本文介紹了動(dòng)態(tài)稱重在公路收費(fèi)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。本系統(tǒng)以基于單片機(jī)AD7714的動(dòng)態(tài)地磅為核心,采用雙CPU結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)管理單元采用上位機(jī)、下位機(jī)分級(jí)管理，輔之一些必不可少的設(shè)備構(gòu)成一 套完整的計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效地提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性。

0.引言

動(dòng)態(tài)地磅也稱動(dòng)態(tài)軸重儀,是對(duì)行駛中的 車輛稱重的一種衡器，在公路計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)中用 于對(duì)車輛超限進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)車輛計(jì)重。本文介紹 的計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)已在實(shí)際中應(yīng)用。本系統(tǒng)適用于 各種運(yùn)輸車輛的檢測(cè)，特別適用于公路車流量大、 需要全天候檢測(cè)的地方。本系統(tǒng)既可建站專人管 理，也可實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)檢測(cè)，可滿足不同客戶及各 種條件。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展、收 縮。主要模塊包括檢測(cè)單元、信號(hào)采集處理、變送 單元(單片機(jī)）、數(shù)據(jù)管理單元（微機(jī)）、輔助單元 (顯示、打印）等。數(shù)據(jù)管理單元采用上位機(jī)、下 位機(jī)分級(jí)管理，同時(shí)下位機(jī)具有上位機(jī)主要功能， 增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。信號(hào)采集處理、變送單元 (單片機(jī))采用目前先進(jìn)的模擬信號(hào)處理技術(shù)，采 用雙CPU結(jié)構(gòu)，有效地提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和 穩(wěn)定性。

1.計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)構(gòu)成及功能

計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，其各部分的 功能如下：

①動(dòng)態(tài)地磅臺(tái)面采用上翻式結(jié)構(gòu)，具有 防水、防潮作用，設(shè)于距離收費(fèi)窗口約30m左右 (最長(zhǎng)的車輛長(zhǎng)度）的路面，用于動(dòng)態(tài)檢測(cè)車輛各 軸軸重U,)、總重(M)、軸數(shù)（a)以及車輛第一車 軸到達(dá)時(shí)間（〃<1)、最后車軸離開(kāi)時(shí)間（W2 )等。 臺(tái)面尺寸為3 600mm x 760mm x 198mm，傳感器 (4個(gè))采用電阻應(yīng)變式、精度為±0.2%c、靈敏度 為3mV/V的壓力傳感器。

②汽車收尾識(shí)別器位于動(dòng)態(tài)地磅臺(tái)面 后方20cm處，用于檢測(cè)車輛車頭高度、到達(dá)時(shí)間 U1)、離開(kāi)時(shí)間U2)，高度為1 800mm。采用收 發(fā)式紅外線陣列進(jìn)行面檢測(cè),接收和發(fā)射均經(jīng)過(guò) 聚光處理且為雙備份，系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)到每一個(gè) 接收、發(fā)射點(diǎn)的工作情況，當(dāng)檢測(cè)到有不正常工作 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整發(fā)送功率或接收點(diǎn)的工作狀態(tài) 來(lái)修復(fù)故障。修復(fù)失敗時(shí)由系統(tǒng)自動(dòng)切換備用 點(diǎn)，即使有不相鄰的數(shù)個(gè)檢測(cè)點(diǎn)不能使用也不影 響系統(tǒng)正常運(yùn)行。這些措施可以保證系統(tǒng)在惡劣 的環(huán)境下能正常、長(zhǎng)期運(yùn)行。紅外線汽車收尾識(shí) 別器能夠檢測(cè)到面內(nèi)直徑不小于8cm的桿體。 有些書(shū)中介紹用環(huán)形線圈來(lái)檢測(cè)車輛的收尾，事 實(shí)證明不但不能解決拖掛車的收尾問(wèn)題，且無(wú)法 識(shí)別相距較近的兩輛車；這種介紹只具有理論性， 不能用于實(shí)際系統(tǒng)中。

