学士学位论文—公路车辆超载检测系统的研究

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1、哈尔滨远东理工学院学士学位论文 题 目：公路车辆超载检测系统的研究 姓 名：李传运 分院： 专业： 学 号： 指导教师： 二0 年 月 日毕业设计（论文）评语及成绩 一、指导教师评语：是否同意参加答辩：指导教师签字： 20 年 月 日 二、评阅人评语：是否同意参加答辩： 评阅教师签字： 20 年 月 日 三、答辩委员会评语：是否建议授予学士学位：答辩委员会成员签字：1、 2、 3、 4、 5、 6、7、 8、 9、 20 年 月 日 四、答辩委员会主任单位 答辩委员会主任职称 答辩委员会主任签字 20 年 月 日 五、毕业设计（论文）成绩： 学生所在分院盖章： 20 年 月 日哈尔滨远东理工学

2、院毕业设计（论文）任务书学生姓名学 号分 院专 业任务起止时间： 年 月 日 至 年 月 日毕业设计（论文）题目：毕业设计（论文）工作内容：毕业设计（论文）进度安排：1、查阅中外文文献资料，写出文献综述阶段：2、调查、设计、实验、研究阶段：3、设计（论文）撰写与整理阶段：指导教师意见与要求： 签字： 年 月 日主任意见： 签字： 年 月 日哈尔滨理工大学远东学院学士学位论文摘 要公路运输仍然是货物运输的主要手段，对国民经济的建设起到了积极的推动作用。但是公路上的超载车辆的危害却是很大的，主要有：加速损坏公路路面，增加公路成本，造成交通事故频繁发生，加速车辆损坏等，因此对公路车辆超载管理的问题就

3、显得日趋重要。动态称重是公路车辆自动称重计量的有效手段，也是加强公路超载运输、强制实施超载法规等管理现代化、科学化的技术条件。对于动态称重来说，速度和精度是两个非常重要的性能指标，它们标志着动态称重的水平。本文通过对国内外的汽车动态称重技术的研究与比较，建立了汽车称重的力学二阶系统模型，推导出车重与传感器输出电压之间关系的数学方程。根据此模型，设计了以DSP和ARM为核心的车辆超载检测系统。该系统由硬件和软件两部分构成，硬件主要包括称重模块和控制模块。称重模块由数据采集模块和数据处理模块构成。为了保证采集数据的实时性和较强的抗干扰能力，选用了ADI公司的高精度模数转换器AD7714和光纤传感器

4、来组成数据采集模块；为了实现称重算法的运行和进行复杂数学运算，采用了TI新推出的TMS320DM642构成数据处理模块的核心，其主频最高可达720MHz，处理性能可达 5760MIPS，满足了动态称重对速度和精度的要求。为了及时响应称重模块的系统请求，本文设计了以Intel公司的PXA270为核心的控制模块，在其上扩展了触摸屏接口、IDE硬盘接口、以太网接口等。通过在控制模块上构建信息管理系统，进行相应的控制命令的输入和控制动作的输出，同时实现大量数据的存储与传输。软件部分包括两部分，一部分是对建立的称重模型通过编程在DSP上实现，完成对数据的处理；另一部分是ARM上信息管理系统和工作流程的设

5、计与实现。通过对嵌入式实时操作系统Windows CE的裁减与定制，在其上用Embedded Visual C+(EVC)建立了信息管理系统和工作流程软件，对车辆的信息进行管理和对车辆超载检测的整个过程进行控制，并实现了整个系统的实时操作和多任务工作。本文采用了模块化的思想进行了软件设计，使软件容易升级，人机界面友好，使系统操作简便。最后对本文设计的整个系统进行了性能试验和误差分析，并对进一步的工作进行了设想。关键词：动态称重；DSP；ARM；传感器AbstractThe road transport is the main means for merchandise, which promo

6、tes national economy. But the damage of the overloading is huge, such as destroying the road surface, increasing its cost, making more traffic accident and accelerating the vehicles aging etc. So it becomes more and more important to resolve the overloading problem and repair the highway. As the eff

7、ective method to auto-weighing vehicle, vehicle dynamic weighing is the precondition to the modernized and scientific management of reinforcing overloading control regulations. For the dynamic weighing system, the weighing accuracy and the vehicle pass speed are the most important features, which in

8、dicate the technical level of dynamic weighing. Through studying and comparing the vehicle overload weighing technique at home and abroad, mechanics system model of two steps of vehicle weighing is established, the math equation between vehicle weight and output voltage of sensor is deduced. Then ac

9、cording to the math equation, this paper designs vehicle overloads detecting system which consists of DSP and ARM. The system is composed of two parts: hardware and software. The hardware includes weighing module and control module. The weighing module includes data sample module and data process mo

10、dule. In order to ensure the real time ability of sample data and better anti-jamming ability, this paper selects ADIs high accuracy analog to digital convertor AD7714 and fiber sensor to consist of data sample module. For achieving weighing arithmetic and carrying out complex math operation, TMS320

