高速行駛車輛位置信息快速檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 豪， 紀(jì)少波， 劉振革2， 韓文揚(yáng)3， 韋金城3， 李 萌

(1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061； 2.山東技師學(xué)院 汽車工程系，山東 濟(jì)南 250200；3.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031)

車流量檢測(cè)、車速檢測(cè)、交通信號(hào)控制智能化及違章拍照等屬于交通領(lǐng)域的常規(guī)工作。這些工作都離不開(kāi)車輛行駛位置信息的監(jiān)測(cè)，目前車輛位置信息有多種測(cè)試方法，如超聲波檢測(cè)、紅外線檢測(cè)、雷達(dá)檢測(cè)及地感線圈檢測(cè)等[1-4]。其中，地感線圈檢測(cè)方法由于具有精度高、成本低及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到了更多的應(yīng)用[5-7]。目前車輛位置檢測(cè)研究多數(shù)采用計(jì)數(shù)設(shè)定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)的方法分辨頻率的改變量[8-9]，這種檢測(cè)方式為了提高精度，需要采用較長(zhǎng)的計(jì)數(shù)時(shí)間，由此帶來(lái)了響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，無(wú)法滿足高速行駛車輛位置信息檢測(cè)的要求。市場(chǎng)上的車輛檢測(cè)器大多用于低速車輛位置信息檢測(cè)領(lǐng)域，如停車場(chǎng)、地下車庫(kù)等場(chǎng)合。但這些車輛檢測(cè)器均存在車輛位置信息檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)速度下降等問(wèn)題，對(duì)高速路上大量行駛的車速快、車長(zhǎng)短的轎車而言，這種處理方法存在嚴(yán)重的漏判問(wèn)題，難以適應(yīng)高速行駛車輛位置信息檢測(cè)。有必要采用改進(jìn)的處理方法提高地感線圈的檢測(cè)速度，滿足高速行駛車輛位置信息檢測(cè)的需要。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)提出了一種以單片機(jī)為核心的高速行駛車輛位置信息檢測(cè)裝置及方法，其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路采用LC振蕩電路產(chǎn)生正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)輸入捕捉功能捕獲車輛經(jīng)過(guò)時(shí)的脈沖信號(hào)。車輛行駛經(jīng)過(guò)地感線圈時(shí)，由于車輛切割磁場(chǎng)的作用，在車輛內(nèi)部產(chǎn)生自成閉合回路的感應(yīng)電渦流，電渦流的磁場(chǎng)方向與原有的磁場(chǎng)方向相反，導(dǎo)致地感線圈的電感量減小，從而引起LC振蕩電路輸出脈沖信號(hào)頻率增加[10-12]。單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器功能檢測(cè)輸出脈沖信號(hào)頻率的變化，判斷車輛的位置，并通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出電路、指示燈輸出、蜂鳴器輸出及通信輸出等多種方式將車輛位置信息進(jìn)行指示。此外，為了防止系統(tǒng)工作異常，設(shè)計(jì)了單片機(jī)外部自動(dòng)復(fù)位電路，在長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)不到車輛行駛通過(guò)時(shí)，電路發(fā)出控制信號(hào)，令單片機(jī)復(fù)位。

車輛行駛至地感線圈位置時(shí)，地感線圈電感的微弱變化能夠使振蕩電路的頻率產(chǎn)生改變。由于頻率的改變量小，加上干擾成分的影響，如果只測(cè)量一個(gè)脈沖信號(hào)的周期變化存在誤差。所以目前的車輛位置檢測(cè)多采用測(cè)量設(shè)定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，這種方式對(duì)于高速行駛的車輛會(huì)帶來(lái)檢測(cè)不出來(lái)的問(wèn)題。另外，如果脈沖信號(hào)存在瞬間的干擾信號(hào)，不容易去除，這種方法會(huì)存在較大的誤差。為此本系統(tǒng)改進(jìn)檢測(cè)算法，通過(guò)單片機(jī)定時(shí)模塊獲取多個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間，通過(guò)增加脈沖數(shù)的方式增加計(jì)時(shí)時(shí)間，提高位置信息檢測(cè)的精度；系統(tǒng)在計(jì)數(shù)持續(xù)脈沖總時(shí)間的過(guò)程中，同時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)試每個(gè)脈沖的時(shí)間，如果發(fā)現(xiàn)脈沖時(shí)間過(guò)短，則判斷該脈沖信號(hào)為高頻干擾的影響，進(jìn)而將該脈沖去除，據(jù)此消除高頻干擾對(duì)計(jì)數(shù)時(shí)間的影響。根據(jù)地感線圈振蕩電路的常用頻率范圍及車輛位置檢測(cè)信息的精度，這種方式的檢測(cè)時(shí)間一般可以控制在5 ms以內(nèi)，有效地提高了車輛位置檢測(cè)的速度。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 LC振蕩電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件由環(huán)形地感線圈、振蕩電路、單片機(jī)及輸出信號(hào)處理電路等部分組成。環(huán)形地感線圈通常埋在路面以下，長(zhǎng)寬各約1.5 m。當(dāng)線圈中通以電流時(shí)，在地感線圈的周圍就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。對(duì)于匝數(shù)為N，長(zhǎng)度為l的螺線管型線圈，其線圈內(nèi)的磁場(chǎng)自感量為

