交通局超限检测站动态称重系统解决方案.doc

××市交通局超限超载检测站机电工程技术方案目录目录2第一章 概述31.1背景介绍31.2超限运输的严重危害性41.2.1严重损坏路面41.2.2严重损坏桥梁41.2.3危及行车安全41.3超限运输管理的有效方法51.4动态称重的定义51.5国际动态称重技术的发展51.6目前动态称重技术所存在的问题61.7动态称重系统的设计任务61.7.1系统应该具有的特性：61.8设备配置71.9目前市场上称重设备客观比较：71.10本文所做的工作8第二章 动态称重模型与自动控制系统92.1概念的提出92.2建立系统的数学模型92.3称量模型的推导102.4系统参数的确立112.5根据系统的结构，来确定系统的阶数12第三章 系统的总体方案设计143.1硬件关系143.2软件关系153.2.1软件部分153.2.2系统的软件关系如图3.3所示。153.3称重系统功能163.3.1本称重系统的技术特点173.3.2主要功能173.4摄像监控系统的构成183.5整个计重收费系统183.5.1系统实现的方案183.5.2数据处理与软件设计方法203.6改进措施21第四章 硬件系统的设计224.1传感器的选择224.1.1称重传感器的分类224.1.2 目前动态称重系统中沿用的传感器234.2稳压电路模块244.2.1直流稳压电源的组成244.2.2稳压电路方案的选择254.2.3电路的设计254.3处理器的选择264.3.1方案的设计：274.3.2系统的硬件结构274.4信号的放大284.4.1放大电路的性能指标284.4.2 信号放大电路的设计方案284.4.3信号放大电路的改进方案294.5滤波模块的设计304.5.1滤波电路的概要304.5.2在一阶RC低通滤波电路314.5.3在二阶RC低通滤波电路314.6数据采集系统模块324.6.1A/D转换器的分类324.6.2 A/D转换器的主要性能指标334.6.3 AD7884芯片的性能334.6.4 AD7884 在动态电子称重系统中的广泛应用344.6.5抗干扰的措施354.6.6 采样保持电路364.7 键盘输入模块的选择374.7.1 键盘的工作类型374.7.2 8279控制芯片的资料374.7.3 键盘的工作方式有两种：374.7.4 键盘扫描过程中有可能存在的问题374.8 UPS电源模块384.8.1UPS的发展概况384.8.2系统结构及工作原理38第五章 软件的的设计395.1软件系统的组成及工作方式395.2软件的设计思想405.3具体各个软件模块部分的实现415.3.1门限判定子程序模块415.3.2数据的采集模块425.3.3数字滤波模块455.3.4动态称重管理系统软件模块47第六章 系统的抗干扰探讨516.1控制器硬件上的抗干扰设计516.1.1 PCB的可靠性的设计516.1.2传感器外部噪声干扰的抑制526.2控制器软件上的抗干扰设计52第七章总结和展望537.1总结547.2建议与展望54第一章 概述 1.1背景介绍 近年来，我国公路超重运输现象也十分普遍和严重，货运部门企图通过改装车身、后桥和轮胎来大幅度提高货车的载重能力，使运输效率和经济效益得到较大的提高，但是这也带来了一系列不利的影响。 1950年，美国各州公路者协会经实验研究，提出了反映汽车轴载重量与公路路面之间关系的著名的“四次方法则”，就是载荷增大到原载荷的2倍，公路路面损坏增大原来的16倍左右。这表明：首先，重车引起的道路的损坏比轻车大得多，单轴载的增加引起路面损坏程度加大。其次，如果不了解路面承受的轴载，路面的设计参数不符合实际，路面的寿命就远达不到要求的使用年限；已设计的路面没能达到预期的使用年限，也是因为路面受到了远设计没有考虑的某些外力的作用。轴载重量和总质量的增加势必增加发动机的功率，这同时也将产生严重的噪音、振动、空气污染等一系列环境问题，这样虽然运输部门的经济效益提高了，但是社会整体综合效益并得不到提高。1.2超限运输的严重危害性1.2.1严重损坏路面 超限运输对路面造成破坏实际上是轴载质量对路面的一种重复的疲劳作用。