③速度識(shí)別器位于汽車收尾識(shí)別器前 方2m處，高度為800mm，用于檢測(cè)車輛到達(dá)時(shí) 間（pt1)、離開(kāi)時(shí)間（Pt2)以及根據(jù)收尾識(shí)別器 檢測(cè)到的到達(dá)時(shí)間計(jì)算出車輛通過(guò)動(dòng)態(tài)地磅臺(tái)面時(shí)的速度（V)。有些書(shū)中介紹用環(huán)形線 圈來(lái)檢測(cè)車輛的速度，事實(shí)證明由于車輛底盤(pán) 結(jié)構(gòu)和高度不同，又是在小范圍內(nèi)檢測(cè)車輛的 速度，所以其精度極差；這種介紹也只具有理 論性，不能用于實(shí)際系統(tǒng)中。

④下位機(jī)用于對(duì)汽車收尾識(shí)別器和速度 識(shí)別器的紅外陣列的控制、檢測(cè)、修復(fù)、備用點(diǎn)切 換，對(duì)動(dòng)態(tài)地磅中的壓力傳感器輸出的模擬信 號(hào)進(jìn)行預(yù)處理放大和A/D轉(zhuǎn)換。紅外陣列的控 制、檢測(cè)、修復(fù)、備用點(diǎn)切換用一塊單片機(jī)進(jìn)行，采 用并行總線和每一接收和發(fā)送點(diǎn)連接，發(fā)送點(diǎn)用 38kHz可控發(fā)送功率的紅外發(fā)射管，接收點(diǎn)用集 成化的紅外接收模塊。系統(tǒng)根據(jù)接收到的發(fā)送脈 沖數(shù)來(lái)斷定是否有物體遮擋紅外線路，接收、發(fā)送 點(diǎn)是否有故障等，并采用交叉發(fā)送和接收工作，這 樣有個(gè)別點(diǎn)不工作也不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。對(duì)壓 力傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理放大和A/ D轉(zhuǎn)換也用一塊單片機(jī)進(jìn)行。本系統(tǒng)采用美國(guó) Analog Devices 公司推出的 24Bit AD7714 芯片 (ADC家族AD771X系列中的新品，適用于低頻、 高精度轉(zhuǎn)換）。該芯片具有完整的模擬前端，可 以直接測(cè)量傳感器輸出的直流微弱信號(hào),轉(zhuǎn)換精 度達(dá)到24位無(wú)誤碼。采用三線串行口與單片機(jī) 聯(lián)接，通過(guò)軟件編程對(duì)輸人通道作出設(shè)置。該芯 片具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)功能，可以消 除零點(diǎn)誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。因 篇幅有限，有關(guān)AD7714的各種工作模式、校準(zhǔn)操 作等未能詳細(xì)介紹，可參閱Analog Devices公司 的AD7714數(shù)據(jù)手冊(cè)。

⑤綜合顯示器置于收費(fèi)島面上，司機(jī)能看 清顯示器上的數(shù)據(jù)。能顯示收費(fèi)車輛的車型、應(yīng) 收金額和通行信號(hào)燈。司機(jī)按顯示的金額交納通 行費(fèi)，并按通行信號(hào)燈的指示行駛。

⑥自動(dòng)欄桿司機(jī)交費(fèi)結(jié)束自動(dòng)抬起放行， 通過(guò)欄桿后自動(dòng)落下。

⑦上位機(jī)接收來(lái)自下位機(jī)信號(hào)和數(shù)據(jù)，計(jì) 算出車輛總重和通行速度，車輛總重乘以通行速 度影響系數(shù)(P)為車輛實(shí)際重量，再根據(jù)收費(fèi)標(biāo) 準(zhǔn)計(jì)算出應(yīng)收金額，送綜合顯示器顯示，并控制欄 桿。同時(shí)根據(jù)下位機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)計(jì)算車輛的車頭 高度、車軸數(shù)、車輛長(zhǎng)度(I)、車軸距離（Z)等車輛 特征來(lái)判定車輛標(biāo)載重，和實(shí)際載重比較后就能 知道該車是否超限。計(jì)算公式為：

