联网版道路轴载谱动态称重系统设计

韩文扬，安 平，苏春华，韦金城

（1. 山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；2. 日照公路建设有限公司，山东 日照 276800）

1 背景

相较于传统静态称重设备，动态称重系统具有效率高、安装灵活等特点。实际称重信号特点设计信号处理和采集电路拟实现服务器远程通讯控制，并定时接收采集轴载谱数据，可长时间安装运行，无需工作人员定期到现场获取数据。

2 联网版动态称重系统设计方案

2.1 压电膜传感器

压电膜传感器是一种新型的聚合物压电薄膜［1］，弹性好，易弯曲，具有相当宽的频率范围，稳定性能和动态性能好，适合在急剧变化的环境中工作。在动态称重中使用的压电膜传感器为条状传感器，由金属编织芯线、压电材料和金属外壳制成同轴结构。所用压电膜传感器安装在道路沟槽内，汽车轮胎经过传感器时，压电材料在受机械冲击或振动时产生电荷信号［2］。

2.2 系统功能组成

开发的系统电路将两个压电膜传感器配合使用，设计的信号处理电路可将电荷信号放大为电压信号，利用低通滤波电路滤除信号中的低频噪声。车辆经过两个传感器时，不同重量的车轴产生不同面积的脉冲信号，单片机快速采集压电膜传感器信号进行计算轴重，两个传感器测量数据取平均值可以有效降低误差。进一步根据传感器的安装距离和不同信号产生的时间差，还能得到车速和轴距等车辆参数。

系统能实时监测车辆参数，通过4G网络向服务器传送及接收设置参数；系统包含实时时钟功能，可记录车辆通过时间。系统能接收地感线圈开关信号，获得车辆当前状态；设计了看门狗电路，可防止单片机意外死机，使系统长期稳定工作。系统采用太阳能电池板供电，设计了供电电压测试电路，当电压过低时发送故障代码。系统的硬件结构见图1。

图1 系统功能组成

3 硬件电路设计

3.1 电源电路设计

系统的电源电路采用双电源设计思路，太阳能电池板经控制器稳压后输出+12 V，电源芯片K7812-1000R3可将+12 V电压转化为-12 V电压，线性稳压芯片7805将+12 V转化为+5 V，7809将-12 V转化为-5 V。为防止电源波动对芯片供电造成影响，在每个电源芯片后加入滤波电容，稳定电源输出。

3.2 信号处理电路设计

压电膜传感器产生的信号为电荷信号［3］，在进行测量时需要将电荷信号转换为电压信号［4］。信号处理电路对压电膜传感器信号进行两级电路放大，第一级放大电路将传感器输出微弱电荷信号，放大为mV级电压信号。该电路使用输入运算放大器TL062，可通过反馈电阻调节电压增益。第二级放大电路采用了AD620放大器对输入的信号进行放大。MC1403恒压源产生信号的基准电压，将输入信号整体抬高，方便后续数据处理。

3.3 单片机外围电路及采集电路设计

系统采用单片机MC9S08DZ60，具有24路12位ADC采集通道，在保证采样精度的基础上，可减少单片机AD转换的时间，提高数据采集速度，通过分析计算，得到车速和轴重等车辆参数。

3.4 开关量信号处理电路设计

信号处理板接收外部地感线圈开关量信号，当高电平信号到来时，三极管导通，单片机IO口进行判别。三极管基极和发射极需要串接电阻，该电阻可使晶体管在输入呈高阻态时可靠截止，同时在晶体管关闭时,增加基级和发射极之间的放电速度，减少晶体管中的残留电荷引起的滞后时间。

3.5 串口通讯电路设计

控制系统采用两路异步串行通讯，搭建以MAX232芯片为核心的RS-232串口通讯电路，实现数据的传输。一路通讯连接DTU，将采集的车辆数据通过4G上传至服务器；另一路则是用来预留拓展功能。RS-232能够同时接收和发送数据，适合短距离两个设备单点快速通讯。

3.6 实时时钟电路设计

系统实时时钟电路由一个时钟芯片PCF8563和外围晶振、匹配电容组成。实时时钟芯片通过IIC总线与单片机通讯，传递时间信息。PCF8563芯片的通讯接口连接至单片机的2个IO口，模拟产生IIC时序，实现时间信息的有效传输。除了利用系统电源供电外，额外增加了纽扣电池供电，当系统处于断电状态时，纽扣电池给芯片供电，保证其一直处于工作状态。

3.7 看门狗电路设计

为了保证系统在工作过程中不会因为干扰等原因导致死机［5］，看门狗芯片采用了MAX705，该芯片的看门狗定时器用于监控主控单片机的活动。如果在1.6 s内芯片的WDI端没有收到来自单片机的触发信号，且WDI为非高阻态，则芯片给主控单片机发出复位信号，令主控单片机复位，防止主控单片机由于干扰出现死机的问题，提高系统工作的可靠性。