当轴载质量增大后,公路路面在设计使用年限内能够承受的弹性变形次数大为减少, 超限运输直接影响路面使用期的长短。近几年, 由于运输者片面追求自身利益,公路上超限车辆尤为普遍,超载吨位往往超过标准轴载的60100%之多。当有超载车辆频繁通过时, 低等级路面甚至在很短时期内遭到破坏。1.2.2严重损坏桥梁 车辆严重超限, 即使设计标准较高的水泥混凝土桥梁也不能避免桥梁挠度增大, 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, 70 年代以前修建的标准偏低的桥梁与桥龄较长的旧桥更容易出现问题。1.2.3危及行车安全 车辆严重超限, 易出现交通事故, 如轮胎放炮、主轴断裂、刹车失灵、车辆前重后轻、驾驶不稳等问题, 极易造成交通事故, 这也是近年来恶性交通事故增加的重要的原因之一。1.3超限运输管理的有效方法超限运输车辆行驶公路是一个普遍存在的问题,不少公路路面使用初期即发生严重破坏, 其原因主要是车辆严重超限。如何控制超限运输车辆, 加强超限运输车辆管理工作, 是摆在公路管理部门面前的一个重要课题, 长期以来路政管理部门和路政管理人员在对超限运输车辆进行管理时, 对于车辆轴载质量分配的技术参数无法获得, 只能从运单及行驶证上查出货物重量和车辆自重、载重, 而不能确定轴载质量的超限值; 利用估算、丈量的办法误差又较大, 缺乏执法的科学性, 使超限运输管理工作受到很大影响。这种情况迫使公路交通部门了解当前公路行驶车辆的车型的组成、轴载谱和超重程度，分析超重车辆对路面损坏的影响程度，以便估算公路交通部门需为此增加的建设投资，并制订相应的管理措施和管理法规，同时为公路的运营部门按车重收费提供有效的技术手段。2002年12月13日中华人民共和国交通部2号令超限运输车辆行驶公路管理规定第二十八条规定“超限运输车辆行驶公路赔（补）偿费标准由各省（自治区、直辖市）人民政府交通主管部门会同同级财政、物价主管部门制定。为了在收费站实现计重收费功能，在每条车道各设置一台收费车道低速高精度称重系统，向收费系统计算机传输轴型、单轴重量、联轴重量、联轴数量、每轴的胎数（单/双胎）、轴距、总重等信息，由收费车道计算机进行处理，从而实现计重收费功能。1.4动态称重的定义随着工业生产和商贸的不断发展也生产了对公路车辆进行动态称重越来越多的要求。在进行研究之前首先明确一下公路动态称重（Weigh-in-Motion简称WIM）系统工程的确定义是必要的。公路动态称重系统的确定义：动态称重是测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车辆重量的过程：一个公路动态称重系统是不是一套传感器和者支持仪器，用来测量在特定地点特定时间，一辆行驶车辆的出现以及动态轮胎受力，计算车辆的重量、车速、轴距、车辆类型以及车辆的有关参数并且处理显示和存储这些信息。1.5国际动态称重技术的发展鉴于上述情况世界上经济发达的国家都很重视动态称重系统的研究，几个主要的国家有：美国、英国、德国、法国、南非等。1968年，南非取得了第一个电容式WIM（动态称重）传感器专利。西德的PAT公司也罢在这一年开始了平板式动态 称重系统的研究。1974年，美国首次在车辆负荷研究成果中使用了WIM（动态称重）系统；同年，法国取得了一项压电缆动态称重器的专利。1982年，美国的STREETRE、英国的GOLDENRIVER公司在南非研究的基础上，采用了先进的电子技术，使得性能大大的提高。1983年，VIBRACOAX动态称重系统首次在法国投入使用。同时PVDF压电材料作动态称重的研究在美国使用开始。这一年九月，美国联邦公路管理总署提议研究“低成本动态车辆称重系统；。1988年，英国研制了一种性能优越的新型称重电传感器。1994年，在中国举行的“国际交通自动化技术会议“上，德国展示了采用平板传感器的SAM100动态称重系统及其在自动收费站的应用。由于WIM用途的各异，目前的国外产品的单轴称重可以优于5.030%不等，相应的置信度为90%或95%，最好的WIM 系统单轴载重误差可以优于5.0，但成本昂贵而且仅仅适应于低速的场合。