11、DM642 is adopted as the core of data process module, whose highest main frequency can reach 720MHz, process performance can reach 5760MIPS. Moreover, TMS320DM642 still can meet the requirement of speed and accuracy in dynamic weighing system. For responsing requirement of weighing module system in t

12、ime, this paper designs control module whose core is PXA270 of Intel Company, on which touch screen interface, IDE hard disk interface, Ethernet interface is extended. Through establishing information management system on control module, input of control order, output of control actio n and a mass o

13、f data storage and transmission is carried out. The software also includes two parts. The one part realizes the weighing model on DSP by programming and carris out process data. The other one designs and realizes information management system and work flow. Through cutting down and customizing Windo

14、ws CE, a embedded real time operation system, using Embedded Visual C+(EVC), this paper establishs information management system and work flow software, which may manage vehicle information, control process of vehicle overloads detecting and carry out the detecting system real time operation and mul

15、ti-task work. This paper makes software easy to update by adopting modularization idea to design software and makes system operation simple for friendly man-machine interface.Finally, this paper makes performance test and error analysis for the detecting system and conceives the further work.Keyword

16、sdynamic weighing ; DSP ; ARM ; sensor3哈尔滨理工大学远东学院学士学位论文目 录摘 要1Abstract2目 录3第1章 绪论51.1 课题背景51.2 动态称重概述51.2.1 车辆动态称重技术的回顾61.2.2 车辆动态称重产品的发展历史71.2.3 车辆动态称重技术的国内发展展望81.3 车牌识别系统概述91.4 本文主要工作9第2章 称重系统的构成及算法102.1 工作平台简述102.1.1整车识别102.1.2 轮轴识别与车速度检测122.2 称重模型建立142.2.1 力学模型142.2.2 测量系统的传递函数162.2.3 传递函数离散化16

17、2.2.4 信号分析及算法172.3 本章小结18第3章 系统硬件设计193.1 系统概述193.2 数据采集与处理模块193.2.1 TMS320DM642概述203.2.2 网络接口203.2.3 ATA硬盘223.2.4 实时时钟233.3 传感器233.3.1 传感器的选择233.3.2 光纤压力传感器原理243.4 数模转换器253.5 控制模块253.5.1 PXA270核心板253.5.2 触摸屏接口263.5.3 IDE电路263.5.4 USB概述273.6 ARM与DSP接口设计273.7 本章小结27第4章 软件设计与试验结果分析284.1 系统工作流程284.2信息管理

18、系统294.3 称重模块软件294.4 称重算法试验结果304.4.1 动载质量标准304.4.2试验结果及分析304.4.3 称重系统的静态标定314.5本章小结31结论32致谢33参考文献34附录3638第1章 绪论1.1 课题背景近年来，我国道路运输车辆超限超载现象极为普遍，在严重的地区，几乎所有的货运车辆都存在不同程度的超限超载行为。2000年以来，有关部门和地方先后开展了一系列治理工作，取得了一定成效，但由于超限超载涉及面广，治理难度大，加之利益驱动，特别是源头问题没有得到有效解决，使超限超载成为一个“顽症”，有“愈演愈烈”之势。车辆超限超载运输对交通安全、运输市场、车辆生产秩序及路

19、桥基础设施造成极大危害。一是诱发了大量道路交通安全事故；据统计，70的道路安全事故是由于车辆超限超载引发的，50的群死群伤性重特大道路交通事故与超限超载有直接关系，车辆超限超载运输给人民生命财产造成了巨大损失。二是严重损坏了路桥基础设施；超限超载车辆的荷载远远超过了公路和桥梁的设计承受荷载，致使路面损坏、桥梁断裂。正常使用年限大大缩短，不得不提前大中修。全国公路每年因车辆超限超载造成的损失超过300亿元，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，以超限超载来获取利润，超载越多，赚的越多，形成了“压价超限超载运力过剩再超限超载”的恶性循环，正常使用年限在10

20、年左右的货运车辆23年后即破旧不堪1。四是造成车辆“大吨小标”泛滥；为迎合车辆超限超载运输的需求，一些车辆生产厂商竞相生产“大吨小标”汽车，一些车辆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，车辆超限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。道路运输车辆超限超载的危害性，引起了党中央、国务院的高度重视2。发达国家在公路骨干网上普遍设立了检测设备，对超限现象实施严格管理。目前在全国超限超载治理工作中需要大量的检测设备，而装有

21、检测设备的高等级公路匝道或收费站却不多，车辆是否超载主要由交通管理人员凭经验判断，由于缺乏科学性，给管理部门的严格执法带来困难。或者采用大型地磅秤作为计量设备而造成车辆排队等候称量，使交通堵塞，因此目前路政管理部门需要一种动态称重系统来规范公路车辆货重检测，从而抑制日益严重的超载现象。1.2 动态称重概述动态称重简称为WIM(weigh-in-motion)，是指汽车在运动状态下称出汽车的重量。与停车状态下的静态称重相比，动态称重的主要优点是节省时间、效率高，使得称重不至于造成对正常交通的干扰，对公路建设与管理有着极为重要的意义，同时对实现交通运输管理的现代化也有着巨大的促进作用。但另一方面，

