隨著道路行車速度的提升及行車數(shù)量的劇增，要求車檢器必須具有快速的響應(yīng)時間、準(zhǔn)確的判斷能力和穩(wěn)定的工作狀態(tài)。車檢器檢測技術(shù)主要有：視頻[1]、環(huán)形線圈[2]、數(shù)字微波[2]、激光和紅外線等。雖然檢測技術(shù)種類多，但也存在許多不足：一方面是抗干擾能力較差，產(chǎn)品成本也比較高；另一方面則是檢測響應(yīng)時間較長，難以及時準(zhǔn)確地檢測到高速通過的車輛。

    針對常規(guī)公路的道路環(huán)境及車輛通行情況，本文介紹的車檢器采用的是環(huán)形線圈檢測技術(shù)。該技術(shù)原理簡單、實現(xiàn)成本低、工作穩(wěn)定可靠。在信號分析處理方面，采用了性能穩(wěn)定的ATmega16A單片機[3]。車輛檢測信號直接由單片機綜合分析處理，每個通道檢測響應(yīng)時間控制在2.5 ms內(nèi)完成，檢測結(jié)果通過車檢器前面板上的指示燈指示，并且采用RS485總線向上位機或其他監(jiān)控設(shè)備發(fā)送檢測結(jié)果數(shù)據(jù)包。
1 系統(tǒng)工作原理
1.1 環(huán)形線圈檢測原理
    埋在路面下的環(huán)形線圈通過饋線連接到車檢器上，與車檢器上的電容及三極管等器件構(gòu)成LC諧振電路，所產(chǎn)生的正弦波振蕩信號整理成方波信號后送到單片機。在無車輛通過時，可認(rèn)為由環(huán)形線圈所形成的電感值是穩(wěn)定不變的，因此LC諧振電路的諧振頻率也不變，單片機將接收到固定頻率的方波，記為F1。在有行車通過埋地環(huán)形線圈時，由于機動車是一個大金屬體，埋地線圈產(chǎn)生的電感量將發(fā)生變化，使得LC諧振電路的頻率也隨之變化，單片機接收到的方波頻率記為F1+ΔF；而當(dāng)機動車離開埋地線圈后，LC諧振頻率將恢復(fù)為F1，從而實現(xiàn)了將車輛通過的有無，轉(zhuǎn)換為發(fā)送到單片機的方波頻率的變化。
1.2 可變計數(shù)門限工作原理
    對于采用固定門限的計數(shù)方式[4]，是給主計數(shù)器一個固定時長的計數(shù)時間，以檢測信號作為計數(shù)時鐘，如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能及其硬件組成
2.1 系統(tǒng)功能簡介
    (1)本設(shè)計采用可變計數(shù)門限檢測法。單片機初始化時將根據(jù)主計數(shù)器的計數(shù)值N實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)可變門限計數(shù)器的計數(shù)上限值M，使得其計數(shù)時長在要求之內(nèi)，而主計數(shù)器也能得到具有明顯區(qū)分度的計數(shù)值。實際上，就是在檢測時間和檢測靈敏度之間達到一個平衡。
    (2)車檢器提供了兩個檢測通道，每個通道可以單獨使用，也可以聯(lián)合使用。單獨使用時可檢測車流量，即當(dāng)檢測到車輛通過環(huán)形線圈時則累加過車數(shù)量；聯(lián)合使用時可檢測車速，當(dāng)車輛經(jīng)過第一個線圈時記錄車輛進入時間T1，進入第二個線圈時記錄進入時間T2，則行車速度為V=S/(T2-T1)，其中S為兩個線圈的間隔距離。
    (3)車檢器具備上位機遠程操控功能。上位機通過RS485總線實現(xiàn)遠程操控車檢器的工作模式及設(shè)定檢測參數(shù)(包括檢測靈敏度、自調(diào)諧、通信波特率、初始化、通道開啟狀況等)。輸入輸出數(shù)據(jù)格式可根據(jù)用戶的要求進行組幀，提高了車檢器的適用性。
    (4)參數(shù)設(shè)置及工作狀態(tài)指示。采用兩個8 bit撥碼開關(guān)用于參數(shù)設(shè)置，其中一個在前面板上提供通道的檢測靈敏度和存在時間設(shè)定，另一個在車檢器電路板上提供地址碼設(shè)定、節(jié)能模式、串口使能、自調(diào)諧等功能的設(shè)定。8個LED用于在前面板指示車檢器工作狀態(tài)(包括存在指示、故障指示、通信指示、電源指示和編程指示等)。
2.2 硬件組成
    車檢器的硬件組成框圖如圖3所示，介紹如下：
    (1)LC諧振電路：采用了雙通道時分復(fù)用的方式，外部的埋地環(huán)形線圈分別接入到車檢器上的隔離線圈，通過單片機控制兩個通道的選通情況，每次只能有一個通道被選通。這樣不但能讓電路更簡單，而且避免了兩個通道之間的互相干擾。