对于大量用于载轴调查的称重系统的误差一般控制在15%到25%之内，置信度为90%。1.6目前动态称重技术所存在的问题 目前，各种性能的动态称重系统在美国以及世界各地区使用，其价格差异很大，所得到的精度基本与价格成正比。各国政府都在寻求一种性价比比较高的产品。综上所述，现行的动态称重系统经过几十年的研究，仍然没有取得令人满意的进展。究其原因，可以发现以往的研究存在着以下的不足之处：对车辆的动态负载所产生的干扰缺乏完整的分析，以往的研究主要致力于结构的改进、传感器的设计等硬件方面，使其动态的性能更加的完善；但称重精度没有得到大幅度的提高。对称重的计算方法缺乏深入的研究。缺乏对车辆动态干扰的抑制方法的研究。缺乏对动态称重系统理论的研究，至今动态系统仍然沿用的是静态称重的设计思路。1.7动态称重系统的设计任务 动态称重是测量行驶的动态车辆轮胎受力, 并计算相应静态车辆重量的过程, 一个动态称重系统主要由传感器和支持仪表及轮轴判别设备构成, 用来测量在特定地点、特定时间行驶车辆的轮胎受力, 计算车辆的轴重, 正确判别轴数, 轮胎个数等有关参数, 并处理显示、打印和存储这些信息, 从而实现全自动、不停车计量。系统应该具有的特性：动态称重系统应具有很强的专业性和实用性, 突出表现在:1）实时实时轮胎识别、轴数识别;2）动态车辆动态重量称量;3）快速快速数据分析及处理;4）自动自动分析处理、自动打印、自动存储;充分利用计算机在数据采集、分析、处理、存储、管理等方面的潜力和作用并为将来连网预留软硬件基础。1.8设备配置动态称重系统由车辆识别仪、动态轴重仪、车型分类仪和称重控制器组成。车辆识别仪、动态轴重仪和车型分类仪安装在车道，负责基础数据采集；称重控制器安装在收费亭内或收费岛上，负责协调并采集上述仪器的信号，进行必要的处理后，将称重结果通过标准接口（RS232/422/485）输出至车道控制机。当车辆进入称重收费车道时，车辆识别仪检测到车辆到达，产生一个信号通知称重控制器进入称重工作状态；车辆各轴依次通过动态轴重仪时，动态轴重仪实时测量各轴负载量并送称重控制器进行记录；车型分类仪根据车辆轮轴特征检测车辆所属类型（分类依据标准：交通部二号令）；当车辆完全通过后，车辆识别仪也产生一个信号，通知称重控制器进入数据处理状态；在数据处理状态，称重控制器累加所记录的轴负荷计算车辆总负荷，并根据检测到的车型分类计算该车辆是否超限以及超限的具体数量，并将车型分类、车辆总负荷、车辆限载值等数据输出。动态轴重仪在车辆运动中测量车辆重量，能够准确区分前后车辆（不会误判拖、挂车），测量车轴、车轴组和车辆总重，标准通信接口RS232/485实现与车道控制机等外设之间的通信和控制，提供丰富的输出数据内容（轴负荷、总负荷、车型分类、车辆存在与离开等），计量精度高，车道控制机可直接利用本系统提供的数据并依据计重收费费率对车辆实行计重收费。1.9目前市场上称重设备客观比较： 随着动态称重系统的日趋成熟，这种称重系统必将随着科学技术的进步和工业自动化水平的提高而继续向前发展成为小型化，模块化，智能化，集成化为一体的称重系统，其技术性能趋向于速度化，准确度高，稳定性高，可靠性高；目前市场上的称重设备比较如图1.2所示产品类别优点缺点便携式称重仪（带引桥或无引桥）A、 随身携带，价格较低B、 可在没有设检测点的地方抽查车辆A、称重及处理的时间较长C、车辆行驶速度过快或不居中时，误差较大D、流动使用，难以实现规范管理高精度称重系统（动态电子汽车衡）A、 精度高可直接用以执法B、 如果动态速度补偿技术过关，则在30km/h时速下仍可保证较高的精度A、 体积较大，安装周期约需10天B、 需要较高的速度补偿技术，否则检测速度超过5km/h时误差较大高速称重系统（压电或弯板式传感器）A、 高速检测，执法效率较高B、 安装简便，可在主线安装C、 自动识别轮/轴数量D、 具有交通调查功能A、 误差较大，称重结果不能直接用于执法，必须与低速称重系统配合使用B、 价格较高图1.2第二章 系统结构我公司提供所有必需的安装材料及辅材，并详细注明安装、调试方法，提供安装、调试手册；提供完整的中文产品说明书，中文产品使用手册，合格证，质量检测材料等。