【文章內容簡介】 的動態(tài)稱重系統(tǒng)和汽車牌照識別設備[17]，當車輛駛過秤臺時，車輛分離器檢測到車輛到達，產生一個信號，通知動態(tài)稱重模塊進入稱重工作狀態(tài)，每一軸重量經兩側輪胎作用于秤臺上，稱重傳感器輸出與重量成正比例的電信號，放大、轉換后經數(shù)據(jù)處理模塊處理，完成每一軸重動態(tài)稱量；當車輛完全駛過秤臺，將各軸重累計，即得到車輛總重；輪胎識別器根據(jù)車輛輪軸特征檢測車輛所屬類型；在車輛駛過秤臺的同時啟動牌照識別設備的CCD攝像機，通過圖像采集模塊采集圖像數(shù)據(jù)，經DSP處理得到車牌號碼，根據(jù)檢測到車型分類計算該車是否超載以及超載的具體數(shù)量，并將車型分類、車牌號碼、車輛總載荷以及超載數(shù)量等數(shù)據(jù)通過HPI接口傳輸送往監(jiān)控中心信息管理系統(tǒng)。并在超載檢測收費站與動態(tài)稱重系統(tǒng)之間設置可變情報板（信息顯示屏）配套設備，將超載車輛的車牌號碼、載荷以及超限重量顯示在可變情報板上，提示超限的車輛駛入超載收費站進行卸載和交費，而未超載車輛則不需停車。系統(tǒng)總體結構圖如圖21所示。由于汽車的軸數(shù)相差甚大，有2軸、4軸、6軸和8軸等，因此如何判定一輛車已測重完畢即整車識別問題是自動收費的一個關鍵問題，其關鍵是找到一套能跟蹤所測車輛從進入檢測區(qū)至開出檢測區(qū)全過程的系統(tǒng) 。整車識別的難點是識別間距很小的兩車、拖車和高速運動車[18]。常用的檢測儀器有以下3類。1．感應線圈傳感器 其工作原理是檢測線圈的磁通變化。這種方法的優(yōu)點是價格低廉，但是缺點也是致命的：第一，路面受損。線圈在安裝或維護時必須直接埋入車道，埋置線圈的切縫軟化了路面，使路面損壞。第二，氣候敏感。感應線圈易受到冰凍、鹽堿的影響。第三，壽命短。感應線圈壽命一般為二年，之后要破壞路面，重新鋪設。第四，誤動作以及反應遲緩。當兩輛車靠得很近時，感應線圈有時只產生1次感應動作；當一輛長車中間有較大空隙時，例如拖車，感應線圈會產生2次感應動作：當車的底盤太高時，感應動作遲緩；當車速較高時，感應器不響應。感應線圈很容易產生誤動作以及反應遲緩，造成測量數(shù)據(jù)混亂或不及時，因此無法作為本系統(tǒng)的整車識別器[19]。2．超聲波車輛檢測器 據(jù)聲波的傳播和反射原理，通過對發(fā)射波和反射波的時差測量實現(xiàn)位移測量的設備。聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，因此其反射相對速度為170m/s，由此可根據(jù)反射波和發(fā)射波的時差計算出反射物距探頭的距離。超聲波檢測車輛速度快，但如果聲波密集在某一固定地方，又聚集很長的時間的話，就會有熱效應，這種熱效應達到一定程度時，可能會對人體組織產生不良的影響，影響細胞內的物質，包括染色體。3．紅外車輛分離器 使用紅外車輛分離器(如MINIARRAY)可以避免以上的缺點。分離器有收發(fā)器各一，有兩排紅外發(fā)送接收管，各安裝在車道一邊。當光被阻斷時，說明有車通過。當接收器接收到紅外光時，說明一輛車通過完畢。這就是整車識別。由于本系統(tǒng)的分辨率很小，因此可以檢測出拖車的掛鉤，從而識別出拖車。本系統(tǒng)每55ms發(fā)送一束檢測紅外光，1ms的處理時間。車以時速60公里通過檢測臺。因此，車速不大于60公里，就能將其分辨出來。事實上，通過收費站，在車擁擠時，車速只有五六公里，因此，兩車間距只要在10cm以上，就可以從容識別了。整車識別在算法上也有技巧，至少要求150 mm高的光路被擋住后控制器才有輸出，這一性能可能使系統(tǒng)不受落下的雨滴、雪花、污泥以及飛入檢測區(qū)域的鳥或昆蟲的影響，拖鉤檢測也是由上面這個檢測性能來實現(xiàn)的；擋住至少150mm高的光路后才有輸出，而只有當所有光路導通后，輸出才關斷。