4 数据传输

4.1 4G DTU

DTU采用4G无线透传模块，支持移动、联通和电信4G高速接入，在4G网络下具有速率快、延时低的特点，适合应用在一些传输大数据量，交互频繁的场景，具有高度的稳定性。DTU安装有手机SIM卡，与单片机双向数据传输，支持网络透传模式，接收单片机定时发送的车辆数据，并实时向服务器打包发送。

4.2 传输协议

在进行4G网络传输时，需要对数据进行包装，转化为能在网络上传输的信号，同时在服务器接收之后能将传输的信号转化为直观可读的数据，本系统为两者之间建立行之有效的传输协议。采集系统将每个车辆数据打包发送，每包数据帧都包含数据头、传输数据及和校验结果三部分。制定的传输协议分采集器上传和服务器下发两种。

采集器上传包括两类数据帧：第一类是发送正常采集的数据，服务器可设置固定的时间间隔使采集器上传数据。第二类是发送故障状态的故障码，有两种工作方式，若采集器自身判断有问题，则主动上传故障码；若工作人员发现系统有问题，则通过服务器询问，采集器将故障代码上传，用于故障原因分析。

服务器下发包括两类数据帧：第一类是设置参数，主要是设置系统时间及数据上传间隔，为了兼容后续功能，预留相关字节；第二类是发送状态查询指令，主要用于故障原因分析，通过发送不同指令，采集器上传相应的数据。

5 动态称重试验测试

5.1 称重信号分析

为进一步验证电路设计的可行性和称重数据的准确性，进行路面模拟测试。压电膜传感器与地感线圈均铺设在道路上，安装位置见图2。压电膜传感器与车辆行驶方向垂直铺设，地感线圈则铺设在两条传感器中间。

图2 安装位置示意

传感器安装后，在模拟测试现场进行信号获取，将压电膜传感器与信号处理电路连接，用示波器测量模拟车辆经过时的输出波形，见图3。图3（a）是两轴车的称重信号，当两轴车的不同车轴先后通过同一条平行放置的压电薄膜时，会产生2个脉冲信号；图3（b）是六轴车的称重信号，车辆经过时产生了6个脉冲信号。

图3 称重信号输出波形

5.2 称重算法

车辆车轮压在传感器上时，传感器输出电压从零点开始上升，到达峰值之后下降至零点，产生的波形与轴重有着较为良好的线性关系。经过大量模拟测试，初步验证了轴重的计算方法：

式中：W—轴重，t；C—调整系数；A=1t0V（t）dt—脉冲信号的积分面积，t；t0、t1—信号从零点开始上升的时间和信号下降为零点的时间，s；v—车速，km/h,可由两个传感器之间的安装距离和同一车轴经过两个传感器之间的时间差计算得到。

系统采用安装两个压电膜传感器的方式计算轴重，在计算过程中取平均值作为最后的轴重测量结果，可以有效减少测量误差。此方式可以精确测量车速，通过车速和相邻车轴经过同一传感器的时间差计算轴距，同样取两个传感器计算的平均值作为最终测量轴距。

5.3 试验测试结果

为了实现联网版道路动态称重系统的广泛开发应用，并测试户外4G传输的稳定性进行现场试验。该路段设计为双向六车道，检测重载车辆较多的最外侧行车道、服务器接收车辆数据。试验结果表明：（1）压电膜传感器能有效输出称重信号，采集系统能快速获取此信号，计算得到车速、轴数、轴距和轴重车辆参数。（2）系统能实时检测供电电压和传感器工作温度，保证工作正常。（3）单片机经串口通讯将数据定时传送至DTU，进而以4G网络传送至服务器显示并存储。（4）测试系统监测一段时间内的车辆数据，接收数据显示这一路段六轴载重车辆较多，载重量较大，与现场实际观测情况相符。

6 结语

（1）提出了一种基于4G传输技术的联网式车辆动态称重装置，系统以单片机为微处理器，结合压电膜传感器信号处理电路，将传输的信号采样处理，计算得到车辆参数信息，并将数据定时发送至DTU，通过自定义网络协议与服务器建立双向4G网络通讯。（2）进行路面模拟测试试验，测量了压电膜传感器输出信号，并给出了轴重等数据的计算方式。试验结果满足测试需求，此方案可以较好的实现对车辆的动态称重。（3）实际运营高速公路现场试验测试结果表明，开发的系统能实时检测道路车辆数据，并上传至服务器进行数据分析，为高速公路车辆动态称重提供较好的技术手段。