亮度自適應機動車非接觸測速無線顯示裝置的研究與創新

程序★ 顧娜

（1.江蘇省計量科學研究院，江蘇 南京 210023；2.南京鐵道職業技術學院，江蘇 南京 210031）

0 引言

隨著我國經濟社會的持續快速發展，截至2020年9月，全國機動車保有量達到3.65億輛，在快速進入汽車社會的現狀下，道路交通安全問題就顯得尤為重要。機動車測速儀作為道路交通速度監測的重要手段之一，以其測速準確、靈活機動、便于安裝等特點，廣泛應用于國內外交通安全領域，在實時監測交通情況保障交通安全的同時也為有關部門提供重要執法依據，因此與群眾生活息息相關，從而受到全社會的關注和重視。

目前，國內對固定安裝在道路上的機動車測速儀，采取模擬檢測和現場檢測兩步進行的方式，由于非接觸式測速儀具有準確度較高、使用方便等特點，所以現場檢測方式采用非接觸式汽車速度計作為現場標準器，將機動車測速儀的示值與標準測速儀示值進行比較，對機動車測速儀的現場測速誤差進行檢定[1-2]。

1 現有顯示方法存在的缺陷

光電非接觸式測速儀配套一塊速度顯示裝置，現今標準測速儀的示值主要來源于檢測人員對測速抓拍區域的估算，以手動方式對監控顯示裝置上的標準速度值進行截取。此方法有以下幾個缺點：（1）顯示裝置顯示亮度不夠，在陰天或隧道里使用時監控相機可以拍清顯示裝置上的數字，但在晴天陽光直射的條件下，就無法拍清裝置上顯示的信息；（2）顯示信息量不全，顯示裝置上目前只能顯示從非接觸測速儀讀取的當前速度值，而沒有當前時間以及行駛距離等參數，不能作為今后區間測速的標準裝置使用；（3）安裝連接不便，現有的顯示裝置需要連接獨立電源線、串口數據線，并且需要安裝在前車牌位置，為日常檢測工作帶來了很大的不便。該方法不確定度大、效率低，無法與測速系統的實際抓拍值進行時間點上的吻合。因此，為了進一步提高非接觸式測速儀的準確性、安全性及檢測效率，亟待設計一種新型的現場顯示裝置，以準確高效地顯示檢測車輛的標準速度，克服現行顯示裝置的缺陷。

2 無線顯示方法概述

非接觸式無線顯示裝置采用自主開發軟件，將非接觸式測速儀的實時速度與行駛距離等信號經過無線方式直接傳輸至顯示裝置進行顯示，而內置的高精度衛星定位授時模塊能將當前的授時信息同時顯示。顯示裝置內集成了一組可充電鋰電池，可多次循環使用，單次使用時間最長約4小時，可以完全實現顯示裝置的無線使用，以適應不同車輛型號以及不同使用場景[3]。

3 系統硬件組成與結構

為實現上述功能，系統硬件由系統控制模塊、LED顯示/驅動模塊、測試傳感器數據的無線傳輸與解碼模塊以及定位授時模塊四部分組成。系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統拓撲圖

3.1 系統控制模塊

系統控制模塊匯集了定位/授時模塊的時間信息和數據傳輸模塊的測速傳感器數據，連接LED顯示/驅動模塊進行顯示，主要包括主控芯片及其外圍工作電路、高精度晶振、加速度傳感器及外圍電路等。系統采用Cortex-M3內核的32位ARM微控制器STM32F103作為主控芯片，可以接收定位系統傳達的定位授時數據并進行數據解算，通過WiFi實現各種傳感器的無線數據連接，避免了繁瑣的布線工作，并且系統可以把融合后的數據通過無線傳輸的方式與外界系統實現數據的同步。通過融合所接收的信息傳達至LED顯示/驅動模塊，可以實現數據的直觀顯示、實時刷新和亮度控制等功能。速度顯示裝置采用鋰電池組為整個系統提供運行所需的能量，可以達到重復循環使用的效果。系統控制電路的原理圖如圖2所示。

圖2 系統控制LED 顯示驅動原理圖

3.2 LED顯示/驅動模塊

系統顯示采用加裝光學薄膜覆膜的LED高亮度顯示陣列，結合PWM控制實現亮度的實時調節，可完成在不同環境光工作情況下的亮度調節，使得無論在強光還是弱光環境下，顯示信息都能夠被肉眼或攝像頭等清晰識別，有效改善了不同類型產品在陰天或隧道等環境光不足的情況下無法清晰顯示信息的缺點。同時，采用無線遙控方式控制顯示屏的通斷，可有效延長系統的工作時間。LED顯示驅動使用74HC595芯片實現大電流驅動模式，有工作電壓高、工作電流大的優點，灌電流達500mA，可輕松滿足LED顯示陣列驅動的系統工作需求[4]。PCB板布線圖如圖3所示。