22、静态称重时车辆平稳地作用在称重仪上，除汽车的真实重量外无其他任何干扰，因此容易实现高精度测量。而动态称重时除汽车的真实重量外还有其他许多因素，如汽车结构及载荷状况、车辆行驶状态、路面状况等会产生干扰，严重影响测量结果，对实现高精度的动态称重造成很大困难。目前汽车动态称重系统已经在一些发达国家，如美国、德国、日本等得到广泛应用，其中德国PAT公司生产的产品精度已达±3，而国内在这方面研究的起步比较晚，目前产品的平均误差从±5到±30不等3 4。1.2.1 车辆动态称重技术的回顾为了抑制车辆超载给道路设施造成损害，国外从20世纪50年代后期就开始对车辆超载检测技术进行

23、研究，到20世纪90年代基本上形成了成熟产品，产品也由静态的整车测量发展到了动态的轴重检测，这就是人们熟知的动态称重WIM技术。在过去几十年的动态称重技术研究中，在如何保持检测精度的前提下提高车辆通过速度一直是各研究机构所致力解决的问题，不懈的努力使动态称重技术已经得到了很大的发展，综述国内外资料，目前动态称重方法主要有以下几种。1. ADV法、DV法、V法 该类方法是20世纪80年代的日本小野敏郎为解决动态称重问题所提出来的，其测量思路主要是同时或单独测量重物移动的位移、速度和加速度，然后用直接方法或数值积分方法来求解称重过程的微分方程以获得力值。这类方法有些是因需同时使用多种不同类型传感器

24、而难以实现5 6 7，有些虽然只使用同类传感器，但由于采用积分方法因而准确度较差，且往往只适用于噪声很小的场合。2. 位移积分法 该方法是目前国内多个科研单位主要采用的方法8。也是ADV法、DV法、V法的一种沿袭。其原理大致是：将称重系统的输出信号对一小段位移L1。沿其长度L方向积分。L1的两端通过对称重系统各传感器的输出信号进行比较而定，如图1-1所示。动态分量在积分区间被平均，使车辆振动造成的干扰影响较小，因此精度相对也较高，但这需要较长的数据才能保证精度，这也是目前动态称重系统当提高车辆通过速度时，测量精度无法保证的原因所在。3. 补偿法 该方法主要是针对传感器的响应速度慢和超调量大，在

25、很大程度上限制了动态称重速度和准确度的提高的缺点，从而提出通过设计补偿元件，在比“称重传感器稳定时间”更短的时间里完成测量，因此动态称重装置主要由称重传感器和动态补偿元件组成。4. 专家系统 该方法主要是引入知识模型而构成专家系统。即把优秀称重测力专家的思维过程固化到测量程序中，并与计算机修正程序结合起来，进而提高计量仪器的测试能力和故障检测能力。5. 参数估计法 该方法主要是把动态测量作为一个参数估计和预测问题来处理9，即首先根据有关称重测力系统的先验知识，推导出一个含有未知参数的模型，然后用该模型去拟合称重测力过程的输出信号，从而获得最小平方误差意义上的参数估计。由于被测重量或力值可以看成

26、是称重测力过程的终值，因此它们可以用模型参数进行估计或预测。6. 神经网络 该方法主要是基于并行技术的思想，以神经网络技术为控制核心，采取多因素协调，将检测过程中对影响称重精度和限制车辆通过速度起主导作用的因素作为训练样本10，通过训练获得较好的网络模型，再根据该模型和网络输入数据得出车重，并期望提高检测精度。目前来看，利用数学模型的称重检测方法是比较有前途的，绝大多数称重系统基本上是具有二阶（或准二阶）传递特性的系统，假如称重系统采用二阶的自回归滑动模型ARMA，再借助于这个模型和递推的最小二乘法RLS即可由极短的称重阶跃响应估计出模型参数和被称重量。在现有的车辆动态称重系统中，为了提高检测

27、精度，信号的测量往往是在衰减到一定程度并稳定后才进行，这就大大限制了车辆通过速度。1.2.2 车辆动态称重产品的发展历史在20世纪，许多国家的道路运输普遍存在超载现象，据调查，德国大型载货车辆中超载车辆数量达到50，日本达到20，美国达到4060。为了避免超载车辆对公路造成早期破坏，欧共体成员国和美国、日本、加拿大等国在20世纪50年代就开始对车辆动态称重系统进行研究并取得了相应的成果11。20世纪50年代末，美国开始对WIM系统进行研究。20世纪60年代末，西德的PAT公司开始对平板式车辆动态称重器进行研究12。1974年，美国首次在车辆载荷研究中使用WIM系统；同年法国取得了一项压电缆动态

