基于GPS的道路测速系统校准仪器的研制

2015-06-09朱卫民井乐乐

计量技术 2015年2期

关键词：测速仪计量界面

齐芳周洲朱卫民井乐乐

(1.河南省计量科学研究院，郑州 450008；2．郑州大学，郑州 450001)

基于GPS的道路测速系统校准仪器的研制

齐芳1周洲2朱卫民1井乐乐2

(1.河南省计量科学研究院，郑州 450008；2．郑州大学，郑州 450001)

设计研制了一个基于GPS的道路测速系统校准仪器。该仪器可通过一个GPS接收机记录运动载体的行驶速度及时间、行驶路程，工作人员还可以方便地从软件中提取任意时间、任意地点的速度或任意时间段、任意路段的区间速度，并将其与其他测速系统的测量值进行比对校准，从而完成对其他测速系统如雷达测速仪的校准溯源。

GPS；测速；计量校准；LabVIEW；区间测速

0 引言

随着私家车的日益普及和货物运输量的加大，道路安全形势的日益严峻，对测速仪器的计量校准及溯源变得尤为重要。传统的测速校准方式已经不能满足道路系统校准的需要，GPS以其高精度的测速结果为测速系统的校准提供了一种新的技术手段，可作为标准源完成其他测速方法如地感线圈测速仪[1]、雷达测速仪[2]等测速系统的计量校准。

本文设计了一种基于GPS的道路测速系统校准仪[3]，它可以记录下安装了GPS接收机的运动载体的行驶路程，行驶速度及行驶时间，用户可以从软件中方便地提取测量期间内任意时间，任意地点的瞬时速度，还可以提取任意时间段、任意路段的区间速度。并能将瞬时速度显示在车外悬挂式LED屏上，方便其它的测速系统与作为标准源的本系统的测量值进行比对校准。

1 系统介绍

基于GPS的道路测速系统校准仪由GPS模块、悬挂式LED显示模块和PC端上位机软件三部分组成，如图1所示。GPS模块接收GPS卫星信号后[4]，对卫星信号解码计算出时间、位置及速度信息，然后将这些数据按照一定的通讯协议通过串口发送给上位机软件；上位机软件接收数据并按照协议解析出路径及速度信息，然后记录下时间、路径以及速度，以相应的文件格式保存，并计算出任意时间段、路径段的区间速度，同时将瞬时速度通过串口发送到悬挂式LED显示模块；LED显示模块接收到瞬时速度信息后，将瞬时速度显示在LED屏上。当检测车通过公路测速系统且超速时，道路测速取证系统开始工作，自动拍摄检测车，标定该车的速度值。此时，被检车辆外挂显示屏上的车辆标准速度值也被拍摄，对比这两个速度值即可实现对公路机动车测速系统的检测校准。

图1 系统总体框图

2 GPS模块的设计

GPS模块使用的是Garmin公司的GPS25LVS模块。GPS25LVS模块的RF引脚为天线引脚，通过BNC接口连接到吸附式天线。吸附式天线底盘上带有磁石可以吸附在车顶，以便良好地接收GPS卫星信号。VCC和GND引脚分别为电源和地引脚。Txd为串口发送引脚，Rxd为接收引脚，这两个引脚与DB9接口相连接，方便地连接到电脑的串口上，图2为GPS25LVS接口电路示意图。

图2 GPS25LVS接口电路示意图

3 悬挂式LED显示模块设计

LED显示模块设计为32×16的LED点阵模式，通过移位寄存器74HC595来控制这些LED灯。模块使用单片机STC89C52来接收上位机发送的速度信息，并模拟移位寄存器时序来控制LED的点亮。

