車輛檢測(cè)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(cè)對(duì)象包括檢測(cè)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(cè)器主要有環(huán)形線圈檢測(cè)器、視頻檢測(cè)器、RFID檢測(cè)器及磁映像檢測(cè)器等。視頻檢測(cè)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(cè)，具有無(wú)需破壞路面、支持多種交通流信息檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。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(cè)器采用AMR磁阻感知方式，利用車輛通過(guò)對(duì)地磁場(chǎng)擾動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)路面破壞較少，但檢測(cè)靈敏度欠佳[1]。環(huán)形線圈檢測(cè)器在全天候、高精度車輛檢測(cè)方面有其他檢測(cè)器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[2-3]。針對(duì)現(xiàn)實(shí)中要求車輛檢測(cè)器適應(yīng)不同環(huán)境、抗串?dāng)_的問(wèn)題，本文基于等精度測(cè)頻法設(shè)計(jì)原理，同時(shí)，在軟件上采用分時(shí)選通工作方式，完成16路檢測(cè)節(jié)點(diǎn)車輛檢測(cè)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(jì)原理
    環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器是一種基于電磁感應(yīng)原理的車輛檢測(cè)器，由埋設(shè)在路面下的環(huán)形線圈、信號(hào)檢測(cè)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(cè)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(guò)環(huán)形線圈上方時(shí)，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(shí)時(shí)振蕩頻率f增大，處理器通過(guò)比較實(shí)時(shí)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(guò)[4-6]。
    本設(shè)計(jì)采用多路分時(shí)選通方法使CPU內(nèi)部計(jì)數(shù)器與外部計(jì)時(shí)器協(xié)同工作，基于硬件原理實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)頻，有效避免了因相鄰線圈串?dāng)_造成測(cè)頻誤差[2，4]。同時(shí)，為了增加環(huán)形線圈檢測(cè)器的魯棒性，在采樣數(shù)據(jù)處理中采用滑動(dòng)中值濾波算法，提高錯(cuò)誤數(shù)據(jù)容錯(cuò)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(cè)節(jié)點(diǎn)車輛檢測(cè)。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 主體構(gòu)成
    本系統(tǒng)采用精簡(jiǎn)指令集ATmega128微處理器完成16路車輛檢測(cè)節(jié)點(diǎn)邏輯判斷。系統(tǒng)主要由16路環(huán)形線圈耦合電路、測(cè)頻部分、顯示部分、檢測(cè)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(diǎn)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(shí)際環(huán)形線圈電感量范圍（國(guó)標(biāo)GB/T26942-2011：50 μH~700 μH），選擇震蕩電路激勵(lì)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(shí)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(cè)靈敏度[2]?？煽卣鹗庱詈想娐吩砣鐖D2所示。

