无线通信在电容车辆载荷检测系统中的应用

2010-03-26陈梅

合肥工业大学学报（自然科学版） 2010年9期

陈梅

(商丘师范学院物理与信息工程系，河南商丘 476000)

0 引言

电容式车辆载荷检测系统通过电容式车辆称重传感器，利用车辆本身钢板弹簧的变形检测车辆载荷[1]。司机可由安装在驾驶室内的显示器随时获得车辆载荷值，同时稽查人员可以利用手持仪器与车载式载荷检测装置进行无线通信，获得车辆的载荷信息。与传统的称重方法相比，采用具有无线通信功能的电容式车辆载荷检测装置具有更大的优越性。

1 电容式车辆载荷检测系统

电容式车辆载荷检测系统如图1所示，车载装置安装在车体上，车辆每个轮轴的中部与车厢底之间都安装一套电容传感器。在载荷作用下，汽车的缓冲减振机构(钢板弹簧)产生变形，电容传感器两极板间的距离发生变化，传感器的电容值也随之变化。预先标定出传感器电路输出电压值与该轮轴载荷值之间的关系，就可以根据各轮轴传感器电路的电压值得出该轮轴的载荷质量[2]。将各轮轴的载荷质量相加即得整车载荷质量。电容测量电路采用独特的四相检测电荷转移式微电容测量线路[3]，将来自电容式称重传感器极其微弱的电容信号采集出来，并转化成易于检测的电压信号，经A/D转换后送入DSP信号处理模块[4]。DSP信号处理模块对信号进行滤波，计算整车载荷并将结果线性化;之后，将载荷结果输出。

图1 电容式车辆载荷检测系统

无线通信以其不需铺设明线、使用便捷等特点，在现代通信领域占据重要地位[5]。无线通信装置包括车载装置和手持装置。车载装置接收手持装置的指令，向手持装置输送载荷结果，必要时向手持装置输送车辆类型、车牌号数据，进行误差校正;手持装置中超声波信号发射和数据接收装置向车载装置发出指令，启动车载装置，接收来自车载装置的数据;稽查人员通过键盘向车载装置输送误差校正数据;单片机系统接收数据后送给显示装置，并与PC机建立数据联系;PC机形成局域网后，可以完成信息收集、显示、查询、检索以及数据分析统计、处理、存储等多项工作。

2 无线通信原理

在电容式车辆载荷检测系统中，手持仪器中的单片机为主机，车载称重装置中的单片机为从机，单片机之间的通信方式采用一对多的主从模式，可利用ISM频段(433 MH z)，其通信原理如图2所示。

主机负责发送控制命令及显示车辆有关信息，从机负责收集车辆的载荷信息，进行一定的数据处理，根据主机的要求返回数据，并执行主机发出的命令，主机和从机之间的信息交换通过无线通信实现。在主从式多机无线通信系统中，从机不主动发送命令或数据，一切均由主机控制[6]。由于发送和接收共用同一物理信道，因此在任意时刻只允许1台从机处于发送状态，只有被主机呼叫的从机才能占用总线，对主机作出应答。

常见的多机通信方式是将每台从机分配1个唯一的从机地址[7]。主机与从机通信时，主机先呼叫某从机地址，唤醒被叫从机后，主、从机之间进行数据交换，而未被呼叫的从机则继续处于等待状态。主机发送的信息可以传到多个从机或指定的从机，各从机发送的信息只能被主机接收。但是主机发送的地址帧有效位仅有8位，只能分配256个从机地址。因为机动车辆数目众多，这显然不能满足要求。为了解决主机与从机的通信问题，系统采用基于时分多址的“随机延时”方法，可以增加从机地址个数，从而实现一点对多点的通信，其原理如图3所示。

图3 时分多址的“随机延时”原理

当手持仪器控制按键按下后，主机循环发送查询命令，查询附近有无车辆经过，为防止数据碰撞，将主机发出查询命令后的时间适当延时，并将所延时的时间分成n个时间间隔。各从机“随机”选择1个时间间隔，在此时间间隔内发回应答，这样主机就可以在逐个时间间隔接收应答数据。如果某个时间间隔内从机发生了数据碰撞，主机就会发现该时间间隔内接收到的数据有误码，然后将数据抛弃。如果没有发生数据碰撞，主机就会收到正确的数据，然后通知从机数据已经收到。在每个时间间隔内，主机发送的地址帧有效位均为8位，即均能分配256个从机地址，若干个时间间隔就可对应出更多的从机地址个数。从机的应答数据包括车辆的车牌号、车型及车辆的载荷信息。如果主机接收到正确的应答数据，就在手持仪器上显示结果，同时也可以传给用于车辆管理的计算机。

3 无线通信装置的硬件构成

电容式车辆载荷检测系统的无线通信设计和实现采用最新的无线收发芯片nRF401，具有设计简单、数据传输率高及能耗低等优点。

3.1 无线收发芯片nRF401

nRF401是NORDIC公司最新推出的单片无线收发一体的芯片，其内部结构如图4所示。主要包括高频接收与发生、PLL频率合成、FSK调制/解调和双频(433.92 MHz/434.33 MH z)切换等单元。