28、车辆称重器的专利，即Vibracoax。20世纪80年代中期，美国各大州开始推广安装WIM 系统。1988年英国研制了一种性能优于Vibracoax的新型压电称重传感器Vibetek5。1991年改型为Vibetek20。1992年，由欧洲高速公路系统研究实验室联盟(FEHRI)发起，按照欧盟运输委员会(ECTD)的程序框架进行了COST323计划。该计划主要内容就是研究对公路行驶车辆进行动态载荷监控的相关问题，其中最重要的一项测试是在瑞士进行的为期30个月的WIM系统实际应用测试。1994年，欧盟开始进行WAVE(Weighing in motion of Axle and Vehicles

29、 forEurope)计划从1997年6月到1998年6月在瑞典气候寒冷条件下进行产品系统测试，即著名的CET(Cold Environment Test)测试。结果表明德国PAT、瑞士Kistler、美国Mikros等公司的产品在测量性能方面处于领先水平。2000年ITS年会上展出了一种由美国MSI公司开发的共聚物压电轴传感器，可以同时测量车速、车轴数、轴距并进行车型分类和动态称重13。国内的超载现象在某些省份特别严重，尤其是存在矿产资源的地区14。我国在不同时期对超载现象提出过相应的管理措施：1987年国务院颁布了中华人民共和国公路管理条例，1988年交通部颁布了中华人民共和国公路管理实施

30、细则，2000年交通部颁布了超限运输车辆行驶公路管理规定，2003年底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签署意见，2004年实施了关于在全国开展车辆超限超载治理工作的实施方案。伴随着国家法规的不断颁布，国内有关科研机构一直未停止过对车辆超载检测技术的研究，其中也包括引进国外技术。我国“七五”期间开始引进和消化国外动态称重系统，同时也开始对动态称重系统进行研制。但引进产品都属于国外换代产品，主要问题有：适应速度范围小（低速范围），测量精度不高，传感器过于庞大，安装施工及维护不便。20世纪80年代出现了电子汽车衡，它包括带基坑和无基坑两种，带基坑的电子车辆衡对道路破坏较大

31、。1994年一种动、静态两用电子轨道衡在太原钢铁公司通过了鉴定，该产品集动态和静态轨道衡的优点于一身，较好地解决了检测精度与车辆通过速度之间的矛盾。作为国家“八五”期间重点科技项目，交通部重庆公路科学研究所研制了一种固定式动态车辆称重系统，该系统由一套称重传感器和一台电子测量仪器构成，每车道布置两只传感器，每台仪器可测量14个车道，轴重误差小于±10，置信度为95。1999年，德国PAT载荷监控产品开始进入中国市场，云南航天新技术工程有限公司引进其技术并于1999年8月获得了国家技术监督局颁发的计量器具型式批准证书。国内目前动态称重系统的研究状况是起步晚、时间短，在研究过程中未能对行

32、驶车辆的干扰因素作深入系统的分析，对动态检测信号处理简单，为了提高检测精度，往往要求信号在经过一定时间衰减并达到稳定后开始测量。使得这类产品往往需要较长的受荷板或受制于较低的车辆通过速度，检测精度也不高，一般平均误差为±(530)。目前国内如京珠高速公路、南京长江二桥等高等级公路和桥梁上安装的高精度车辆动态称重系统主要来自国外，这类产品存在价格昂贵、超限标准与国内法规不一致等缺陷。1.2.3 车辆动态称重技术的国内发展展望1. 车辆动态称重系统将融入ITS(Intellingent Transport Systems)，成为其组成部分，因此作为固定式的WIM系统或装置，设计时要考虑这

33、一背景，在数据处理、信号传输、上下位机的关系、硬件配备等方面，均要考虑，以便于其“嵌入”ITS。2. 称重传感器的寿命将制约车辆动态称重系统的广泛使用，这是国内业界应当认真面对的问题。国内较为普遍地运用压电陶瓷式、电阻应变片式等形式称重传感器，国外则较多地运用了压电薄膜、液压管、共聚物压电轴等形式的称重传感器，大大提高了使用寿命，对于便携式WIM系统还能方便现场使用。3. 目前国际上还没有规范且权威的车辆动态称重技术标准，仅有一个得到西方国家承认的国际参考标准ASTM E131894。这给我国研究和应用车辆动态称重技术带来了机遇和挑战。机遇是在没有国际权威规范标准的情形下，我国有了领先设立国际

34、标准的机会。挑战在于如何在国内深入研究和应用车辆动态称重技术，至少先要建立相应的国家标准，并付诸实施。4. 低速WIM系统的造价和维护费用都要低于高速WIM系统。以我国目前的道路运输水平，对应WIM系统的允许通过车速并不需要太高。用于计重收费的场合，固定式WIM系统一般安装在收费口或匝道口，在与ITS系统相配的情形下，车速一般不会高于40km/h。用于执法临检的场合，便携式WIM系统一般安装于辅道或路侧，车速一般不会高于5km/h。5. 车辆动态称重技术在我国不仅是限制超载、预防事故、保护路桥的一种保障措施，同时具有提升主干运输企业资质、防止运输市场低价恶性竞争、保护国家、运输企业和货主利益的