車輛進入檢測區(qū)域后，首先車頭擋住的光束尺寸肯定高于150mm，此時控制器輸出動作，如果帶一個拖車的話，拖鉤肯定會擋住至少1條光束，那么光幕就會一直保持輸出動作的狀態(tài)。對于紅外檢測而言，雨、霧、灰塵和強陽光是很致命。測量光幕系統(tǒng)應具有高過量增益，以適應雨、雪和灰塵等環(huán)境。熱防護罩可用于環(huán)境溫度為25℃到70℃，相對濕度95％條件下工作。從性能價格上來看，線圈最便宜但性能最差，不適合安裝在公路上。紅外檢測性能和使用均很方便，但價格較高，適合安裝在公路上。 輪軸識別與車速度檢測對載重汽車的類型判定，根據(jù)交通部2000年2號令《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》，軸載質量如表21所示。表21 軸載質量Table21 Axle load mass軸組類型輪軸類型編號圖解限定值（Kg）單軸每側單輪胎16 000單軸每側雙輪胎210 000雙聯(lián)軸每側單輪胎310 000雙聯(lián)軸每側一單輪胎一雙輪胎414 000雙聯(lián)軸每側雙輪胎518 000三聯(lián)軸每側單輪胎612 000三聯(lián)軸每側雙輪胎722 000以載重貨車為例，每側雙輪胎，輪胎間距大于10cm，這就給輪胎識別創(chuàng)造條件。在秤臺順車行方向下方設置輪胎判別器，其結構和原理如圖22所示。輪胎識別原理如下：1. 輪胎識別器 在通道中心線一側的路面上裝置13只~20只（每只間隔10cm）壓敏傳感器，每個傳感器的輸出與輪胎判別器的裝置相連，當車輛通過時輪胎與地面接觸部位的數(shù)量可以由傳感器檢出，當車輪壓到該感應器時，產生數(shù)據(jù)1，否則產生數(shù)據(jù)0?？刂破髯x取該數(shù)據(jù)，有幾個連續(xù)的1，為一個輪胎，連續(xù)的1越多，輪胎就越寬。標準檢測情形如下：雙輪胎： 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0單輪胎： 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 02. 車速檢測 輪胎識別器A和測重臺B的距離是固定的(如圖22所示)，由于A、B兩點的距離不足1m，可以認車是勻速通過，因此車通過輪胎識別器和測重臺的時間t便可檢測車速：t。 3. 車軸組檢測 通過車速v和輪胎識別器相鄰信號時間來判斷單軸、雙軸或三聯(lián)軸。如圖24所示。A、B、C、D4個檢測信號，時間差是，由、 (21)再由距離d大于設定值，便可判斷A、B為單軸C、D為雙聯(lián)軸。綜合運用紅外整車分離器功能，來跟蹤確認所測車輛從進入檢測區(qū)至開出檢測區(qū)全過程，并在所測車輛進入檢測區(qū)時和開出檢測區(qū)時及時向控制器傳輸中斷信號，使控制器根據(jù)整車識別器發(fā)出的信號自動判斷，匯總加權計算所測車輛的總重量。 稱重模型建立 力學模型為便于數(shù)學求解，將車身視為支撐在彈簧上的剛性板。由于稱重過程中臺面垂向位移遠小于汽車前后軸距，可以忽略車體轉動的影響[20]。汽車—秤臺系統(tǒng)可簡化為圖25所示的力學模型。其系統(tǒng)振動方程為： (22)式中 ，，、—秤臺與汽車質量，、—秤臺和汽車支承系的彈性系數(shù)，、—秤臺和汽車的阻尼系數(shù)，、—秤臺面和汽車的垂向位移，G—沖擊載荷。為了簡化式(22)的解偶過程，忽略C，即假設系統(tǒng)阻尼為零，得到兩個獨立的振動方程，能量主要集中于第一模態(tài)中[21]，其方程為： (23)式中 ——廣義位移坐標，、是與有關的函數(shù)，其中 (24)式中 ， 當時，曲線如圖26所示。