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1 引言
    近年來，隨著我國社會經(jīng)濟和公路建設(shè)的飛速發(fā)展，公路貨運車輛超限超載運輸問題也日漸突出。公路貨運超限超載不僅損壞公路路產(chǎn)、擾亂運輸市場，還對交通安全造成了極大的威脅，已成為危害公路交通可持續(xù)發(fā)展的“痼疾”。為了突出源頭治理、強化執(zhí)法力度、完善監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、建立長效機制，交通部決定開展全國治超站點規(guī)范化建設(shè)，分級分類組織建設(shè)全國公路超限超載檢測站點和治超信息系統(tǒng)，逐步建立健全全國治超監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。
    作為超限治理的核心設(shè)備———動態(tài)汽車衡精度的高低直接決定了超限治理低速精檢和復(fù)檢系統(tǒng)的可靠性。
    動態(tài)汽車衡稱重即在非停車運動狀態(tài)下的稱重，與停車狀態(tài)下的靜態(tài)稱重相比，其主要特點是節(jié)省時間、效率高，使得稱重時不至于造成對正常交通的干擾。這對公路建設(shè)與管理有著極為重要的意義，同時對車輛運輸現(xiàn)代化管理也有較大的促進作用。
    目前在我國公路超限治理行業(yè)主要使用3 種形式的汽車衡用于稱量車輛的載荷———便攜式軸重衡、稱臺式動態(tài)軸重衡和靜態(tài)汽車衡。其中靜態(tài)汽車衡使用時要求在汽車完全靜止狀態(tài)下進行計重，優(yōu)點是精度較高，但由于需要汽車靜止狀態(tài)下計重效率低，往往會造成塞車而不得不將部分超限車輛放過。而且采用此方法進行超限治理初期建設(shè)成本遠大于動態(tài)軸重衡。同時，由于靜態(tài)汽車衡無法提供軸重信息，不適于在此應(yīng)用環(huán)境下使用。
    便攜式軸重衡一般用于交警的移動治超，在此不作詳細討論。稱臺式動態(tài)軸重衡是目前較為流行的動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分別測出車輛各軸軸重，再由測試系統(tǒng)計算出整車重量。當汽車以一定的速度通過稱重臺面時，不僅輪胎對臺面的作用時間很短(在幾百毫秒以內(nèi))，而且作用在臺面上的力除真實軸重外，還有許多因素產(chǎn)生的干擾力，如車速、車輛自身諧振、路面激勵、輪胎驅(qū)動等，這給動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)實現(xiàn)高精度測量造成很大困難。因此，在外界隨機不確定的干擾力作用下，如何準確測出真實軸重，就成為動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)的技術(shù)難點和關(guān)鍵。本文針對這些問題，從軟算法方面來提高動態(tài)軸重衡的計量精度，滿足日益增長的公路超限治理對計量精度的要求。
    2 體系結(jié)構(gòu)
    動態(tài)軸重衡稱重系統(tǒng)由上位工控機、嵌入式稱重儀表、接線盒、稱重傳感器及機械稱重臺面組成。當汽車按照一定的速度通過稱重臺面時，安裝在臺面上的稱重傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為微弱電信號經(jīng)接線盒傳遞給嵌入式稱重儀表，由稱重儀表完成電信號的放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，以及實時數(shù)據(jù)處理，同時將處理過的數(shù)據(jù)傳給上位工控機，由上位工控機最終完成數(shù)據(jù)查詢、報表打印及實時監(jiān)控等工作。
    其中嵌入式稱重儀表采用24 位精度CS5532作為外接的A/D 轉(zhuǎn)換器，該器件是Cirrus Logic 公司推出的一種具有極低噪音的多通道型模擬/ 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，支持SPI 總線接口，由于其采用電荷平衡技術(shù)和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測量放大和濾波功能，可得到高達24位分辨率的輸出結(jié)果，轉(zhuǎn)換速率最高可達3200Hz，完全滿足動態(tài)稱重的需要。嵌入式處理器采用NXP 公司工業(yè)級ARM7 CPU LPC2365 進行數(shù)據(jù)采集、濾波和通信。結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
    動態(tài)軸重衡稱重系統(tǒng)稱重過程是一個強實時過程，需要CPU 及時采集汽車每個軸經(jīng)過秤臺過程的數(shù)據(jù)并快速分析有效數(shù)據(jù)，從而計算其重量。如果CPU 速度過慢或者程序邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，必然會導致儀表在穩(wěn)定性和可靠性上存在隱患。當前很多智能儀表的軟件采用前后臺系統(tǒng)設(shè)計，整個應(yīng)用程序是一個無限循環(huán)，后臺程序循環(huán)調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，中斷服務(wù)程序作為前臺處理異步事件。這種編程結(jié)構(gòu)難以對時間進行合理、有效的利用，相當一部分時間浪費在了空轉(zhuǎn)的程序中，而且對時間要求苛刻的事件難以實現(xiàn)快捷有效的處理，因此即便采用了較高主頻的CPU 也難以完全將其高主頻的優(yōu)勢完全發(fā)揮出來。植入嵌入式操作系統(tǒng)能夠很好的解決以上的問題。綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)周期、成本等因素，我們在程序的編寫中采用了嵌入式μC/OS- II 操作系統(tǒng)。μC/OS- II 是專門為計算機的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的嵌入式操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。