本模块的软件设计为前台和中断两个部分。图3和图4分别为前台程序及中断程序的流程图。

图3 前台程序流程图

图4 中断程序流程图

4 PC端上位软件机模块设计

由于本系统需要有大量的图表显示以及仪表控制，因此选择LabVIEW[5]作为上位机程序的开发软件，软件包含前面板和程序框图两个部分。

4.1 前面板设计

前面板设置了两个选项卡，一个是速度界面，一个是路程界面。所有和速度有关的测量装在速度界面选项卡中，和路程有关的测量则装在路程界面选项卡中。

图5 速度测量界面速度与时间显示部分

速度界面的左边是一个波形图，它可以实时显示速度曲线，波形图的下面有一个水平滑动杆，拖动该滑动杆可以控制波形图中的游标移动，读取相应的时间与速度信息，在旁边的文本显示框中显示，如图5所示。界面的右边有一个名为“采样”的按钮及一个文本显示框，用户点击“采样”按钮或单击键盘上的回车键，软件会对当前时刻和速度进行采样，将数据保存在显示框中，如图6所示。路程测量界面的左边是一个XY图控件，它接收的数据格式是一维簇数组，可根据经纬度簇数组而实时更新路径信息。右边是三个文本显示控件，分别显示平均信息、起点信息和终点信息。起点信息和终点信息分别显示了路径图表中游标位置的经度、纬度、时刻以及速度值，平均信息则显示了起点游标与终点游标之间行驶所用的时间，行驶的路程及区间速度。整个路径测量界面图表可以实时记录路径信息。

图6 前面板采样部分

4.2 程序框图设计

本程序开辟了三个进程，分别完成GPS数据协议解析、GPS信息记录采集存储和瞬时速度值点阵转换及发送功能。

1)GPS数据协议解析进程

本进程使用普通的程序流程，由while循环、for循环以及条件结构组成。首先进程使用一个while循环，该循环在软件运行期间一直运行直到软件关闭时停止。循环内是一个条件结构，条件结构由真假两个分支构成，该条件结构根据前面板电源开关的值来判断进入哪个分支。当电源开关被按下时，条件结构进入“真”分支，否则进入“假”分支。真分支负责完成GPS数据的协议解析，假分支则没有任何功能。这样相当于电源开关按下后，软件处于正常工作模式，电源开关弹起后软件处于待机模式。

2)GPS信息记录采集存储进程

该进程采用事件结构编程。用户对软件界面的任何操作，例如“单击鼠标”，“拖动鼠标”或者“按下键盘的某个键”，操作系统都会将这些操作以队列的形式记录下来，而事件结构则会不停地扫描该队列，一旦有设定的事件，就会触发相应的程序。

3)瞬时速度值点阵转换及发送

本进程负责完成将进程1)中解析出来的速度值变换为点阵串行数据，通过串口发送给LED模块。该进程同样使用事件结构编程，不过只包含两个事件，一个是“超时”，另一个是“速度值改变”。如果速度值没有改变，本进程将不被触发，LED显示的速度值也不会改变；当速度值变化了之后，本进程就会将速度值变化为点阵串行数据发送到LED上来更新显示的速度值。

5 实验数据分析

目前，国内对雷达测速仪的检定采用的标准器多数是安装在机动车上的非接触式测速仪，因此我们用该GPS道路测速系统同另一套型号为CTM-800的非接触式多功能测速仪对同一条道路上的各个测速点进行速度测量值采集、比对。实验中将接收机安置于车上，行驶车辆采用逐渐加速的方式行进，实验人员观察测速系统的实时性。实验过程中所显示车速值随着车速的变化而发生快速的变化，可以证明速度更新的实时性良好。另外采集速度值时采用在某个速度点对两个装置的速度采集界面拍照取样，这样采集得到的速度值可以客观地反映同一速度点的数值。采集的数据如表1所示。

表1 两套测速仪的测试数据 km/h

根据测试结果分析，GPS道路测速系统的系统误差为±0.5%，可以达到机动车超速自动监测系统中对于计量器具误差的要求[6]。另外，由于非接触式多功能测速仪对天气有较高的要求，在下雨天气及路面有积水的情况下对数据采集有较大的影响，而GPS道路测速系统则对天气无太高要求，且其无需固定在测速车辆上，携带方便，因而更适合在道路上对其他测速系统如雷达测速仪进行检定校准。