由圖26可知，當時，汽車衡的力學模型將是一單自由度有限振動微分方程：即當秤臺的彈性系數(shù)大于汽車的彈性系數(shù)時，振動主要表現(xiàn)為汽車的振動，此時秤臺垂向振動影響可忽略不計。據(jù)此，重構動態(tài) (25)式中 ——汽車垂向位移，——汽車質量，——汽車結構的彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)，G——車重。 測量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)由式(25)進行拉普拉斯變換，得到輸入與輸出的傳遞函數(shù)： (26)式中 ——無阻尼自振頻率， 。系統(tǒng)的截止頻率為： (27)以運輸超載最多的貨運車輛為例，要求貨車板簧設計時的彈性系數(shù)取值范圍，而為了保持公路路面的正常使用壽命，要求汽車軸重質量不大于，代入式(27)計算，得汽車振動的最大頻率不超過20 Hz。為了提高測量的準確度，將車身垂直振動截止頻率定為。根據(jù)采樣定理，最小采樣頻率，本系統(tǒng)的采樣頻率。 傳遞函數(shù)離散化的離散化傳遞函數(shù)動態(tài)汽車衡的傳遞函數(shù)如圖27所示，系統(tǒng)的輸入為汽車的軸重階躍信號。動態(tài)汽車衡的輸出經過AD采樣后，傳感器的輸出變化量為一離散量。為能得到輸出跟輸入之間，我們將系統(tǒng)輸入視為階躍信號經零階采樣保持電路之后得到的離散信號量[22]。零階保持環(huán)節(jié)輸出與連續(xù)輸入信號之間的關系為： (28)其拉氏變換為，為采樣間隔。加入零階保持環(huán)節(jié)后，圖27形式轉化成圖28，即經零階保持環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù)為：假定系統(tǒng)的初始條件都為0，我們可以將系統(tǒng)的傳遞函數(shù)作Z變換[23]，即： (210)式中 由式(210)知，Z變換之后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)具有如下形式： (211)即： (212)為系統(tǒng)參數(shù)，由測量結果識別，由此得到系統(tǒng)的差分方程： (213)式中 ——階躍輸入，當時有，由于汽車垂向位移與傳感器輸出信號成正比，因此： (214) 信號分析及算法由以上模型分析可知，根據(jù)測量數(shù)據(jù)可以推算車輛載荷，然而實際測量中，測量環(huán)節(jié)不可避免地引入了測量噪聲，如電源電壓波動、元器件噪聲、量化誤差及外界干擾等，使式(213)取得以下形式 (215)為測量環(huán)節(jié)引入的誤差，通常假設為白噪聲，用最小二乘法估計模型參數(shù) ，使最小，從而實現(xiàn)抑制噪聲的目的。式中 ——待定參數(shù)向量；＝；——單位矩陣；——測量數(shù)據(jù)構成的數(shù)據(jù)向量。將離散化二階系統(tǒng)方程運用于動態(tài)汽車衡。實現(xiàn)流程如下：系統(tǒng)根據(jù)實測的數(shù)據(jù)序列，用最小二乘法估計離散化式(214)中的參數(shù)，據(jù)此遞推計算系統(tǒng)的輸入，為離散化的汽車重量序列，計算系統(tǒng)的輸入序列取均值得到汽車的重量值。 本章小結在本章中，首先詳細介紹了整車識別的方法與過程，以及輪軸的識別和車速檢測的方法。然后對汽車稱重的力學模型進行了分析，推導出其二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，進而得出車重與傳感器輸出電壓之間關系的數(shù)學方程。