我们还提供设备运行的环境要求资料（如温度、湿度、供电、防雷、接地要求等），并提出相应的安装、调试所需的诸如安装工具、测试工具等方面的相关要求。称重检测流程（1）当称重检测系统进入工作状态时，载货车辆保持安全间距依次进入收费车道，低速通过称重平台；当载货车辆尾部离开称重平台及红外线车辆分离器（或环形线圈车辆检测器）时，红外线车辆分离器检测到一个车辆结束信号；（2）称重系统处理器处理来自称重平台的车辆称重信号，并形成一个整车称重信息，这些信息包括车辆的车型、轴重、联轴信息、每轴的胎数、联轴重量、轴距、总重；（3）称重系统处理器通过数据接口将整车的称重信息传输到收费车道计算机，完成对一辆载货车辆的称重过程，等待下一辆载货车辆的称重。第三章 系统的总体方案设计 鉴于实际动态称重系统的使用情况，目前大多数的收费站的实际结构框图如图3.1所示，需要实测的数据包括：车辆的前后轴的重量、车辆在该区间的行驶速度、车辆的轴距、车辆的车牌号。分析实际的需求情况，整个系统的设计包括硬件的设计和软件的设计两大部分： 图3.1收费站的实际结构框图3.1、主要设备技术指标收费车道上设置的称重检测设备能准确的测出车辆的称重信息，并以此为依据进行收费。轴重检测装置设置在收费车道前端，属于减速段，遇到车流量较大的情况时，车辆依次进入收费车道，车辆有排队进入收费车道的情况，也会出现车轮停在称重板上的情况。本称重设备具备动、静态称重功能，在上述情况下可以进行准确的测量；同时由于车速低，车辆排队间距小，因此采用红外线车辆分离器的辅助手段，当红外线车辆分离器发生故障时，可由环形线圈（磁传感器）车辆检测器进行车辆的分离工作。综上所述，安装在收费车道上用于计重收费系统的称重设备满足以下技术指标：3.1.1系统主要功能及特点系统的计重部分车道动态称重装置，采用中央处理控制技术，称重过程自动完成，无须人为干预。我公司将驱动软件封装为DLL方式，用户可根据需要设置主机主动查询、轮询或称重仪主动发送数据等通讯方式。仅需简单的设置和方便的功能调用即可实现与其他系统的连接，十分有利于已有非计重收费系统的计重收费改造。称重平台基础施工简单，只在路面安装，而不破坏路基。独特的基础连接加强筋可确保系统与原路面基础良好连接，在重型车辆长期高强度冲击下不下陷、不移位。安装在路侧的红外线车辆分离器前后方向最小分车距离为20cm，低速跟车时小于10cm；上下方向最小垂直检测宽度5cm，能完全消除跟车现象，将平板拖车、半挂车、全挂车、单车可靠分离，并通过特殊的程序和装置，根据不同倒车情况的逻辑关系，判别不同的倒车情况，自动删除无用数据，解决了由于不同形式的倒车（包括车辆不完全进入并退出，不完全倒车并进入等）产生的误称量和重复称量现象，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。光幕相关检测参数可根据工程情况进行软件设定，确保不因飞鸟、雨雪等干扰因素而导致系统误判。安装在车道数据处理器中的电子元件采用工业级器件，并嵌入固化的程序软件，适应室外全天候工作。控制箱采用双层密封结构，具有自动排风、自动调温功能，防潮、防尘效果好，保证了设备的无故障连续运行。系统配置软件和硬件watchdog，确保在受到强干扰导致的程序异常情况下系统可自动重新启动。系统采用EEPROM和FLASHROM作数据缓存器，并可自动缓存多达10辆的车辆称重信息。称重检测数据按照先进先出方式存放，前一辆车的数据传到收费计算机，但处理过程没有结束，后一辆车的数据暂存于车道数据处理器缓存消息队列中，并尝试重发，直到发送完成，避免此次检测数据被冲掉，从而保证了称重检测数据的完整性，同时也保证了车辆与检测数据的一一对应关系。针对收费站超宽车道，系统可提供宽度为4.2M的称重平台。而其他车道采用宽度为3.5M的称重平台。而且称重平台采用专利悬挂方式安装的特殊设计结构可满足收费车道不超过2%坡度情况下的称重精度。