(1)

式中，μr為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率；常數(shù)μ0=4×10-7h/m；A為線圈的環(huán)繞面積當(dāng)車體經(jīng)過(guò)線圈時(shí)，車體切割線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。車輛金屬部件產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)引起感應(yīng)電流磁場(chǎng)的變化，由線圈的電感量公式可知，當(dāng)車輛從環(huán)形線圈上通過(guò)時(shí)，線圈作為振蕩電路的一部分，其電感量會(huì)減少。

振蕩電路首先采用1∶1隔離變壓器與地感線圈相連，隔離變壓器的另一端串聯(lián)兩個(gè)電容構(gòu)成LC諧振電路，該諧振電路的諧振頻率為

(2)

圖2為振蕩信號(hào)電路，通過(guò)反接穩(wěn)壓管使正弦振蕩信號(hào)幅值限制在5 V之內(nèi)，振蕩電路供電為+5 V，通過(guò)電阻的分壓，使振蕩電路的PNP三極管工作在放大狀態(tài)。振蕩電路起振后產(chǎn)生正弦波，并傳送至NPN三極管的基級(jí)。三極管的發(fā)射極等效電阻較低且通過(guò)增加電容，用于通過(guò)硬件消除高頻干擾脈沖的影響。當(dāng)所加電壓高于三極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，輸出低電平；當(dāng)所加電壓小于導(dǎo)通電壓時(shí)，三極管截止，輸出高電平，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為矩形波信號(hào)。

圖2 振蕩信號(hào)電路

2.2 單片機(jī)及信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)及信號(hào)處理電路包括單片機(jī)及周圍電路、開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)處理電路和TTL整形電路等，如圖3所示。單片機(jī)采用Freescale公司生產(chǎn)的S9S08DZ60單片機(jī)，該單片機(jī)片內(nèi)自帶輸入捕捉、兩個(gè)定時(shí)器模組，總線頻率最高可達(dá)20 MHz，滿足裝置的功能需求。開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出電路則通過(guò)NPN三極管將車輛到來(lái)狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為5 V和12 V電平向外輸出。TTL整形電路采用施密特觸發(fā)器CD4093芯片將振蕩電路產(chǎn)生的矩形波信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號(hào)，送入單片機(jī)的輸入捕捉功能引腳中。另外，單片機(jī)電路包括蜂鳴器及LED燈電路，通過(guò)聲音及燈光提示車輛到來(lái)信息。另外，為了便于裝置與其他系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)了RS232通信功能，可以通過(guò)通信方式傳遞相關(guān)參數(shù)。

2.3 單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位采用了兩種工作模式。

(1) 由MAX708芯片及其外圍電路組成復(fù)位電路，MAX708的低電平復(fù)位輸出脈沖端與單片機(jī)復(fù)位引腳相連，如圖4所示；利用單片機(jī)的定時(shí)器定時(shí)向MAX708芯片發(fā)出控制信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)由于干擾等原因死機(jī)時(shí)，MAX708收不到單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，則該芯片的復(fù)位輸出脈沖端產(chǎn)生200 ms的復(fù)位脈沖輸出，使單片機(jī)復(fù)位，重新進(jìn)入工作狀態(tài)。

(2) 本系統(tǒng)的裝置主要用于高速公路領(lǐng)域，車流量大，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)提出了第二種復(fù)位模式：根據(jù)道路

圖4 單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路

的車流量情況，確定一個(gè)無(wú)車輛通過(guò)的最小時(shí)間限值，單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器確定設(shè)定時(shí)間內(nèi)是否有車輛通過(guò)，如果沒(méi)有則認(rèn)為系統(tǒng)工作異常，通過(guò)單片機(jī)控制MAX708的手動(dòng)復(fù)位引腳發(fā)出控制信號(hào)，令單片機(jī)復(fù)位。