    3 軟件體系設(shè)計
    計重作為系統(tǒng)的核心功能，采集和分析AD 模塊負責各個設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和最后的分析，進一步得出車輛的具體信息。通信接口負責上位主機和控制儀表之間的通信。零點跟蹤把實時零點數(shù)據(jù)匯報給其他任務(wù)。系統(tǒng)在后期會有很多的改進和升級，所以在系統(tǒng)中要為升級做好準備。根據(jù)以上分析，可把系統(tǒng)劃分為以下幾個任務(wù)：采集和分析
● 采集和分析
● 車輛分離與計重
● 胎型識別
● 零點跟蹤
● 與上位機的通訊
● 系統(tǒng)開關(guān)量
● 顯示控制
● 系統(tǒng)升級
● 異常處理
    任務(wù)采用事件驅(qū)動，事件的發(fā)生引起LPC2365 的中斷，程序在中斷中發(fā)送信號量，信號量的發(fā)送使任務(wù)脫離等待任務(wù)的狀態(tài)進入就緒態(tài)運行。
    采集和分析子任務(wù)處理結(jié)果的準確與否直接決定了計重系統(tǒng)計量精度，下面就此展開詳細分析。為了提高技術(shù)指標，除了硬件設(shè)備的保障外，關(guān)鍵是采用良好的軟件數(shù)據(jù)處理方法來實現(xiàn)準確的稱重。圖2 是一輛兩軸汽車通過秤臺時的波形圖。設(shè)m(t)是反映汽車某軸軸重的一個真實信號，n(t)是伴隨此真實信號的噪聲，故測得稱重信號x(t)可表示為：
    式(3)中，噪聲分量αi 是由兩部分因素組成：（1） 行進中的汽車自身處于一種低頻振動，其頻率與載重有關(guān)，約為5～10Hz；（2） 稱重臺面的機械部分由于汽車通過臺面及鄰近地面也會產(chǎn)生振動，其頻率與臺面的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，約為20- 35Hz。噪聲分量βj 是由稱重傳感器的應(yīng)變片在汽車通過時，因承壓產(chǎn)生彈性形變造成的。當汽車通過稱重臺面時，前后輪軸出現(xiàn)高度差，造成汽車的軸重在4 個傳感器上分配不均，從而出現(xiàn)重量轉(zhuǎn)移。此外，車輪不圓、地面不平等原因，也會出現(xiàn)高度差，從而造成重量轉(zhuǎn)移而引起測量誤差。由此可見，噪聲分量αi 具有正弦波形狀，相位為隨機變量；噪聲分量βj 具有脈沖形狀，脈沖幅度與出現(xiàn)時刻都是隨機的。
    由此可見，采集和分析子任務(wù)就是從采集到的波形信號中分析出行進中汽車某軸軸重的真實值M。
    對于噪聲分量βj 可采用復(fù)合濾波法濾除噪聲，即先用中值濾波原理濾除由于脈沖干擾引起誤差的采樣值，再將剩余的采樣值進行遞推算術(shù)平均，從而濾掉噪聲分量βj。
    對于噪聲分量αi，由于通行車輛的不確定性、車輛運行速度的不確定性（尤其是沖磅等非法通過方式） 及秤臺機械結(jié)構(gòu)與安裝情況的不確定性，采用簡單的一階RC 濾波器很難濾除噪聲。
    筆者經(jīng)過對大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行整理并經(jīng)過數(shù)學統(tǒng)計分析并對采集到的原始數(shù)據(jù)采用傅立葉變換后可得到數(shù)據(jù)能量的頻譜，以此頻譜作為FIR濾波器的輸入?yún)?shù)可有效地將噪聲濾除。此算法用MAtlab 編譯實現(xiàn)，部分源代碼如下：
    alpha=0.87；
    tal=freq*2*pi*T;
    a=[1,- 2*alpha*cos(tal),alpha*alpha];
b=[1,- 2*cos(tal),1];
    last=filter(b,a,data);
    其中data 為原始數(shù)據(jù)矩陣，alpha 決定增益和質(zhì)量由經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出，freq 和T 是原始數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT 后得到的頻譜數(shù)據(jù)，last 矩陣即濾波后的數(shù)據(jù)。
    4 實驗數(shù)據(jù)
    濾波圖3 和濾波圖4 是不同速度的兩輛二軸車的原始數(shù)據(jù)和濾波后數(shù)據(jù)對比。
    實測數(shù)據(jù)表明，采用本算法后，在車輛速度低于30 公里每小時的行進速度下，計量誤差小于靜態(tài)稱重值的±1%。在車輛速度小于60 公里每小時的行進速度下，計量誤差小于靜態(tài)稱重值的±3%。
    5 結(jié)語
    在本系統(tǒng)中通過引入FFT 和FIR 濾波器進行數(shù)據(jù)采集和分析，并根據(jù)實際采樣波形，設(shè)計特殊的數(shù)據(jù)處理方法，從而完成高速、高精度的數(shù)據(jù)處理，獲得了令人滿意的結(jié)果。

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