圖3 LED 顯示PCB 板布線圖

3.3 測試傳感器數據的無線傳輸與解碼模塊

采用Kistler L-350非接觸式光學傳感器，可現場捕獲機動車的運行參數，含運行速度、行駛距離等。傳感器可通過自帶RS232、CAN等接口連接數據線進行數據傳輸，但安裝比較繁瑣。考慮到現今的WiFi無線傳輸技術已較為成熟，使用工業級、超低功耗、高速傳輸的WiFi模塊，可穩定可靠地實現顯示裝置和各種傳感器之間的無線數據傳輸；并可根據需要，制定開發適配于各種傳感器的數據傳輸協議。因此通過自制的無線數據傳輸模塊，將測速傳感器的數據快速、準確、便捷地導入本項目系統中，并進行解碼[5-7]；其中，無線數據傳輸模塊采用USR-C322。

3.4 定位/授時模塊

北斗衛星系統是我國現有的具有高準度、高效率的導航系統，擁有定位、通信、授時等多方面功能；其性能十分可靠，可用于本系統的定位/授時模塊，可精準定位高速行駛車輛的準確位置并傳輸到數據模塊當中。而GPS全球定位系統可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。本設計要求系統可以通過定位功能，得出車輛運行的精準信息。選用正點原子S1218的模塊，可接收北斗衛星和GPS衛星兩種系統的授時信息，自動選擇信號穩定的授時來源，保證整套系統能夠可靠、穩定地運行[8-10]。

4 系統軟件結構

系統通電后，首先將STM32的各種寄存器進行初始化，包含端口配置寄存器、中斷配置寄存器等，從而實現各端口的相應功能。初始化完成后，開啟定時器，實現定時顯示數據等功能；打開串口，實現與外設的串口通信；打開中斷，實現中斷接收GPS數據。通過中斷接收到GPS數據后，更新顯示數據堆棧；通過定時器，定時更新時間、速度、里程等信息。其流程圖如圖4所示。

GPS接收中斷是在STM32接收到由GPS模塊發送的數據幀后，先讀取和搜索數據幀頭，再截取完整有效的數據幀，根據NMEA通訊協議，獲得UTC時間、瞬時速度等信息后，返回數據。GPS接收中斷由GPS模塊通訊觸發。其流程圖如圖5所示。

HC595顯示中斷時，端口初始化由主程序的初始化寄存器完成，根據HC595芯片的使用說明，STM32發送控制字和需要顯示的數據，最后刷新顯示指令，從而更新顯示數據。HC595的顯示中斷由定時器中斷觸發，時間間隔可調。其流程圖如圖6所示。

Kistler L-350非接觸式光學傳感器中的串行通訊接口輸出電平為標準RS-232電平，輸出方式為連續數據輸出，設定傳感器工作參數，使傳感器串口數據傳輸速率與無線通信發送模塊一致，一般為9.6kbps。USR-C322的無線數據包由前導碼Peramble、地址碼ADDR、有效數PAYLOAD(最大為32字節)及CRC校驗組成，其中前導碼、地址碼和CRC校驗由無線收發器按模塊寄存器配置自動完成。因此，這里僅對數據包中的數據PAYLOAD，進行結構規定如下：每個數據幀共10個字節，其中，第1字節為數據幀起始符；第2字節至第7字節為儀表顯示的測量數據(ASCII字符)；第8字節為儀表指示燈狀態；第9字節表示數據正負及小數點位置；最后一個字節為數據幀結束標志。其流程圖如圖7所示。接收模塊主程序對自身進行初始化后，進入接收等待狀態，監視周圍的無線信號，并判斷是否有發送模塊的數據包裝，如果有，則由串口輸出所收到的數據。發送及接收模塊主函數的流程圖如圖7和圖8所示。

圖4主程序流程圖

圖5GPS 接收中斷

圖6HC595 顯示中斷

圖7 數據發送流程圖

圖8 數據接收流程圖

6 創新特色

（1）超高亮度顯示，亮度可調：采用長壽命、高亮度、高質量的食人魚型綠色LED燈珠，搭配可靠的LED驅動電源設計，實現自動或手動的亮度調節，無論在強光還是弱光環境下，都能夠被肉眼或攝像頭等清晰識別。

（2）無線數據傳輸，使用方便：使用成熟的WiFi無線數據傳輸技術，實現了傳感器等與標準時鐘顯示裝置的數據鏈接，避免了繁瑣不便的布線工作，安裝方式更為靈活簡便，便于收納和維護。

（3）北斗衛星授時，可靠穩定：可接收北斗衛星和GPS衛星兩種系統的授時信息，自動選擇信號穩定的授時來源，保證整套系統可靠穩定地運行。

（4）鋰電系統供電，安全環保：使用長壽命鋰電池供電，配有電量檢測和顯示的功能，保障使用過程中的用電安全，且綠色環保。

7 結語

作為計量測試的一種輔助手段，機動車非接觸式測速無線顯示裝置有著廣泛的應用前景，使非接觸式汽車測速計作為機動車測速儀的現場計量檢定工具，測速顯示更加精準，能夠適應更多顯示環境，從而將檢測人員從檢測速度依靠手動截取的繁瑣工作中解放出來，避免繁瑣的人工操作帶來的測量誤差；從而進一步減少因超速行駛所引發的交通事故，保障人民群眾的生命、財產安全，與此同時也給交通管理部門的執法提供了更有力的技術保障。