3 程序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 工作模式設(shè)定

在地感線圈實(shí)際使用過(guò)程中，由于不同地感線圈的匝數(shù)和面積存在差異，造成地感線圈的輸出電感量存在一定差異；此外安裝環(huán)境的差異、外界溫度的變化以及車輛經(jīng)過(guò)路面時(shí)對(duì)地感線圈的擠壓變形，均會(huì)對(duì)地感線圈的電感量造成影響。因此，需要對(duì)設(shè)定脈沖個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的脈沖時(shí)間計(jì)數(shù)值進(jìn)行標(biāo)定，以滿足不同條件下的使用要求。本系統(tǒng)有兩種工作模式，即自動(dòng)標(biāo)定模式和正常工作模式，每次裝置上電復(fù)位后，首先進(jìn)入自動(dòng)標(biāo)定模式，標(biāo)定結(jié)束后，進(jìn)入正常工作模式，系統(tǒng)程序工作流程圖如圖5所示。

圖5 程序設(shè)計(jì)框圖

自動(dòng)標(biāo)定是在檢測(cè)電路復(fù)位瞬間，無(wú)車輛經(jīng)過(guò)條件下，通過(guò)對(duì)設(shè)定脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方式獲取。在檢測(cè)電路上電或復(fù)位瞬間，且無(wú)車輛經(jīng)過(guò)條件下，通過(guò)單片機(jī)的輸入捕捉功能捕捉下降沿信號(hào)，得到連續(xù)10次設(shè)定脈沖個(gè)數(shù)的時(shí)間計(jì)數(shù)值；去掉計(jì)數(shù)值中的最小值和最大值，得到剩下8次計(jì)數(shù)值的平均值，將此值作為當(dāng)前安裝環(huán)境下無(wú)車輛通過(guò)時(shí)，單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)值，該值與設(shè)定脈沖個(gè)數(shù)的乘積即為標(biāo)定得到的計(jì)數(shù)基準(zhǔn)值。自動(dòng)標(biāo)定結(jié)束后，自動(dòng)進(jìn)入正常工作模式。

正常工作模式：通過(guò)單片機(jī)的輸入捕捉功能得到設(shè)定脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，具體實(shí)施過(guò)程如下：假如設(shè)定的脈沖數(shù)為m，振蕩電路輸出的矩形波信號(hào)經(jīng)過(guò)CD4093處理后進(jìn)入單片機(jī)的輸入捕捉引腳，將該脈沖的持續(xù)時(shí)間與之前脈沖的持續(xù)時(shí)間累加；另外，脈沖個(gè)數(shù)加1，當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到m時(shí)，得到的總累加時(shí)間即為當(dāng)前情況下設(shè)定脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

得到設(shè)定脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間后，將該時(shí)間與標(biāo)定模式得到的基準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行比較，如果設(shè)定脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)時(shí)間與基準(zhǔn)時(shí)間的差值未超過(guò)設(shè)定限值，則認(rèn)為無(wú)車輛經(jīng)過(guò)。如果超過(guò)限值，則繼續(xù)判斷下一次設(shè)定脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，只有當(dāng)連續(xù)3次設(shè)定脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間與基準(zhǔn)時(shí)間的差值均超過(guò)設(shè)定限值，則認(rèn)為當(dāng)前車輛行駛至地感線圈位置。

3.2 干擾信號(hào)處理

圖6為異常干擾信號(hào)的示意圖，此類干擾信號(hào)多為高頻成分，持續(xù)時(shí)間短，如果未能去除，將導(dǎo)致設(shè)定脈沖數(shù)統(tǒng)計(jì)的時(shí)間縮短，影響統(tǒng)計(jì)的精度。為此，每當(dāng)一個(gè)脈沖信號(hào)到來(lái)時(shí)，將每個(gè)脈沖的時(shí)間計(jì)數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)，并將連續(xù)得到的20個(gè)脈沖的時(shí)間值按大小排序，去掉2個(gè)最大值和2個(gè)最小值后，求得剩余16個(gè)脈沖時(shí)間的平均值。將當(dāng)前脈沖的計(jì)數(shù)值與平均值比較，如果差值的絕對(duì)值未超過(guò)設(shè)定限值，則認(rèn)為當(dāng)前脈沖是正常信號(hào)，將當(dāng)前脈沖的計(jì)數(shù)值進(jìn)行累加；反之認(rèn)為當(dāng)前脈沖是干擾信號(hào)，計(jì)數(shù)值不予累加處理。通過(guò)這種處理方法消除異常干擾信號(hào)對(duì)設(shè)定脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)時(shí)間的影響。