在收费车道内，车辆启动、刹车比较频繁，经常产生溜车现象，同时在车道内不同形式的倒车的现象（包括车辆不完全进入并退出，不完全倒车并进入等）也时有发生，给车辆有效的称重增加了难度，本系统采用独特的滤波采集和逻辑分车装置，处理车辆启动、刹车、不同形式的倒车等特殊情况，可有效避免重复称量和错误称量等称重失误。称重平台采用专利技术，形成独特的防冲击结构，有效抵抗车辆长期对称重平台的冲击，可延长称重传感器的使用寿命。传感器采用独特的悬挂式支撑方式，使传感器置于路面上方，并且采用全焊封传感器，使传感器防护等级达到IP67，可有效防止雨水、潮湿、及霉菌的侵蚀造成的损坏。称重平台采用四支20吨的称重传感器，使称重平台单轴承载容量达到80吨，当车轴重量达到额定载荷（30t）时，每只传感器承受的重量只有7.5t，不到传感器容量的的50%，故可长期抵抗任何重载车辆对称重平台的冲击，同时也保证了称重传感器的使用寿命。称重平台、轮胎识别器、数据采集处理器机箱外表面均采用特殊的表面防腐处理，可有效防止盐雾、雨水、汽车尾气、潮湿等侵蚀对设备的损害。将数据采集处理器及红外线车辆分离器安装在收费岛内，并增加防撞桶和专用限位桩等设施进行防撞保护，并进行反光警示色喷涂，其他部件如称重平台、轮胎识别器均采用大过载能力设计，提高了设备的耐用度。设备维护极其方便，配合随机提供的专用维护工具，一个人即可轻松抬起称重平台，进行更换备件等维护工作，一次更换一般零部件不超过5分钟，保证了收费车道的连续运转。轮轴识别器由于采用防水防尘措施，极大延长了使用寿命。由于采用模块化结构，在发生个别传感器故障的情况下，可迅速更换单个模块，确保系统连续运行。系统具有开机自检、定时自检、零点校正、自动温度补偿功能，并且在系统异常时（如自检异常等）自动重新启动系统（重启时间小于3秒），同时保存未处理检测数据并提示收费计算机，使系统恢复到正常状态而不丢失检测数据。在系统自检时，部件出现故障的情况下，系统将故障部件信息传送到收费计算机，便于收费员做出适宜的操作，进行称重系统故障时的收费处理。可在每条车道安装环形线圈车辆检测器，用户需要时（如雨、雪、雾等恶劣天气），直接切换至环形线圈车辆检测器车辆分离方法，以提高恶劣天气的车辆分离判别的正确率。本系统对于防雷击、防静电除了设计接地装置，还在信号采集与信号传输接口处设计了防浪涌的光电隔离装置和压敏装置，可有效防止雷电后或静放电后的残余电压对设备的破坏。3.1.2主要性能参数（1）称重仪/称重平台l 静态称重精度：OIML 级动态精度，满足下列条件：精度05Km/h匀速525Km/h匀速明显变速轴负载(>5t)±100Kg<±2.0%<±4.5%<±10%轴组负载（>10t）N*±100Kg<±2.0%<±4.5%<±10%整车重量（>20t）N*±100Kg<±2.0%<±4.5%<±10%l 速度测量精度（没有明显加减速的前提下）：车速在130Km/h时，最大±4.5l 轴间距测量精度（没有明显加减速的情况下）：两轴±0.25ml 称重平台尺寸（长X宽X高）：普通车道：3500X800X250（mm）超宽车道：4200X800X250（mm）l 有独立的显示单元，可脱离计算机系统进行全面的调试l 工作环境：温度-40+80相对湿度095%l 设备的防护等级：控制设备：IP65称重传感器：IP67l 被测车辆以30km/h速度通过时，能正确测量出车辆速度l 可根据需要输出以下信息：单轴重、轴组重、总重、轴型、车型、车速、时间标志等l 称重平台能对各轴分别进行计量，计量线性良好，其标准测量范围为：单轴额定载荷：30T最大过载能力：150%l 使用寿命：十年以上l 供电电源安装电源防雷击保护器，外场设备数字接采用光电隔离设备，并有防浪涌电流能力。称重设备具备防感应雷的能力。(2)红外线车辆分离器l 能对车间距不小于10cm的车辆进行分离；l 光幕外罩设计采用温控的电加热装置，可以在寒冷或沿江、沿海的地区使用，防止外罩玻璃结冰或凝霜，光幕在恶劣环境下也可以正常工作，能对车辆进行可靠分离，晴天可靠性应达到99.9%，雨雪或大雾天气可靠性优于99%;l 防护等级：IP65；l 光幕发生故障时，可通过硬件及软件方式报告故障信息，以便迅速排除故障。