高速公路計重收費系統中輪軸識別器改進設計與實現

馬向亮

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024）

自計重收費系統實行以來，高速公路管理局不僅對車輛軸型識別率要求很高，而且要求設備使用期較長，以此保證車輛正常通過收費站。而原輪軸識別器，需要經常維護，不僅成本高，而且電路板經常被燒壞，識別率比較低，影響收費站工作效率。針對電路板經常被燒壞的問題，筆者從電源硬件電路著手進行改進設計，如：加上了壓敏電阻和熱敏電阻。針對識別率低的問題，對硬件電路進行改進設計，如：添加了模擬放大電路模塊。

1 電源電路的改進

在現場使用中，電路板經常出現燒壞，尤其是在打雷、閃電之后，分析其原因，對電源電路進行改進。

其原電路圖如圖1所示，而改進后的電路圖如圖2所示。

圖1 原電源電路圖Fig.1 Original power circuit

圖2 改進后的電源電路圖Fig.2 Improved power circuit

由兩個電路圖比較可以發現，改進后的電源在插座的一端接入了一個壓敏電阻而不是直接接入大地，在另一端和電容C1也并上了一個壓敏電阻之后串聯了一個正的熱敏電阻。壓敏電阻是一種在一定電流電壓范圍內其電阻值隨電壓而變的電阻，而當它兩端的電壓超過它的閾值時，流過它的電流激增，相當于閾門打開，從而可以抑制電路中經常出現的異常高壓，保護電路免遭過高電壓的損害。正的熱敏電阻在工作中，其溫度與其他元件的溫度相近，串聯在電路中不會阻礙電流通過，但當電路突然出現過電流時，熱敏電阻由于發熱功率增加導致其溫度上升，當溫度超過開關溫度時，電阻瞬間會劇增，導致電路中的電流會迅速減少到安全值，從而起到保護電路免受突然增加的電流而損壞。

由以上可知，電路經常被燒壞，基本上都是由電路電源提供的電壓突然增大或電流突然增大造成的，尤其是打雷閃電。本設計就是從源頭上避免這種電壓電流增大造成的損壞。

2 輪軸識別器硬件電路改進

在現場使用中，輪軸識別器識別出的軸數經常出現丟軸少軸的現象，識別率比較低，在車多時經常出現卡死等現象，影響工作效率，分析其整個電路工作過程，對其硬件電路進行改進。

2.1 原輪軸識別器介紹

原來的輪軸識別器總的結構比較簡單，如圖3所示，其電路主要有模擬開關和微處理器組成，傳感器檢測到的信號經過模擬開關送往微處理器對其進行處理，數據處理完成后將其送入上位機或儀表，供上位機或儀表使用[1]。

圖3 原輪軸識別器總的結構圖Fig.3 Original tire recognizing structure

2.2 改進后的輪軸識別器

改進后的輪軸識別器總的結構如圖4所示，其電路主要有模擬放大模塊、微處理器模塊、AD轉換器模塊、電子模擬開關和輸出指示。與原來電路相比主要增加了模擬放大模塊、AD轉換器模塊和輸出指示[2]。

圖4 改進后的輪軸識別器總的結構圖Fig.4 Improved tire recognizing structure

放大器的作用就是將輸入的微小電壓按一定的倍數放大，這樣在電路中不易被電阻等其它元器件消耗掉。改進后的輪軸識別器放大模塊中有兩個放大器一個是OP07運算放大器，一個是AD620儀表放大器。OP07是一種高精度運算放大器，具有極低的輸入失調電壓，極低的失調電壓溫漂及長期穩定等特點。AD620是一款高精度儀表放大器，具有低失調電壓和低失調漂移特性，是電子稱和傳感器接口等精密數據采集系統的首選。

電子模擬開關選用高性能的比如切換速度必須足夠快，以此滿足車輛在快速通過傳感器時產生的信號能夠完整的通過它。

A/D轉換器通過一定的電路將模擬量轉變為數字量。模擬量可以是電流、電壓等電信號，也可以是濕度、位移、聲音等非電信號。在A/D轉換前，輸入到A/D轉換器的信號必須經各種傳感器把各種物理量轉換成電壓信號[3]。它的選擇也必須滿足現場測量的要求，尤其在轉換速度和轉換精度上。它是整個電路的關鍵部分，其性能的優劣將直接影響到整個電路板的整體性能。

輸出指示主要是LED燈顯示。

通常情況下，傳感器的輸出信號是比較小的只有零點幾毫伏，非常微弱。經放大模塊里的AD620儀表放大器和OP07運算放大器放大幾倍后，再經電子模擬開關送其人AD轉換器，此時的AD轉換器與電子模擬開關直接相連。 CPU是整個電路板的核心處理器，它不僅擔任著數據信號的處理，而且還協調AD轉換器和電子模擬開關的工作。輸出指示電路是主要是為了現場觀察和調試方便。

通過兩個電路的比較可知，原輪軸識別器沒有放大器模塊，傳感器采集到的信號很可能被電阻消耗等而消失，而且其處理數據方式比較簡單。

實測證明：改進后的輪軸識別器處理速度加快，識別率大大提高，很少出現卡死現象。

3 輪軸識別器的軟件實現

該系統軟件采用C語言編程，C語言是美國貝爾研究所推出的，C語言已經成功移植到大、中、小及微型機上。它既可以作為工作系統設計語言，編寫系統應用程序，也可以編寫不依賴計算機硬件的應用程序。它的應用范圍非常廣泛，且具備很強的數據處理能力，具體應用比如嵌入式、單片機等。主要程序代碼如下：

1）主函數：

2）AD處理函數：

4 結束語

現場實測證明：對輪軸識別器的進行改進設計后，總體來說，本文的設計增加了防雷、閃電等功能，而且提高了處理數據速度和能力。應用于高速公路計重收費系統后，電路板很少出現燒壞卡死的現象，而且識別率大大提高，應用穩定。

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