0引言

随着称重技术的发展,动态称重在高速公路计重收费系统中得到了广泛应用,动态称重汽车衡也从单台面结构、双台面结构发展到了大台面整车式结构,称重系统精度得到了进一步提高。在单、双台面结构的动态称重汽车衡中,需要采用分轴计重求和的方式对车辆进行称量,但由于轮胎与台面接触时间短、轮胎驱动力、车辆自身振动、路面激励等因素对称重精度影响较严重,而大台面整车式结构的动态称重汽车衡可以改善这些因素对称重精度的影响。在动态称重技术中,需要区分车辆轴数及单轴质量,对于大台面整车式结构的动态称重将面临如何区分车辆轴数及单轴质量的难题,多数解决方案是采用在驶入方向增加单台面方式,这将导致增加设备成本和降低可靠性。本文的解决方案是在不增加复杂的秤台设备情况下,设计一套基于嵌入式系统的硬件环境和软件程序,对实际称重数据波形进行在线分析,采用专家算法对整个车辆的上秤过程进行分割,从而计算出轴数及轴重,实现整车式动态称重。

1硬件设计

主控芯片采用ARM-CortexM4架构的STM32F407VGT6处理器;触摸屏数据传输采用静态存储控制器FSMC,触摸控制采用SPI接口;称重信号采集采用2片独立的高精度A/D转换芯片CS5532提供4路ADC采集通道;多路光电隔离数字I/O通道实现与辅助设备连接;扩展64Mbit容量的Flash存储器用于保存系统参数和过车数据;具有USB接口(USB-A)、网口(PHY:DM9161AEP、LAN:HR911105A)、串口(Max232)通信方式。其中,主控芯片、触摸屏和Flash存储器及ADC芯片的电路设计可参考相应器件的参考电路,多路数字I/O通道采用光电隔离措施。ADC数据采集通道接线盒电路(部分电路未给出)。大台面采用多个同一型号悬臂梁应变桥式压力传感器,灵敏度相同并通过R6进行补偿,接线盒另一功能为调整传感器的失调电压。利用AD8237芯片负反馈通道抑制传感器失调电压,由于单极性供电需R3、R4和A2提供参考电压,R5和A3提供调整电压。并通过R0、RF、R7和A4构成的加法器输出给ADC转换芯片CS5532。跳线帽JP1控制传感器是否接入电路,用于秤台及传感器的调整。

2.算法设计

整个过程呈明显的阶梯状,同时伴随着抖动。为满足实时性要求,仪表ADC采样数据通过DMA(外设到内存自动增长循环模式方式存储到特定内存单元,减少CPU占用。由于轴数是计重收费费率的一个最重要的因素,对单轴质量有相关限重规定,因此需要准确识别车辆轴数及轴重。根据上轴过程数学模型,本仪表采用了专家算法对整个过程进行分割。根据单轴模型特征及轴间过程特征,建立专家算法分割过车过程以便计算轴数及轴重。专家算法主要根据以下几个特征对整个过程进行分割,包括数据变化率、上轴阈值、轴间间隔、数据平稳性。并根据这些特征建立知识库。推理过程:首先根据数据变化率达到阈值且变化趋势符合模型设置上轴标志,变化率达到峰值过程中估算轴重,变化率低于阈值后,判断是否达到上轴阈值,达到后判断是否达到上轴间隔时间和上轴过渡时间,最后判断数据是否稳定并和估计值比较计算轴重。整车都上秤后根据总轴数、上轴时间间隔和轴重信息进行车轴分组,与轴型库对比后对轴型进行修正,计算轴组质量。若出现多轴或丢轴现象,可通过上位机通知仪表,仪表重新分析上轴过程,并调整系统参数。

3. 软件实现

为达到实时性和交互性要求,本仪表采用了μC/OS-Ⅲ实时嵌入式系统和emWin图形界面进行软件设计。硬件驱动部分代码采用ST官方提供的固件库函数,支持控制器的所有外设性能特征,可明显减少程序开发时间。

4.结束语

单双台面称重方式属于先求局部,再由局部累加求整体;大台面属于获得整体同时分割局部。通过实际测试,整车式大台面动态称重较单、双台面单轴称重累加求和方式可有效去除单轴称重误差的累积,确保了称重可靠性和整车称量精度。本仪表采用专家算法无需辅助设备,根据上轴过程特征,可靠地区分了上轴过程,计算出单轴质量。采用上轴标记点存储过程数据减少数据保存量,通过处理可从整车质量中准确的计算出轴数及单轴质量,去除了因辅助设备故障引起的不能识别轴数影响收费的因素。

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