    (2)控制器核心電路：控制器選用了ATmega16A-AU，這是一款高性能、低功耗的8 bit AVR微處理器，工作于16 MHz時的性能高達16 MIPS，只需2個時鐘周期的硬件乘法器；具有16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，并具有硬件看門狗。此外，ATmega16在室外露天環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定工作，性價比突出。該部分為車檢器的核心電路，可變門限計數(shù)器和主計數(shù)器分別采用ATmega16A內(nèi)部集成的8 bit和16 bit計數(shù)器，從而使得整個車檢器的電路更為簡單并且有較強的抗干擾能力。
    (3)通信接口模塊：車檢器的對外通信采用RS485總線，選用MAX3485ESA作為RS485差分電平轉(zhuǎn)換芯片，并且加入了光耦器件進行隔離，有效地保護車檢器內(nèi)部電路不受來自傳輸線路的影響。車檢器采用主機查詢應(yīng)答的通信模式，除了做應(yīng)答外，其他時間要保持接收監(jiān)聽狀態(tài)，這樣才能及時接收到主機的查詢信號。
3 軟件設(shè)計
    單片機的主要工作流程如圖4所示。車檢器上電后，單片機初始化各個I/O端口的方向和初始電平，讀取車檢器上各個撥碼開關(guān)的設(shè)置值并以此初始化各個功能模塊，初始化門限計數(shù)器與主計數(shù)器，最后使能兩個計數(shù)器同時開始計數(shù)。當(dāng)外部埋地線圈出現(xiàn)開路或者短路等故障將導(dǎo)致LC諧振電路不起振，從而使得門限計數(shù)器沒有計數(shù)時鐘；或者是LC諧振電路能起振，但由于線圈老化或者不符合標(biāo)準(zhǔn)而頻率過小，這兩種情況都會導(dǎo)致門限計數(shù)器達到上限之前主計數(shù)器計數(shù)溢出。

    由于不同廠商生產(chǎn)的環(huán)形埋地線圈規(guī)格不盡相同，只能要求電感值在20～1 000 mH范圍內(nèi)，因此，需要根據(jù)線圈的實際電感調(diào)節(jié)門限計數(shù)器的計數(shù)上限M，以達到最佳計數(shù)值，使在允許的計數(shù)時間內(nèi)達到較大的計數(shù)變化值。
    檢測門限值的漂移補償是必要的，因為在實際應(yīng)用環(huán)境中，LC諧振的諧振頻率不可能總是穩(wěn)定在一個值，總是會受環(huán)境的影響而產(chǎn)生頻率漂移，LC諧振電路即使再穩(wěn)定，也只能是減緩頻率漂移速度。
4 實驗驗證
    為驗證車檢器的單通道檢測響應(yīng)時間，由外部產(chǎn)生一個寬脈沖波，以此脈沖波模擬車輛通過車檢器的埋地線圈，由示波器（TDS1002）觀察到如圖5所示的波形，上面的波形為脈沖波形，下面的波形為車檢器檢測到車輛通過后輸出的檢測信號(TTL電平)。從顯示波形可以看出，在脈沖波發(fā)出的2.4 ms后車檢器輸出了檢測結(jié)果信號，實驗結(jié)果驗證了車檢器的響應(yīng)時間符合2.5 ms的設(shè)計要求。

    本文采用可變計數(shù)門限法設(shè)計的兩通道車輛檢測器，應(yīng)用于公路上對行車速度及車流量等信息的檢測，具有靈敏度高且檢測時間短的特點。車檢器樣品經(jīng)實驗室測試通過，在2.5 ms內(nèi)完成一次檢測，檢測靈敏度較為滿意。
參考文獻
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