《電子技術(shù)應(yīng)用》
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多路環(huán)形線圈車輛檢測器設(shè)計
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第11期
張永忠,張軍強(qiáng),李穎宏
北方工業(yè)大學(xué) 城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室,北京100144
摘要: 介紹了一種新型的多路環(huán)形線圈車輛檢測器的設(shè)計方法。該方法基于電磁感應(yīng)原理,通過測量振蕩電路的頻率信號判斷車輛通過的基本信息。本設(shè)計中的多路環(huán)形線圈車輛檢測器硬件基于ATmega128單片機(jī)內(nèi)部計數(shù)器與外部計數(shù)器協(xié)同工作實現(xiàn)等精度測頻。軟件部分,通過自適應(yīng)中值濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,有效抑制了錯誤數(shù)據(jù)對系統(tǒng)邏輯判別的干擾。系統(tǒng)采用了多路檢測節(jié)點分時選通工作模式完成16路檢測節(jié)點抗串?dāng)_設(shè)計,增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。實際應(yīng)用測試證明,該檢測器具有簡單可靠、靈敏度高、自適應(yīng)性強(qiáng)的特點。
中圖分類號: TP274
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)11-0023-04
Design of multiple detecting car system based on loop-coil
Zhang Yongzhong,Zhang Junqiang,Li Yinghong
Urban Road Traffic Intelligent Control Technology Beijing Key Laboratory, North China University of Technology,Beijing 100144,China
Abstract: This paper introduced the design method of a new-style loop detector. Based on the principle of electromagnetic induction, this method is able to judge the basic information of the vehicles by measuring the signal frequency of oscillation circuit. The hardware of loop detector measures frequency in equal precision by cooperative working of external counter and the internal counter of ATmega128 single-chip microcomputer. Through adaptive median filtering algorithm, the interference of error data to logic judgment can be suppressed effectively. The system stability is enhanced by crosstalk resistant design of 16-road detection nodes which uses multi-channel detection node time-sharing strobe mode. The application results show that the detector is simple and reliable, and of great sensitivity and strong adaptability.
Key words : loop-coil;detecting cars;multichannel gating;hardware & software co-design

    車輛檢測器是現(xiàn)代交通控制系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施,其主要檢測對象包括檢測車輛的行駛速度、流量、占有率、車間距等信息?,F(xiàn)階段車輛檢測器主要有環(huán)形線圈檢測器、視頻檢測器、RFID檢測器及磁映像檢測器等。視頻檢測器采用圖像處理技術(shù)設(shè)置路面虛擬線圈完成車輛檢測,具有無需破壞路面、支持多種交通流信息檢測的優(yōu)勢。但其易受光照強(qiáng)度、空間障礙物等干擾,環(huán)境適應(yīng)能力較差。磁映像檢測器采用AMR磁阻感知方式,利用車輛通過對地磁場擾動進(jìn)行檢測,對路面破壞較少,但檢測靈敏度欠佳[1]。環(huán)形線圈檢測器在全天候、高精度車輛檢測方面有其他檢測器無法比擬的優(yōu)勢[2-3]。針對現(xiàn)實中要求車輛檢測器適應(yīng)不同環(huán)境、抗串?dāng)_的問題,本文基于等精度測頻法設(shè)計原理,同時,在軟件上采用分時選通工作方式,完成16路檢測節(jié)點車輛檢測功能,避免相鄰線圈串?dāng)_,提高系統(tǒng)抗干擾性。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理
    環(huán)形線圈車輛檢測器是一種基于電磁感應(yīng)原理的車輛檢測器,由埋設(shè)在路面下的環(huán)形線圈、信號檢測處理單元及饋線三部分組成。埋設(shè)在路面下的環(huán)形線圈與檢測器內(nèi)的電容共同構(gòu)成LC振蕩器。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,當(dāng)有車輛經(jīng)過環(huán)形線圈上方時,產(chǎn)生的渦流效應(yīng)占主導(dǎo)作用,促使線圈電感量減小,導(dǎo)致振蕩器實時振蕩頻率f增大,處理器通過比較實時振蕩頻率f與本底頻率F的差異,判斷是否有車輛存在或通過[4-6]。
    本設(shè)計采用多路分時選通方法使CPU內(nèi)部計數(shù)器與外部計時器協(xié)同工作,基于硬件原理實現(xiàn)等精度測頻,有效避免了因相鄰線圈串?dāng)_造成測頻誤差[2,4]。同時,為了增加環(huán)形線圈檢測器的魯棒性,在采樣數(shù)據(jù)處理中采用滑動中值濾波算法,提高錯誤數(shù)據(jù)容錯能力。采用故障自恢復(fù)軟件處理算法,保障系統(tǒng)在復(fù)雜多變外界環(huán)境下的自適應(yīng)能力。保證系統(tǒng)低成本、高精度地完成16路檢測節(jié)點車輛檢測。
2 硬件設(shè)計
2.1 主體構(gòu)成