同时系统自动切换到磁传感器分离车辆模式；l 安装高度：1600mm，红外发射管的最低高度为400mm：l 车辆分离器便于擦拭和打扫，玻璃面应设计为开门式；l 在红外车辆分离器受到如阳光、雨、雪、雾干扰时能可靠分离车辆，以便满足称重数据与收费数据一一对应的问题。l 温度-40+80l 相对湿度095%l 使用寿命：10年以上（3）轮胎识别器l 与轴重信号结合，能对通过的货车的轴型及单双轮进行正确的识别，可靠率在98.5以上。l 温度一40+80l 相对湿度095%l 防护等级：IP67l 传感器数量：1012只l 使用寿命：10年以上(4)环形线圈车辆检测器（磁传感器）l 在红外线车辆分离器发生故障时对车辆分离，判断精度99%；l 尺寸：1500mm*1500mm l 自调范围: 20-1500Hl 灵敏度调节: 面板四级可调l 存在时间: 面板四级可调l 工作温度：-40+80；l 相对湿度：095%RH（5）称重仪的其它技术指标：l MTBF20000小时；l 称重仪精度的一致性好l 系统设备具有开机自检、空闲时定时自检、零点校正和自动温度补偿能力；l 标定方法简单；l 所有设备均作防锈处理，因锈蚀而出现的系统故障由称重系统投标人负责维护；l 全天候工作；3.1.3主要功能1、能对通过的每一辆车进行检测, 提供每车道的车辆速度、各轴轴重、总重、轴距、车型(按轴分类)、车道号、标准当量轴次以及车辆通过时间、日期等数据。各车辆能按1min、5min、15min、30min、1h 进行车辆数、车辆速度、超轴重车辆数、超轴重车辆比率累计, 并打印相应报表。2、外场单元具有存储功能和具有两个以上的通信接口, 以便输入数据到处理计算机系统, 以及接入便携式计算机。检测器能连续不间断工作, 每天工作24h, 每周7天。具有自检和故障诊断功能, 且能提供系统及检测器工作状态信息。检测器可在复电(或复位) 30s 后, 自动恢复正常状态, 且原有储存数据保持不变。当同一辆车作用在相邻2个车道上的检测平台时,能正确检测其每轴轴重,在车辆通过道路时埋入路面下的电阻应变片传感器受力产生形变, 从而使接入电桥中的应变片阻值发生变化, 使非电量的形变转换成电压的变化。通过仪器放大器(信号放大器)进行放大, 因其有很高的共模抑制比，可抑制噪声, 又具有对微小的差模电压非常敏感, 故可将信号精密放大。经放大后的信号由A/D转换送入处理器进行数据处理、存储、输出显示。3.2、软件的的设计3.2.1轴重仪与车道计算机之间通信规程称重设备与车道计算机之间进行数据交换有两种方式可选：一是数据通行方式，二是设备驱动方式。我公司提供设备接口程序以保证称重设备与计算机的通讯。一般情况下，数据交换由轴重仪收到光幕收尾信号后主动发起。虽然轴重仪及设备驱动程序都能保存N辆车的相关数据，但考虑到时间操作过程中管理的需求，多数情况下会由设备驱动程序给出指令对数据进行删除。轴重仪复位不影响驱动程序保留的数据。同样车道计算机进行复位操作时也不影响轴重仪保存的数据。两者之间会根据实际管理需求，有复位方发出数据同步请求。当称重仪检测到车辆退出、不完全进入并退出、不完全退出并再次进入等特殊情况时，有轴重仪做出判断，并发送数据同步消息。我公司已经将驱动软件封装为DLL方式，用户可根据需要设置主机主动查询、轮询或称重仪主动发送数据等通讯方式。仅需简单的设置和方便的功能调用即可实现与其他系统的连接，因此计重系统的挂接对基本收费业务基本不产生影响，这样十分有利于已有非计重收费系统的计重收费改造。我们确保应用软件可以仅使用WimDev.dll而不需要任何其它文件或数据即可满足对设备的各种使用要求。除动态链接库本身外，不占用收费系统计算机的任何其它资源（例如不在运行中调用或产生附加的文件等）。如因增强功能、提高性能而需要软件或计算机资源方面提供支持，将提前与业主和收费软件开发商协商达成一致并明确说明。动态链接库通过安装方式自动注册到系统中。