35、潜在作用。因此在我国应当更加重视和大力实施这一技术，以促进我国的道路运输法制进程。6. 在相当长的一段时间内，固定式和便携式两类WIM系统在我国都有需求的市场。由于受到经济水平的限制，固定式WIM系统单机的价格不宜超过10万元人民币，便携式WIM系统单机的价格不宜超过2万元人民币。1.3 车牌识别系统概述车牌识别要经过下面几个步骤：图像的采集与预处理，车牌定位，车牌分割，字符的识别15 16。图1-2是车牌识别系统的总体框图。车牌的识别是系统中重要的一部分。在车辆驶过秤台的同时启动牌照识别设备的CCD摄像机，通过图像采集模块采集图像数据，对其进行灰度化、二值化，使其易于存储和处理，通过边缘检测

36、定位车牌，并对字符进行分割和识别，经处理得到车牌号码，然后将数据传到控制管理系统。1.4 本文主要工作鉴于上面所叙述的，本文的主要内容如下：1. 建立称重系统工作平台，包括动态称重模块，操作系统控制管理模块；2. 建立相应的称重模型并进行数学推导，得出称重系统的方程，建立车重与传感输出电压之间的关系；3. 建立相应的硬件和处理应用程序。这其中包括前端车重数据采集部份，传感器和AD转换器的选择与应用，DSP数据处理系统的建立与运行，ARM控制管理系统的建立，Windows CE操作系统的裁剪与定制，应用程序的编写；4. 对系统进行静态与动态试验，并对试验结果进行分析。第2章 称重系统的构成及算法

37、2.1 工作平台简述车辆超载自动检测系统主要由动态称重模块（秤台、称重传感器、接线盒等）、红外车辆分离器、轮胎识别器、CCD摄像机、可变情报板等组成。在距离超限收费检查站（监控中心）一定距离的地方设置高精度的动态称重系统和汽车牌照识别设备17，当车辆驶过秤台时，车辆分离器检测到车辆到达，产生一个信号，通知动态称重模块进入称重工作状态，每一轴重量经两侧轮胎作用于秤台上，称重传感器输出与重量成正比例的电信号，放大、转换后经数据处理模块处理，完成每一轴重动态称量；当车辆完全驶过秤台，将各轴重累计，即得到车辆总重；轮胎识别器根据车辆轮轴特征检测车辆所属类型；在车辆驶过秤台的同时启动牌照识别设备的CCD

38、摄像机，通过图像采集模块采集图像数据，经DSP处理得到车牌号码，根据检测到车型分类计算该车是否超载以及超载的具体数量，并将车型分类、车牌号码、车辆总载荷以及超载数量等数据通过HPI接口传输送往监控中心信息管理系统。并在超载检测收费站与动态称重系统之间设置可变情报板（信息显示屏）配套设备，将超载车辆的车牌号码、载荷以及超限重量显示在可变情报板上，提示超限的车辆驶入超载收费站进行卸载和交费，而未超载车辆则不需停车。系统总体结构图如图2-1所示。2.1.1整车识别由于汽车的轴数相差甚大，有2轴、4轴、6轴和8轴等，因此如何判定一辆车已测重完毕即整车识别问题是自动收费的一个关键问题，其关键是找到一套能

39、跟踪所测车辆从进入检测区至开出检测区全过程的系统 。整车识别的难点是识别间距很小的两车、拖车和高速运动车18。常用的检测仪器有以下3类。1感应线圈传感器 其工作原理是检测线圈的磁通变化。这种方法的优点是价格低廉，但是缺点也是致命的：第一，路面受损。线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，埋置线圈的切缝软化了路面，使路面损坏。第二，气候敏感。感应线圈易受到冰冻、盐碱的影响。第三，寿命短。感应线圈寿命一般为二年，之后要破坏路面，重新铺设。第四，误动作以及反应迟缓。当两辆车靠得很近时，感应线圈有时只产生1次感应动作；当一辆长车中间有较大空隙时，例如拖车，感应线圈会产生2次感应动作：当车的底盘太高时，感应

40、动作迟缓；当车速较高时，感应器不响应。感应线圈很容易产生误动作以及反应迟缓，造成测量数据混乱或不及时，因此无法作为本系统的整车识别器19。2超声波车辆检测器 据声波的传播和反射原理，通过对发射波和反射波的时差测量实现位移测量的设备。声波在空气中的传播速度为340m/s，因此其反射相对速度为170m/s，由此可根据反射波和发射波的时差计算出反射物距探头的距离。超声波检测车辆速度快，但如果声波密集在某一固定地方，又聚集很长的时间的话，就会有热效应，这种热效应达到一定程度时，可能会对人体组织产生不良的影响，影响细胞内的物质，包括染色体。3红外车辆分离器 使用红外车辆分离器(如MINI-ARRAY)可