    本系統(tǒng)采用精簡指令集ATmega128微處理器完成16路車輛檢測節(jié)點邏輯判斷。系統(tǒng)主要由16路環(huán)形線圈耦合電路、測頻部分、顯示部分、檢測部分及通信部分構(gòu)成。主體框圖如圖1所示。

2.2 耦合電路
    環(huán)形線圈耦合電路采用電容三點振蕩電路,由環(huán)形線圈與電路反饋電容決定震蕩頻率??紤]渦流效應(yīng)及實際環(huán)形線圈電感量范圍(國標(biāo)GB/T26942-2011:50 μH~700 μH),選擇震蕩電路激勵頻率在40 kHz~200 kHz之間。根據(jù)振蕩電路頻率變化特性曲線及實際環(huán)形線圈調(diào)整耦合電路反饋電容值可得系統(tǒng)最佳檢測靈敏度[2]。可控震蕩耦合電路原理如圖2所示。

2.3 頻率采集
    系統(tǒng)檢測靈敏度的關(guān)鍵在于采樣信號的準(zhǔn)確性和實時性。該模塊基于等精度測頻法硬件原理,使用ATmega128內(nèi)部16位計數(shù)器與外部16位計數(shù)器協(xié)同工作,經(jīng)D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換,保證外部計數(shù)器與內(nèi)部計數(shù)器硬件同步使能。根據(jù)支路信號頻率的不同,靈活改變閘門時間,使多路震蕩信號在整個測頻區(qū)域內(nèi)等時間地保持恒定的測量精度。外部計數(shù)器采用11.059 2 MHz標(biāo)準(zhǔn)頻率信號在實際閘門內(nèi)計數(shù)[7-8]。等精度測頻原理如圖3所示。


    圖4中,波形A為單片機(jī)輸出的D觸發(fā)器控制信號,高電平計數(shù)器使能。波形B為4路震蕩信號分時選通后的4組波形,波形C、D為其中兩路使能后的震蕩波形。通過波形觀測可知,檢測支路選通后可精確對N個波形進(jìn)行同步計數(shù)(圖示2個周期)。
2.4 端口擴(kuò)展
    系統(tǒng)采用ATmega128單處理器對16路環(huán)形線圈進(jìn)行檢測,輸入、輸出控制信號較多。靈活使用數(shù)字邏輯電路對I/O端口進(jìn)行擴(kuò)展。使用4線16線譯碼器芯片74HC154實現(xiàn)對16路耦合振蕩電路分時選通控制功能,使用CD4012與非門將16路檢測信號傳輸至頻率采集電路,分時完成多路檢測節(jié)點信號采集。分別由3片74HC595串入并出移位寄存器及8片74HC165并入串出移位寄存器完成16路檢測節(jié)點工作狀態(tài)指示及靈敏度設(shè)置。
2.5 通信及信息存儲
    采用RS-485總線通信方式完成信息配置及數(shù)據(jù)通信,適用于實際路口交通信號機(jī)與多個檢測器組網(wǎng)連接。通過EEPROM芯片24C64對16支路檢測節(jié)點地址進(jìn)行唯一編號,存儲檢測交通流歷史數(shù)據(jù)。
2.6 隔離保護(hù)
    環(huán)形線圈輸入、輸出電路分別采用光耦CPC1030N及1:1變壓器隔離,經(jīng)壓敏電阻及防雷管保護(hù),防止雷擊等瞬間過電壓對檢測電路造成損壞,增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性。
3 軟件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

    系統(tǒng)軟件采用模塊化分層設(shè)計,主要由控制模塊、測頻模塊、報警模塊、顯示模式和數(shù)據(jù)通信模塊組成,以完成16路檢測節(jié)點邏輯判斷。同時,采用分時選通采樣方式,對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)中值濾波處理,提高系統(tǒng)抗干擾性。系統(tǒng)軟件主體流程如圖5所示。

 

 