注册后，收费软件可以直接调用。我们已经封装形式完全一致的多个DLL版本，确保动态链接库能够在Windows98及以上版本、Linux操作系统上稳定正常使用，在Delphi、VC等编程语言环境下被正常调用并运行稳定。6.1通讯介质：标准RS232串行通讯口；6.2通讯速率：传输速度：4800bps/9600bps可选，通过dip开关或仪表设置可选；6.3数据帧结构：异步通讯数据帧结构定义如下：起始位数据位校验位停止位1bits8bits无校验1bits6.4从机地址可设置：称重仪表地址可在0255间设置。6.5需要采集的信息：需要采集的信息是一个完整的车辆称重信息，包括车辆的轴重、轴组重、整车重、轴型、车型、车速、车辆超限标志、时间等信息；本协议与modbus协议类似；6.6信息帧结构：轴生检测信息可以采取主机轮询方式，也可采取从机广播方式，两种方式从机可设置；以下协议当中，2字节及2字节以上的数据结构均为高位在前低位在后。(1)主机轮询方式：A. 主机轮询指令，每次提取1条车辆信息，数据流方向：主机到从机。B. 对主机指令0,从机返回信息，数据流方向：从机到主机。C. 对主机指令1，从机返回信息，数据流方向：从机到主机。D. 对主机指令2,从机返回信息，数据流方向：从机到主机。E. 对主机指令3，从机返回信息，数据流方向：从机到主机。F. 对主机指令4，从机返回信息，数据流方向：从机到主机。G. 对主机指令5，从机返回信息，数据流方向：从机到主机。H. 收到从机信息后，主机应答，数据流方向：主机到从机。(2)从机广播方一式：这种方式是只要从机数据缓冲区有数据，则以广播方式发送给主机，数据交换过程由上述“主机轮询方式”的b, c两个步骤组成。6.7状态检测：车道主机可以发送轴重仪检测状态命令，轴重仪在自检后予以回应。数据交换过程由上述“主机轮询方式”的命令号5组成。3.2.2数据的采集模块 数据通讯数据通讯是计算机对称重显示仪表发送的数据进行实时采集的必要过程。计算机与称重显示仪表之间进行串行数据通讯，称重显示仪表输出接口通讯采用标准RS-232数据输出接口。图3.1数据通信硬件框图在实际运行过程中，仪表与计算机必须以相同的协议进行数据通讯:也就说用户在修改参数时应使软件的通讯接口参数与仪表的通讯参数相同。否则将无法进行数据采集。 数据的采集过程 数据采集就是把称重传感器的模拟信号x(t)经过采样转换为采样信号xs(nTs)，然后在进行量化和编码处理得到离散的数字信号x(n)，最后把x(n)送到计算机进行相应的处理。硬件如图5.6所示 采样周期的选择 采样周期Ts决定了采样信号的质量和数量；Ts太小，会使采样信号xs(nTs)的数量剧增，占用大量的内存单元；Ts太大，会使模拟信号的某些信息丢失，这样以来回出现失真，影响数据处理的精度。因此我们必须根据采样定理来选择Ts以确保xs(nTs)不失真。 根据采样定理可知，对截止频率为fc的连续信号x(t)进行采样，采样周期Ts必须满足Ts<=1/2 fc时，则连续信号才能唯一确定不会失真。 根据相关的文献可知汽车的垂直振动在50赫兹时已不明显，因此fc取50赫兹比较合适，所以Ts=1/2*50=0.01秒 一个采样周期包括硬件延迟时间、A/D转换时间和程序执行时间。在本课题中选择硬件延迟时间为130微秒，A/D转换时间为10微秒，程序执行时间为约10微秒，由此可知Ts=150微秒=10毫秒，满足采样定理的要求。其过程如图示5.7所 A/D转换 程序执行 硬件延迟时间 时间 时间 下一周开始 130 140 150 f(us) 图3.2采样开始和结束的判断车辆通过计量平台的开始和结束要由软件来判断。这就需要在软件中设置一个阀值U0，如果A/D卡的转换数据超过阀值U0则认为车辆开始通过计量平台采样开始，一旦采样开始并且转换值低于阀值U0则认为小车离开计量平台采样结束。图中的T1、T2分别表示采样的起始点和结束点。如图5.8所示 U0 t1 t2 t图3.3阀值的确定： 在没有车辆通过计量平台时进行30次数据采样，记录每次采样的峰值数据，可见每次测量峰值均不超过T（假设），因此取阀值为U0为T即可。 