2.數(shù)據(jù)處理與軟件設(shè)計(jì)方法

當(dāng)計(jì)重區(qū)內(nèi)（收費(fèi)窗口到收尾檢測(cè)面之間的 區(qū)域）沒(méi)有車輛時(shí)，紅外陣列進(jìn)行自檢，從發(fā)現(xiàn)故 障到修復(fù)一般只需3分鐘的時(shí)間。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間（10 分鐘）沒(méi)有車輛進(jìn)人時(shí)，紅外陣列進(jìn)人睡眠節(jié)能 狀態(tài)；當(dāng)有車輛進(jìn)人時(shí)，自動(dòng)激活運(yùn)行。

當(dāng)收尾檢測(cè)器檢測(cè)到車輛進(jìn)人計(jì)重區(qū)時(shí)，下位 機(jī)的收尾檢測(cè)器控制單元輸出高電平并記錄時(shí)間， 根據(jù)擋住最高點(diǎn)的紅外頭計(jì)算出車輛高度，同時(shí) A/D以200次/秒的速率采樣、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。第一個(gè) 車軸進(jìn)人稱臺(tái)時(shí)記錄到達(dá)時(shí)間，并將車軸在稱臺(tái)上 的時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，車軸離開(kāi)稱臺(tái)時(shí)記錄時(shí)間 并對(duì)所存儲(chǔ)的計(jì)重進(jìn)行處理得出軸重并存儲(chǔ)。重 復(fù)這個(gè)過(guò)程直到車輛離開(kāi)收尾檢測(cè)器，最后一次車 軸到達(dá)稱臺(tái)的時(shí)間為車輛的末軸到達(dá)時(shí)間。車輛 離開(kāi)收尾檢測(cè)器時(shí)，記錄離開(kāi)時(shí)間，收尾檢測(cè)器控 制單元輸出低電平，同時(shí)A/D停止采樣、轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)。上述的這些數(shù)據(jù)在車輛離開(kāi)收尾檢測(cè)時(shí)通過(guò) RS -232串行口送上位機(jī)進(jìn)行處理，當(dāng)斷定車輛載 重超限時(shí)報(bào)警，由有關(guān)人員另行處理。

由于計(jì)重區(qū)范圍較大，上位機(jī)的軟件編程應(yīng) 考慮到有多輛車進(jìn)人區(qū)域的情況，故應(yīng)在上位機(jī) 的屏幕上顯示當(dāng)前車輛的收費(fèi)信息，以及收費(fèi)區(qū) 內(nèi)所有車輛的收費(fèi)信息。當(dāng)前車輛收費(fèi)結(jié)束后， 第二輛自動(dòng)上升為當(dāng)前車輛，還要考慮到當(dāng)車輛 長(zhǎng)久停在稱臺(tái)時(shí)（時(shí)間大于10s)，則此輛車的速 度影響系數(shù)應(yīng)以0速度計(jì)算（實(shí)踐證明其誤差率 小于0.1 %，能夠滿足要求）。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文僅著重介紹了計(jì)重部分的內(nèi)容,在具體 的收費(fèi)過(guò)程中還需要配合圖像監(jiān)控、對(duì)講監(jiān)聽(tīng)以 及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)才能形成一套完整的公路收費(fèi)系統(tǒng)。 有關(guān)公路收費(fèi)系統(tǒng)的內(nèi)容請(qǐng)參照其他資料。

本計(jì)重系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了系統(tǒng)的 環(huán)境適應(yīng)性、穩(wěn)定性、抗干擾性、自適應(yīng)性。所研 制的系統(tǒng)正應(yīng)用于公路收費(fèi)現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行良好，證明 設(shè)計(jì)方案是正確的。