3.2 測頻部分
    測頻部分是系統(tǒng)檢測精度的關(guān)鍵。采用等精度測頻法,使用ATmega128內(nèi)部計數(shù)器與外部計數(shù)器協(xié)同工作,使多路震蕩信號在整個測頻區(qū)域內(nèi)保持恒定的測量精度。
    內(nèi)部計數(shù)器對被測信號的個數(shù)進(jìn)行計數(shù),輸出比較引腳OC1C產(chǎn)生可變頻率的外部計數(shù)器使能信號,同步使能外部計數(shù)器在特定時間內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計數(shù)。啟動線圈震蕩后,因LC震蕩電路起振時間及支路切換時間造成波形穩(wěn)定性問題,采用CTC模式改變OC3C比較輸出電平?jīng)Q定是否使能外部計數(shù)器。前C1個脈沖用于穩(wěn)定震蕩頻率,之后C2個脈沖信號再啟動外部計數(shù)器同步計數(shù),實現(xiàn)頻率測量。根據(jù)線圈的實際電感調(diào)節(jié)門限計數(shù)器的計數(shù)使能時間t2,使各檢測支路等時間、等精度地完成頻率采集,提高檢測靈敏度。實際波形如圖4所示,測頻部分流程圖如圖6所示。

3.3 魯棒性設(shè)計
    在實際應(yīng)用環(huán)境中,LC震蕩電路諧振頻率易受環(huán)境的影響而產(chǎn)生頻率漂移及瞬間干擾。采樣信號需經(jīng)濾波處理后進(jìn)行報警邏輯判斷及本底頻率產(chǎn)生。針對采樣信號干擾特性,采用5位滑動中值濾波算法處理后產(chǎn)生有效邏輯判斷信號,增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性[9]。采樣信號經(jīng)濾波后有效地消除了隨機(jī)噪聲,濾波效果如圖7所示。本設(shè)計采用20位自適應(yīng)滑動中值濾波處理算法,每隔t時刻存儲一次采樣數(shù)據(jù),對緩沖數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行中值排序,產(chǎn)生本底頻率。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定時間及采樣值與本底頻率差值temp決定刷新間隔時間t。采用不同刷新時間增強(qiáng)對環(huán)境的自適應(yīng)能力,如下所示:
   
3.4 報警邏輯
    通過多路分時選通對采樣頻率與本底頻率進(jìn)行比較,并實時刷新報警?;跔顟B(tài)機(jī)原理,將系統(tǒng)狀態(tài)分為無車狀態(tài)、車輛存在、車輛駛過和錯誤數(shù)據(jù)。分類處理增強(qiáng)了檢測可靠性和對錯誤數(shù)據(jù)的容錯處理能力。系統(tǒng)具有故障自診斷能力,可根據(jù)震蕩頻率變化對線圈開路、短路和電路故障狀態(tài)進(jìn)行分類判斷。
4 測試效果
4.1 多路切換檢測穩(wěn)定性

    對于等精度測頻法在環(huán)形線圈車輛檢測器中的應(yīng)用,本文取不同電感對采樣頻率進(jìn)行測量,取5 000個樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析,頻率采樣值直方圖如圖7所示。其中采樣值n0為在N個被測頻率fx時間內(nèi),對標(biāo)準(zhǔn)頻率f0的計數(shù)個數(shù),即n0=N·f0/fx。

4.2 實際效果
    使用30 cm×30 cm環(huán)形線圈模擬地埋線圈,50 cm×70 cm鐵板模擬車輛駛過,可正常感應(yīng)鐵板存在并輸出報警,具體測試效果如圖8所示。

    該環(huán)形線圈檢測器已應(yīng)用于實際路口進(jìn)行測試,試驗效果良好。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)可進(jìn)一步對車型分類,對道路車流量、瞬時車速及時間占有率進(jìn)行分析計算。
    系統(tǒng)采用等精度測頻法實現(xiàn)車輛檢測功能?;诙嗦氛鹗庪娐范嗦愤x通原理分時完成16路檢測節(jié)點信號產(chǎn)生、信號采樣及信號處理。經(jīng)實際驗證,90 ms內(nèi)可完成16路車輛檢測節(jié)點邏輯判斷功能,可滿足160 km/h以下車速實時性檢測。采用16路環(huán)形線圈分時循環(huán)檢測,既保證了系統(tǒng)檢測精度,提高了系統(tǒng)抗串?dāng)_性,同時可保證系統(tǒng)檢測實時性。
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