第3章 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)概述硬件是整個系統(tǒng)的基礎，有了性能高的硬件才能發(fā)揮出程序的性能，因此硬件設計很關鍵。在本文的系統(tǒng)中，包括動態(tài)稱重模塊，車牌識別模塊，控制管理模塊。動態(tài)稱重模塊包括紅外車輛分離器、傳感器、AD轉換器和DSP數(shù)據(jù)采集處理部分；車牌識別模塊包括CCD攝像機、DSP處理模塊等，控制管理模塊包括人機界面、顯示、相應的控制輸入輸出和信息管理系統(tǒng)。本文中主要設計兩部分：一是DSP組成的車重數(shù)據(jù)采集和處理模塊；另一部分是ARM組成控制模塊，在其上嵌入操作系統(tǒng)，進行相應的控制和信息管理。系統(tǒng)的框圖如圖31所示，具體的在下面進行詳細敘述。 數(shù)據(jù)采集與處理模塊數(shù)據(jù)采集與處理包括動態(tài)稱重模塊和車牌識別模塊，本系統(tǒng)中主要對動態(tài)稱重模塊進行詳細闡述，對車牌識別模塊使用現(xiàn)有的模塊，不對其進行說明。動態(tài)稱重模塊主要由TMS320DM642核心處理部分、傳感器、放大電路和A/D轉換器組成。在系統(tǒng)中我們采用的是TMS320DM642，它是專用于數(shù)字媒體應用的高性能32位定點 DSP，工作主頻最高達 720MHz，處理性能可達 5760MIPS。 TMS320DM642概述TMS320DM642（以下簡稱DM642）是美國德州儀器公司(TI)推出的一款面向數(shù)字多媒體應用的 DSP，采用TI的第二代高級超長指令字結構(VelociTI)，使得在一個指令周期能夠并行處理多條指令。DM642采用兩級緩存結構：第一級包括相互獨立的L1P(16KB)和L1D(16KB)，只能作為高速緩存使用；第二級L2(256KB)是一個統(tǒng)一的程序/數(shù)據(jù)空間，可整體作為SRAM映射到存儲空間，也可整體作為第二級Cache，或是二者按比例的一種組合來使用，容量較大的兩級緩存和EDMA通道是DM642高性能的體現(xiàn)之一，若能合理使用和管理，將能大幅度提高程序的運行性能[24] [25]。此外DM642具有豐富的外圍設備接口，包括3個可配雙通道視頻端口Video Port，其中每個Video Port又分成A和B兩個通道[26]，A/B通道可分別處理一路視頻采集，因此DM642最多可以處理6路視頻采集數(shù)據(jù)（不帶音頻），另外還包括64bit的外部內存接口(EMIF)、10/100Mbps以太網MAC和多通道音頻串行端口(McASP)以及66MHz 32bit的PCI接口。DM642的基本系統(tǒng)由DM642和外擴的存儲器以及外設組成，而外擴的存儲器和外設均通過DM642的外部存儲器接口(EMIF)進行擴展，DM642基本系統(tǒng)所必須的外擴資源包括：1. SDRAM(4M64位)，用于存放程序和緩存數(shù)字、視頻/音頻數(shù)據(jù)；2. FLASH(4M8位)，用于存放固化程序，以便進行ROM引導；3. UART(288位)，擴展2個異步串口(RS232/RS422/RS485)；4. 板上寄存器(88位)，由若干個8位狀態(tài)/控制寄存器組成；5. 硬盤接口(1616位)，用于本地大容量存儲接口。由上可知DM642非常適用于 VoIP、數(shù)字視頻服務器、多通道數(shù)字視頻錄像機(DVR)、多通道數(shù)字視頻監(jiān)控等應用，提供高質量的視頻編/解碼解決方案。TMS320DM642 外部地址總線只有A[22:31]，總共20根，所以子空間最大的尋址范圍為1M8位。核心板上子空間除了分配給Flash以外，還分配給狀態(tài)/控制寄存器、UARTA、UARTB等資源使用，其中Flash只占據(jù)子空間的前一半的尋址空間，即最大的可尋址