41、以避免以上的缺点。分离器有收发器各一，有两排红外发送接收管，各安装在车道一边。当光被阻断时，说明有车通过。当接收器接收到红外光时，说明一辆车通过完毕。这就是整车识别。由于本系统的分辨率很小，最小分辨率为9.5mm，因此可以检测出拖车的挂钩，从而识别出拖车。本系统每55ms发送一束检测红外光，1ms的处理时间。车以时速60公里通过检测台，56ms行驶长度为0.93m。因此，只要两车间距超过0.93米，车速不大于60公里，就能将其分辨出来。事实上，通过收费站，在车拥挤时，车速只有五六公里，因此，两车间距只要在10cm以上，就可以从容识别了。整车识别在算法上也有技巧，至少要求150 mm高的光路被挡

42、住后控制器才有输出，这一性能可能使系统不受落下的雨滴、雪花、污泥以及飞入检测区域的鸟或昆虫的影响，拖钩检测也是由上面这个检测性能来实现的；挡住至少150mm高的光路后才有输出，而只有当所有光路导通后，输出才关断。车辆进入检测区域后，首先车头挡住的光束尺寸肯定高于150mm，此时控制器输出动作，如果带一个拖车的话，拖钩肯定会挡住至少1条光束，那么光幕就会一直保持输出动作的状态。对于红外检测而言，雨、雾、灰尘和强阳光是很致命。测量光幕系统应具有高过量增益，以适应雨、雪和灰尘等环境。热防护罩可用于环境温度为-25到70，相对湿度95条件下工作。从性能价格上来看，线圈最便宜但性能最差，不适合安装在公路

43、上。红外检测性能和使用均很方便，但价格较高，适合安装在公路上。2.1.2 轮轴识别与车速度检测对载重汽车的类型判定，根据交通部2000年2号令超限运输车辆行驶公路管理规定，轴载质量如表2-1所示。表2-1 轴载质量Table2-1 Axle load mass轴组类型轮轴类型编号图解限定值（Kg）单轴每侧单轮胎16 000单轴每侧双轮胎210 000双联轴每侧单轮胎310 000双联轴每侧一单轮胎一双轮胎414 000双联轴每侧双轮胎518 000三联轴每侧单轮胎612 000三联轴每侧双轮胎722 000以载重货车为例，其轮胎的断面宽在28.33cm之间，每侧双轮胎，轮胎间距大于10cm，这

44、就给轮胎识别创造条件。在秤台顺车行方向下方设置轮胎判别器，其结构和原理如图2-2所示。轮胎识别原理如下：1. 轮胎识别器 在通道中心线一侧的路面上装置13只20只（每只间隔10cm）压敏传感器，每个传感器的输出与轮胎判别器的装置相连，当车辆通过时轮胎与地面接触部位的数量可以由传感器检出，当车轮压到该感应器时，产生数据1，否则产生数据0。控制器读取该数据，有几个连续的1，为一个轮胎，连续的1越多，轮胎就越宽。标准检测情形如下：双轮胎： 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0单轮胎： 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 02. 车速检测 轮胎识别器A和测重台B的距离是固定的(如图2

45、-2所示)，由于A、B两点的距离不足1m，可以认车是匀速通过，因此车通过轮胎识别器和测重台的时间t便可检测车速：t。 3. 车轴组检测 通过车速v和轮胎识别器相邻信号时间来判断单轴、双轴或三联轴。如图2-4所示。A、B、C、D4个检测信号，时间差是，由、 (2-1)再由距离d大于设定值，便可判断A、B为单轴C、D为双联轴。综合运用红外整车分离器功能，来跟踪确认所测车辆从进入检测区至开出检测区全过程，并在所测车辆进入检测区时和开出检测区时及时向控制器传输中断信号，使控制器根据整车识别器发出的信号自动判断，汇总加权计算所测车辆的总重量。2.2 称重模型建立2.2.1 力学模型为便于数学求解，将车身

46、视为支撑在弹簧上的刚性板。由于称重过程中台面垂向位移远小于汽车前后轴距，可以忽略车体转动的影响20。汽车秤台系统可简化为图2-5所示的力学模型。其系统振动方程为： (2-2)式中 ，、秤台与汽车质量，、秤台和汽车支承系的弹性系数，、秤台和汽车的阻尼系数，、秤台面和汽车的垂向位移，G冲击载荷。为了简化式(2-2)的解偶过程，忽略C，即假设系统阻尼为零，得到两个独立的振动方程，能量主要集中于第一模态中21，其方程为： (2-3)式中 广义位移坐标，、是与有关的函数，其中 (2-4)式中 ， 当时，曲线如图2-6所示。由图2-6可知，当时，汽车衡的力学模型将是一单自由度有限振动微分方程：即当秤台的弹