数据采集程序框图，见图3.4图3.4采集程序框图 数据的预处理 从上面的论述可以知道，测量系统在采集数据时存在各种干扰，使采集数据偏离真实值。尽管可以在系统的建设平台中采取各种手段来排除干扰的影响，但干扰还是不可避免的存在，为此有必要对数据进行预处理以使数据还原。 采样数据的标度转换 经A/D转换器输出的是电压，而本课题最终测量的是重量，因此必须采取标度变换的手段把电压值转换为所需要的重量。变换公式为式中 W0 -被测量量程的下限； Wm-被测量量程的上限； W-标度变换后得到的被测量的实际值； U0- W0对应的A/D转换后的数字量； Um- Wm对应的A/D转换后的数值量； X-被测量实际值W对应的A/D转换后的数字量；3.2.3数字滤波模块由于科研现场尤其是工作现场环境恶劣、干扰源多，因此为了减小数据的干扰、提高系统的性能，在数据处理前应当对采集的数据进行滤波。数字滤波与硬件滤波有很多的优点，如： 1.数字滤波是用程序实现的，因而不需要增加硬件设备，可以多个采集通道共用一个滤波程序，节省费用。 2.通过改写数字滤波程序，可以实现不同滤波方法或改变滤波参数，这比硬件滤波要灵活方便。 3.由于数字滤波不需要硬件设备，各回路之间不存在阻抗匹配的问题，因而可靠性高、稳定性好。现在称重仪表中常用的数字滤波方法有中值滤波法、算术平均值法、加权平均值法以及复合滤波法。中值滤波法不适合快书变化的参数，而算术平均值法不易消除脉冲干扰而引起的偏差，而加权平均滤波法在滤波过程中故增加了计算量、降低了处理速度，只有复合滤波法可以很好的克服上述缺陷，本设计采用复合滤波法。复合滤波法即先采用中值滤波法滤除由于脉冲干扰而有偏差的采样值，然后把剩下的采样值做算术平均，起原理用下式表示：车辆在动态称重时，作用在平台上的力除真实轴重外，还有许多因素产生的干扰力，如：车速、车辆自身谐振、路面激励、轮胎驱动力等，给动态称重实现高精度测量造成很大困难。若在消除干扰的过程中采用模拟方法滤波，参数则不能过大，否则将产生过大的延迟导致不能实现实时处理，从而造成滤波后的信号仍然含有相当一部分的噪声。所以必须采用数字滤波消除干扰。本文采用FIR数字滤波，其原理如公式1所示。 其中h(k)为系统滤波参数，x(n)为采集的信号，Y(n)为滤波后的输出信号。FIR滤波器的h(n)0 n N-1在本文中N=17。由于h(n)具有对称性质，即：h(n)=h(N-1-n) (n=0,1,.,(N-1)/2) (3)这样就可以把FIR滤波器设计成具有线性相位。利用这一情况，可以得到的乘法结构，需要(N+1)/2乘法，仅是级联或并联结构所需次数的一半，因此，实际应用中多采用此方法。我们选用17 点的FIR 滤波算法，这样实现一次FIR卷积运算需要执行9次乘法和16次加法。为了实现数据的实时处理，需要在20ms内完成这个卷积运算，如果选用单片机89C51（12M 晶振）则无法实现。选用了Altera公司的FLEX10K20FLEX10K 系列是工业界第一个嵌入式的PLD，采用重复可构造的CMOS SRAM 工艺，把连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合，同时也结合了众多可编程器件的优点来完成普通门阵列的宏功能。具有高密度、低成本、低功率等特点。实践证明此算法用于动态称重具有良好的效果。动态称重够的时间完成模数转换。轴重台的宽度为40cm，汽车通过轴重台的最大速度为15km/h，通过计算可知在这段时间里系统可采集4800个数据。由于前30ms是传感器的反应时间，将剩下的数据进行FIR数字滤波后，噪声会被有效的抑制。为了进一步平滑波形，对每8个数据做一次平均，这样就消弱了由于汽车高速通过轴重台时由于颠簸产生的尖峰信号。FPGA 的每次滤波包含有FIR运算和8个数据的平均值运算，完成一次滤波就会向单片机发一个中断请求，此时单片机读取滤波后的数据。根据轴重称量的波形图可以知道，只要求出此时的最大值就是汽车的真实重量。在此仪表中，串行口即用来显示也