圖6 異常干擾信號(hào)去除方法

3.3 自動(dòng)復(fù)位模式設(shè)計(jì)

裝置采用了兩種復(fù)位模式，其中模式一在程序中定時(shí)給MAX708發(fā)出控制信號(hào)，如果程序工作正常，控制信號(hào)會(huì)定時(shí)發(fā)出，此時(shí)MAX708不會(huì)輸出單片機(jī)復(fù)位信號(hào)；當(dāng)程序死機(jī)時(shí)，定時(shí)控制信號(hào)無(wú)法發(fā)送，MAX708給單片機(jī)發(fā)送復(fù)位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)程序死機(jī)時(shí)的復(fù)位設(shè)計(jì)。模式二則通過(guò)定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間，在計(jì)時(shí)的過(guò)程中判斷是否有車輛通過(guò)，每次車輛到來(lái)自動(dòng)將定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間清0；當(dāng)定時(shí)器的計(jì)時(shí)時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間，仍無(wú)車輛到來(lái)的狀態(tài)，則認(rèn)為系統(tǒng)工作異常，通過(guò)MAX708芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位。

4 模擬試驗(yàn)測(cè)試

4.1 振蕩電路測(cè)試

本系統(tǒng)是根據(jù)地感線圈與電容形成的LC振蕩電路對(duì)車輛通過(guò)時(shí)的信號(hào)進(jìn)行判斷，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的可行性，首先對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行電路圖仿真測(cè)試。電路圖仿真軟件為L(zhǎng)Tspice XVII模擬器，運(yùn)行已搭建完成的LC振蕩電路，如圖7(a)所示，圖7(b)為仿真軟件輸出信號(hào)波形。經(jīng)過(guò)仿真軟件分析，搭建的電路能穩(wěn)定地輸出振蕩信號(hào)，改變模擬線圈的電感量，輸出振蕩信號(hào)的頻率有明顯的變化。

圖7 仿真軟件測(cè)試

4.2 模擬測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室中用該系統(tǒng)和鐵板對(duì)車輛經(jīng)過(guò)地感線圈進(jìn)行模擬測(cè)試，用示波器捕捉電路中的頻率變化，測(cè)得鐵板經(jīng)過(guò)前和經(jīng)過(guò)時(shí)的振蕩信號(hào)如圖8所示。無(wú)鐵板經(jīng)過(guò)時(shí)測(cè)量頻率為106.032 kHz，鐵板經(jīng)過(guò)時(shí)振蕩信號(hào)頻率增加到107.103 kHz，通過(guò)上述正常工作模式可有效檢測(cè)出頻率變化。由于鐵板質(zhì)量較輕，在實(shí)際道路上的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生更好的頻率變化效果。

5 結(jié)論

① 本文設(shè)計(jì)了基于地感線圈的高速公路車輛檢測(cè)裝置，車輛通過(guò)地感線圈時(shí)，LC振蕩電路輸出脈沖信號(hào)頻率發(fā)生改變，單片機(jī)捕捉脈沖信號(hào)的頻率變化，判斷車輛位置。

② 系統(tǒng)有兩種工作模式，自動(dòng)復(fù)位模式中對(duì)設(shè)定脈沖個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的脈沖時(shí)間計(jì)數(shù)值進(jìn)行標(biāo)定；正常工作模式下，通過(guò)單片機(jī)定時(shí)模塊獲取多個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間，通過(guò)增加脈沖數(shù)的方式增加計(jì)時(shí)時(shí)間，提高檢測(cè)精度的同時(shí)，也有較快的檢測(cè)速度。

③ 為了減少干擾信號(hào)的影響帶來(lái)車輛誤判，本系統(tǒng)改進(jìn)算法，實(shí)時(shí)測(cè)試每個(gè)脈沖的時(shí)間，去除高頻干擾的時(shí)間計(jì)數(shù)值；并在系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)不到車輛通過(guò)時(shí)，

圖8 鐵板經(jīng)過(guò)前和經(jīng)過(guò)時(shí)的振蕩信號(hào)

進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位，進(jìn)入自動(dòng)標(biāo)定模式。

④ 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，LC振蕩電路能產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦信號(hào)，當(dāng)模擬車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，單片機(jī)能捕捉到信號(hào)的頻率變化，并進(jìn)行精確有效的判斷。