47、性系数大于汽车的弹性系数时，振动主要表现为汽车的振动，此时秤台垂向振动影响可忽略不计。据此，重构动态 (2-5)式中 汽车垂向位移，汽车质量，汽车结构的弹性系数和阻尼系数，G车重。2.2.2 测量系统的传递函数由式(2-5)进行拉普拉斯变换，得到输入与输出的传递函数： (2-6)式中 无阻尼自振频率， 。系统的截止频率为： (2-7)以运输超载最多的货运车辆为例，要求货车板簧设计时的弹性系数取值范围，而为了保持公路路面的正常使用寿命，要求汽车轴重质量不大于，代入式(2-7)计算，得汽车振动的最大频率不超过20 Hz。为了提高测量的准确度，将车身垂直振动截止频率定为。根据采样定理，最小采样频率，

48、本系统的采样频率。2.2.3 传递函数离散化的离散化传递函数动态汽车衡的传递函数如图2-7所示，系统的输入为汽车的轴重阶跃信号。动态汽车衡的输出经过AD采样后，传感器的输出变化量为一离散量。为能得到输出跟输入之间，我们将系统输入视为阶跃信号经零阶采样保持电路之后得到的离散信号量22。零阶保持环节输出与连续输入信号之间的关系为： (2-8)其拉氏变换为，为采样间隔。加入零阶保持环节后，图2-7形式转化成图2-8，即经零阶保持环节后的传递函数为：假定系统的初始条件都为0，我们可以将系统的传递函数作Z变换23，即： (2-10)式中 由式(2-10)知，Z变换之后系统的传递函数具有如下形式： (2-

49、11)即： (2-12)为系统参数，由测量结果识别，由此得到系统的差分方程： (2-13)式中 阶跃输入，当时有，由于汽车垂向位移与传感器输出信号成正比，因此： (2-14)2.2.4 信号分析及算法由以上模型分析可知，根据测量数据可以推算车辆载荷，然而实际测量中，测量环节不可避免地引入了测量噪声，如电源电压波动、元器件噪声、量化误差及外界干扰等，使式(2-13)取得以下形式 (2-15)为测量环节引入的误差，通常假设为白噪声，用最小二乘法估计模型参数 ，使最小，从而实现抑制噪声的目的。式中 待定参数向量；单位矩阵；测量数据构成的数据向量。将离散化二阶系统方程运用于动态汽车衡。实现流程如下：系

50、统根据实测的数据序列，用最小二乘法估计离散化式(2-14)中的参数，据此递推计算系统的输入，为离散化的汽车重量序列，计算系统的输入序列取均值得到汽车的重量值。2.3 本章小结在本章中，首先详细介绍了整车识别的方法与过程，以及轮轴的识别和车速检测的方法。然后对汽车称重的力学模型进行了分析，推导出其二阶系统的传递函数，进而得出车重与传感器输出电压之间关系的数学方程。第3章 系统硬件设计3.1 系统概述硬件是整个系统的基础，有了性能高的硬件才能发挥出程序的性能，因此硬件设计很关键。在本文的系统中，包括动态称重模块，车牌识别模块，控制管理模块。动态称重模块包括红外车辆分离器、传感器、AD转换器和DSP

51、数据采集处理部分；车牌识别模块包括CCD摄像机、DSP处理模块等，控制管理模块包括人机界面、显示、相应的控制输入输出和信息管理系统。本文中主要设计两部分：一是DSP组成的车重数据采集和处理模块；另一部分是ARM组成控制模块，在其上嵌入操作系统，进行相应的控制和信息管理。系统的框图如图3-1所示，具体的在下面进行详细叙述。3.2 数据采集与处理模块数据采集与处理包括动态称重模块和车牌识别模块，本系统中主要对动态称重模块进行详细阐述，对车牌识别模块使用现有的模块，不对其进行说明。动态称重模块主要由TMS320DM642核心处理部分、传感器、放大电路和A/D转换器组成。在系统中我们采用的是TMS32

52、0DM642，它是专用于数字媒体应用的高性能32位定点 DSP，工作主频最高达 720MHz，处理性能可达 5760MIPS。3.2.1 TMS320DM642概述TMS320DM642（以下简称DM642）是美国德州仪器公司(TI)推出的一款面向数字多媒体应用的 DSP，采用TI的第二代高级超长指令字结构(VelociTI)，使得在一个指令周期能够并行处理多条指令。DM642采用两级缓存结构：第一级包括相互独立的L1P(16KB)和L1D(16KB)，只能作为高速缓存使用；第二级L2(256KB)是一个统一的程序/数据空间，可整体作为SRAM映射到存储空间，也可整体作为第二级Cache，或是

