所列，从表中可以看出，t x e n 、c s 、p w r 三个引 脚的不同组合可确定n r f 4 0 1 的工作模式，通过单片机编程控制三个引脚的工 作状态，就可以使n r f 4 0 1 处于不同的工作模式，从而实现双工无线通信。 表3 1n r f 4 0 i 的工作模式与控制方式 t x e nc sp w r信道 模式 ool1 接收 0ll2 接收 1o11 发送 ll12发送 0 。 等待 在接收模式中，n r f 4 0 1 被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制 的数字信号被低噪声放大器放大经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调 器。解调后变换成数字信号输出( d o u t 端) 。在发射模式中，数字信号经d i n 端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入功率放大器射频输出，由于采用了 晶体振荡和p l l 合成技木，频率稳定性极好；采用f s k 调制和解调，抗干扰能 力强。n r f 4 0 1 无线收发芯片所需外围元件较少，并可直接接单片机串口。 3 1 3n r f 4 0 1 的特点 n r f 4 0 1 芯片主要有以下特点： 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 采用小型2 0 引脚s s o p 封装，有利于减少p c b 面积而降低成本，适 合便携式产品设计，也有利于开发和生产。 ( 2 ) 工作于4 3 3 m h zi s m 频段，2 个工作频道。 ( 3 ) 可以直接与单片机串口连接，也可以经过r s 2 3 2 c 电平转换后接至 计算机串口。 ( 4 ) n r f 4 0 1 无线传输不需要曼彻斯特编码，直接用最常用的串口进行， 编程和应用非常方便。 ( 5 ) 外围元件仅外装一晶体和几个电阻、电容、电感元件即可；采用 d s s + p l l 频率合成技术。 ( 6 ) f s k 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合： ( 7 ) 采用p l l 频率合成技术。频率稳定性极好。 ( 8 ) 灵敏度高，达到- 1 0 5 d b m ( n r f 4 0 1 ) 。 ( 9 ) 功耗小，接收状态耗电2 5 0 1 x a ，待机状态仅为8 9 a ( n r f 4 0 1 ) 。 ( 1 0 ) 最大发射功率达+ 1 0 d b m 。 ( 11 ) 具有多个频道，可方便地切换工作频率。 ( 1 2 ) 由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计。使用无需申请许可 证，开阔地的使用距离最远可达2 0 0 米。 无线收发模块的核心部分为n r f 4 0 1 ，外加精心设计的内置天线，体积为 3 7 m mx4 7 m m ，具有体积小，功耗低的特点，传输距离为2 0 0 米，传输最大速 率为2 0 k b i f f s ，外围接口电路简单，可直接与单片机的通用串行总线( u a r t ) 口连接 3 0 , 3 1 】。如图3 2 所示。 1 7 江 苏大学工程硕士学位论文 t x n p w r 兰 g n ds t r 2 i 之fm o d u l e o c 最txd d i n 小r x d 统 u o u t c s v c c 图3 - 2 无线收发模块与单片机的硬件接口框图 s t r 2r fm o d u l e 引脚功能如下： v c c - 正电源，接2 7 5 2 5 v ； c s ：频道选择，c s = 0 选择工作频道1 即4 3 3 9 2 m h z ，c s = i 选择工作频道 2 即4 3 3 3 3 m h z ： d o u t ：数据输出，连接m c u 串口r x d ； d i n ：数据输入，连接m c u 串口t x d ； g n d ：电源地； p w r ：节能控制，p w r = i 正常工作状态，p w r = 0 低功耗状态； t x n ：发射接收控制，t x n = 1 时模块为发射状态，t x n = 0 时模块为接收 状态。 s t r 2 r f m o d u l e 接口简单，本文将不作详细的叙述。 3 2 基于n r f 4 0 1 的无线通信模块设计 在仪器仪表及测控技术中，无线数据通信以其节省传输线、使用方便等优 点被广泛关注。中短距离( 小于5 0 0 米) 的无线通信在自动测试系统、无线抄 表、计算机遥测遥控系统、车辆监控系统和小区管理等实际应用中有广泛的市 场。在众多的无线收发芯片中，n r f 4 0 1 以其成本低、可靠性高、外围设计简单 广受欢迎，然而由于通信空间的复杂性，无线通信系统很容易收到误码，即使 在发送端不发送数据的情况下，接收端也仍然会接收到大量的干扰数据。在一 1 8 江苏大学工程硕士学位论文 个中等规模的系统设计中，c p u 要进行多种操作，如外部存储器的访问，传感 器数据的处理等，因此无线通信干扰信息较多时，特别是在中断通信模式下， 频繁的中断将严重影响主程序的运行，另外由于对n r f 4 0 1 的操作除了控制输 入输出外，还需要对n r f 4 0 1 的收发状态、运行模式切换，因此对于一个总线 结构的系统，无线通信部分也作为一个独立i d 模块时，传统的设计处理遇到了 困难。因此需要设置一个中间处理环节，既能有效过滤信息又不影响通信速率。 图3 3 总线模式图 为解决上述问题，本设计基于n r f 4 0 1 作为无线收发芯片，使用两片8 9 c 5 2 作为控制芯片，设计出一套无线通信系统。其中一片8 9 c 5 2 ( 定义为控制芯片a ) 控制n r f 4 0 1 ，8 9 c 5 2 的i o 接口与串口配合控制n r f 4 0 1 实现异步通信；另一片 8 9 c 5 2 ( 定义为控制芯片b ) 既能满足总线串口的要求，又能解决控制芯片a 由 于频繁串行中断而不能及时响应总线的问题，起到分担任务、隔离干扰、串口扩 展的作用。采用两片8 9 c 5 2 单片机设计方法，与采用一片双串口单片机设计相比， 能降低成本、提高芯片利用率、隔离干扰。实践表明该系统结构简单、抗干扰能 力强，能很好解决短距离系统之间的无线通信问题。 在接收模式中，n r f 4 0 1 被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制 的数字信号被低噪声放大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解 调器。解调后变换成数字信号输出( d o u t 端) 。在发射模式中，数字信号经 d i n 端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入功率放大器射频输出。在本系 统设计中，为了避免干扰，将基于n r f 4 0 1 的无线收发部分做在一块单独的p c b 板上，引出通信控制接口( j 1 ) ，组成独立的无线收发模块。 基于n r f 4 0 1 的无线通信模块系统电路图见附页( 附录1 ) 。 车载称重装置对车辆的载荷进行实时检测和处理，从单片机按照控制命令 1 9 江 苏大学工程硕士学位论文 接收车辆的载荷检测装置的数据，与主机进行数据通信。图3 - 4 为从单片机构 成的显示及收发控制系统的硬件组成框图，主要包括采集与数据处理模块、看 门狗、复位电路、电源监控电路、实时时钟电路无线收发模块、控制单片机、 信息输出单元等部分。 采集