图4 nRF401内部结构

nRF401的主要特点如下:采用小型20引脚SSOP封装，有利于减少PCB面积而降低成本，适合便携式产品设计，也有利于开发和生产;采用蓝牙核心技术设计，工作于433 MH z ISM频段，2个工作频道，采用频移键控(FSK)调制解调技术;可以直接与单片机串口连接，也可以经过RS-232C电平转换后接至计算机串口;nRF401无线传输不需要曼彻斯特编码，直接采用最常用的串口进行，编程和应用非常方便;外围元件仅外装1个晶体和几个电阻、电容、电感元件即可;采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好，且具有低发射功率、高接收灵敏度和强抗干扰能力。

nRF401有3种工作模式，即接收模式(TXEN=0)、发送模式(TXEN=1)和等待模式。nRF401的详细工作模式与控制方式见表1所列。

从表1可以看出，TXEN、CS及PWR的不同组合可确定nRF401的工作模式，通过单片机编程控制3个引脚的工作状态，可使nRF401处于不同的工作模式，从而实现双向无线通信。

表1 nRF401的工作模式与控制方式

3.2 硬件设计

从图1可以看出，车载称重装置对车辆的载荷进行实时检测和处理，从单片机按照控制命令接收车辆载荷检测装置的数据，与主机进行数据通信。从单片机构成的显示及收发控制系统的硬件组成框图如图5所示。

控制单片机选用ATM EL公司生产的89C52，它与nRF401的连接关系为:89C52的发送端P3.1(TXD)和接收端P3.0(RXD)分别与nRF401的DIN、DOUT连接，P3.6与发射使能控制线TXEN连接，P3.7与频道选择线CS连接。

图5 从机显示及收发控制系统硬件结构

图1中的手持仪器为主机，主机的硬件结构框图如图6所示。

图6 主机硬件结构

当道路管理人员按动手持仪器的控制按键，要求读取数据，主机接到命令后，向从机发送命令，通过无线收发模块接收从机载荷数据，然后在手持仪器的显示屏幕上显示载荷信息和车辆有关信息，并且可以根据需要通过串口通信上传至道路管理部门的计算机。与从机相比，主机多了一个用来与计算机通信的串行口，此串口采用RS232标准，可用MAX232芯片实现。在主机中有1对收发串口(TXD和RXD)连接到了nRF401无线收发模块，另外还有1个与计算机通信的RS232串行接口需要连接，显然89C52单片机的串口不够，系统设计时利用16C550通用异步串行接口芯片将89C52的并行连接口转换为串行接口。

为了防止外界电磁干扰，系统电路用金属盒进行屏蔽，同时，为避免系统中的射频电路对数字电路发生干扰，将这两部分电路在盒内分两仓隔开，仓间仅允许数据线插槽通过。

4 无线通信装置的软件设计

系统进行车辆载荷检测时，可以不停车检测，车辆行驶时的速度远小于光速，无线通信中的多普勒频移效应可以忽略不计。但车辆速度越快，车辆在有效的通信工作区域内逗留的时间越短，信号的强度变化也越快，因此必须提高数据的收发速度。

系统设计的最高车速定为50 km/h，无线通信工作半径定为100 m，处理能力定为同时处理20辆汽车，因此平均每辆车的处理时间应该小于720 ms。根据道路管理的需要，处理一辆车的总的通信量不大于50 byte(包含车辆身份信息和载荷信息等)，而实际应用过程中，数据传输率要比理论值大一些，因此系统采用10 kbit/s数据传输率完全可以满足要求。

公路上恶劣的噪声环境、通信过程中的数据碰撞都会使得无线通信出现误码。因此，必须选用效果良好的差错控制编码，确保有较强的检错能力。基于以上考虑，软件设计选用移动通信中常用的循环冗余码[8]。

软件设计包括主机和从机2部分。在主机程序中，首先对显示缓冲区、键盘缓冲区和串口进行初始化，并设置通信波特率及方式;然后显示一些初始数据;接下来程序扫描键盘，若没有按键或没有按“读数”命令键则一直扫描，否则调用主机发送子程序，发送命令。而在主机发送子程序流程中，首先要将无线发送模块的状态转变为发送状态，然后发送命令帧，命令帧发送完则将无线发送模块的状态变为接收状态。

主机在接收状态下等待接收从机发回的数据，一旦从机发送数据，主机便进入接收中断服务子程序，主机首先检查接收的数据是否为有效数据，如果为假则打开中断，并返回到主程序，如果为真则接收数据，存入数据缓冲区中。当接收完所有的数据后，调用显示子程序显示结果，打开中断，返回到主程序。

在从机主程序初始化后，显示一些初始数据，然后接收系统采集与数据处理模块的载荷数据，并在从机端显示结果，然后每隔一定时间就接收载荷数据并显示结果。

当主机发出命令，要求从机发送数据时，从机便进入接收中断服务子程序，从机首先判断主机的命令是否为有效命令，如果不是则打开中断，返回从机主程序;如果是有效的命令则调用发送数据子程序。在从机发送数据子程序中，首先获取数据地址指针，将无线通信模块转变为发送状态，然后系统产生随机延迟码，以防数据碰撞的方式发送载荷数据帧，发送完后再将无线通信模块转变为接收状态。执行完从机发送数据子程序后，再返回中断服务程序，并打开中断，然后返回到主机主程序循环。