53、二者按比例的一种组合来使用，容量较大的两级缓存和EDMA通道是DM642高性能的体现之一，若能合理使用和管理，将能大幅度提高程序的运行性能24 25。此外DM642具有丰富的外围设备接口，包括3个可配双通道视频端口Video Port，其中每个Video Port又分成A和B两个通道26，A/B通道可分别处理一路视频采集，因此DM642最多可以处理6路视频采集数据（不带音频），另外还包括64bit的外部内存接口(EMIF)、10/100Mbps以太网MAC和多通道音频串行端口(McASP)以及66MHz 32bit的PCI接口。DM642的基本系统由DM642和外扩的存储器以及外设组成，而外扩

54、的存储器和外设均通过DM642的外部存储器接口(EMIF)进行扩展，DM642基本系统所必须的外扩资源包括：1. SDRAM(4M×64-位)，用于存放程序和缓存数字、视频/音频数据；2. FLASH(4M×8-位)，用于存放固化程序，以便进行ROM引导；3. UART(2×8×8-位)，扩展2个异步串口(RS232/RS422/RS485)；4. 板上寄存器(8×8-位)，由若干个8位状态/控制寄存器组成；5. 硬盘接口(16×16-位)，用于本地大容量存储接口。由上可知DM642非常适用于 VoIP、数字视频服务器、多通道数字视频

55、录像机(DVR)、多通道数字视频监控等应用，提供高质量的视频编/解码解决方案。TMS320DM642 外部地址总线只有A22:31，总共20根，所以子空间最大的寻址范围为1M×8位。核心板上子空间除了分配给Flash以外，还分配给状态/控制寄存器、UARTA、UARTB等资源使用，其中Flash只占据子空间的前一半的寻址空间，即最大的可寻址范围为512K×8位，而Flash的设计容量为4M×8位，所以为了寻址到Flash所有的地址空间，在核心板上采用分页技术来实现对Flash的访问，即将整个4M×8位的Flash分成8个512K×8位的页，而页

56、地址PA21、PA20、PA19则由页地址寄存器提供。3.2.2 网络接口TMS320DM642中的PCI接口、HPI接口和以太网MAC接口管脚是复用的。它们的功能选择和配置是在上电复位时通过检测TMS320DM642上的特殊引脚(PCI_EN、MAC_EN、HD5、PCI_EEAI)的状态来实现的。通过把管脚MAC_EN拉高，PCI_EN拉低配置成16位HPI接口和以太网接口的模式。TMS320DM642的网络接口由EMAC(10/100Mb/s Ethernet MAC)与MDIO(Management Data Input/Output)两部分组成的。其中EMAC为网路的数据通路，MDI

57、O为EMAC的状态及控制接口28 29。1网络接口的简介 TMS320DM642的网络接口主要用来支持物理层的网络器件(PHY)与DSP的连接。其中EMAC控制PHY与DSP之间的数据包的交换，MDIO控制PHY的配置与状态的监测。网络接口主要功能有：符合IEEE 802.3协议；支持传媒无关接口(MII)；8个独立的发送与接收通路；同步的10/100Mbit的数据操作；广播及多帧的传送。2PHY设备的连接 图3 -2为PHY设备与网络接口的框图。在DM642系统中用Broadcom公司的BCM5221作为10/100Base-TX以太网收发器，BCM5221的MII接口与DM642的MII接

58、口对接。DM642的MII不支持TXER，它通过求反发送帧CRC来指出网络错误，所以BCM5221上的TXER引脚直接接为无效。需要注意的是，数据经过BCM5221后的两组差分信号线在PCB布线的时候应尽量平行走线，避开高频干扰源，以保证舆信号的正确率。DM642中只采用10/100Base-TX方式，所以BCM5221的SD+和SD-引脚悬空。而TD+、TD-、RD+和RD-信号则经Pulse公司的H1102 1:1变压器变换成TX+、TX-、RX+和RX-信号，接口到RJ45连接器上。RJ45连接器选用AMP公司的406549-1，其上带2个LED指示灯，右边的LED为绿色，用作指示连接状

59、态，左边的为黄色，正常情况下，用来指示数据传输。3EMAC的数据包 在以太网络中，数据是以网络帧的方式进行传送的。其格式如表3-1所示。表3-1 以太网数据包格式Table3-1 Ethernet frame7166246-15004PreambleSFDDestinationSourceLenDataFCS从上面可以看出一个以太网数据包包括以下几个部分：Preamble：引导位；SFD：分隔符；Destination：目的地址；Source：源地址；Len数据的长度；Data：最长为1500个数据；FCS：帧校验。其中加粗的部分称为以太网的数据包，在EMAC经过EDMA后得到的内容为以太网的数据包，即粗框内的结构。因此，在编程时，不用关心粗框外的数据。网络接口主要用来进行大量的数据传输或与以太网接口。3.2.3 ATA硬盘ATA(Advanced Technology Attachment)，是一个流行的存储设备接口，被广泛应用于PC机上，用于主机与硬盘、光盘和可移动储存设备等设备接口。在 DM642系统中实现了ATA协议的PIO4方式，可以挂接硬盘等大容量的存贮设备，完成对大量数据的保存与检索。ATA接口标准由INCITS(InterNational Committee on Information Technology Stan