2.3 頻率采集
    系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度的關(guān)鍵在于采樣信號(hào)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。該模塊基于等精度測(cè)頻法硬件原理，使用ATmega128內(nèi)部16位計(jì)數(shù)器與外部16位計(jì)數(shù)器協(xié)同工作，經(jīng)D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換，保證外部計(jì)數(shù)器與內(nèi)部計(jì)數(shù)器硬件同步使能。根據(jù)支路信號(hào)頻率的不同，靈活改變閘門時(shí)間，使多路震蕩信號(hào)在整個(gè)測(cè)頻區(qū)域內(nèi)等時(shí)間地保持恒定的測(cè)量精度。外部計(jì)數(shù)器采用11.059 2 MHz標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)在實(shí)際閘門內(nèi)計(jì)數(shù)[7-8]。等精度測(cè)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(hào)，高電平計(jì)數(shù)器使能。波形B為4路震蕩信號(hào)分時(shí)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(guò)波形觀測(cè)可知，檢測(cè)支路選通后可精確對(duì)N個(gè)波形進(jìn)行同步計(jì)數(shù)（圖示2個(gè)周期）。
2.4 端口擴(kuò)展
    系統(tǒng)采用ATmega128單處理器對(duì)16路環(huán)形線圈進(jìn)行檢測(cè)，輸入、輸出控制信號(hào)較多。靈活使用數(shù)字邏輯電路對(duì)I/O端口進(jìn)行擴(kuò)展。使用4線16線譯碼器芯片74HC154實(shí)現(xiàn)對(duì)16路耦合振蕩電路分時(shí)選通控制功能，使用CD4012與非門將16路檢測(cè)信號(hào)傳輸至頻率采集電路，分時(shí)完成多路檢測(cè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)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(cè)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)指示及靈敏度設(shè)置。
2.5 通信及信息存儲(chǔ)
    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(shí)際路口交通信號(hào)機(jī)與多個(gè)檢測(cè)器組網(wǎng)連接。通過(guò)EEPROM芯片24C64對(duì)16支路檢測(cè)節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行唯一編號(hào)，存儲(chǔ)檢測(cè)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(guò)電壓對(duì)檢測(cè)電路造成損壞，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性。
3 軟件設(shè)計(jì)
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(jì)，主要由控制模塊、測(cè)頻模塊、報(bào)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(cè)節(jié)點(diǎn)邏輯判斷。同時(shí)，采用分時(shí)選通采樣方式，對(duì)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(cè)頻部分
    測(cè)頻部分是系統(tǒng)檢測(cè)精度的關(guān)鍵。采用等精度測(cè)頻法，使用ATmega128內(nèi)部計(jì)數(shù)器與外部計(jì)數(shù)器協(xié)同工作，使多路震蕩信號(hào)在整個(gè)測(cè)頻區(qū)域內(nèi)保持恒定的測(cè)量精度。
    內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)信號(hào)的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出比較引腳OC1C產(chǎn)生可變頻率的外部計(jì)數(shù)器使能信號(hào)，同步使能外部計(jì)數(shù)器在特定時(shí)間內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。啟動(dòng)線圈震蕩后，因LC震蕩電路起振時(shí)間及支路切換時(shí)間造成波形穩(wěn)定性問(wèn)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(jì)數(shù)器。前C1個(gè)脈沖用于穩(wěn)定震蕩頻率，之后C2個(gè)脈沖信號(hào)再啟動(dòng)外部計(jì)數(shù)器同步計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。根據(jù)線圈的實(shí)際電感調(diào)節(jié)門限計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)使能時(shí)間t2，使各檢測(cè)支路等時(shí)間、等精度地完成頻率采集，提高檢測(cè)靈敏度。實(shí)際波形如圖4所示，測(cè)頻部分流程圖如圖6所示。

3.3 魯棒性設(shè)計(jì)
    在實(shí)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(hào)需經(jīng)濾波處理后進(jìn)行報(bào)警邏輯判斷及本底頻率產(chǎn)生。針對(duì)采樣信號(hào)干擾特性，采用5位滑動(dòng)中值濾波算法處理后產(chǎn)生有效邏輯判斷信號(hào)，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性[9]。采樣信號(hào)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(jì)采用20位自適應(yīng)滑動(dòng)中值濾波處理算法，每隔t時(shí)刻存儲(chǔ)一次采樣數(shù)據(jù)，對(duì)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(shí)間及采樣值與本底頻率差值temp決定刷新間隔時(shí)間t。采用不同刷新時(shí)間增強(qiáng)對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力，如下所示：
   
3.4 報(bào)警邏輯
    通過(guò)多路分時(shí)選通對(duì)采樣頻率與本底頻率進(jìn)行比較，并實(shí)時(shí)刷新報(bào)警?；跔顟B(tài)機(jī)原理，將系統(tǒng)狀態(tài)分為無(wú)車狀態(tài)、車輛存在、車輛駛過(guò)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。分類處理增強(qiáng)了檢測(cè)可靠性和對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的容錯(cuò)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(duì)線圈開路、短路和電路故障狀態(tài)進(jìn)行分類判斷。
4 測(cè)試效果
4.1 多路切換檢測(cè)穩(wěn)定性
    對(duì)于等精度測(cè)頻法在環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器中的應(yīng)用，本文取不同電感對(duì)采樣頻率進(jìn)行測(cè)量，取5 000個(gè)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(gè)被測(cè)頻率fx時(shí)間內(nèi)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率f0的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，即n0=N·f0/fx。

4.2 實(shí)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(guò)，可正常感應(yīng)鐵板存在并輸出報(bào)警，具體測(cè)試效果如圖8所示。

    該環(huán)形線圈檢測(cè)器已應(yīng)用于實(shí)際路口進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)效果良好。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)可進(jìn)一步對(duì)車型分類，對(duì)道路車流量、瞬時(shí)車速及時(shí)間占有率進(jìn)行分析計(jì)算。
    系統(tǒng)采用等精度測(cè)頻法實(shí)現(xiàn)車輛檢測(cè)功能?；诙嗦氛鹗庪娐范嗦愤x通原理分時(shí)完成16路檢測(cè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)采樣及信號(hào)處理。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，90 ms內(nèi)可完成16路車輛檢測(cè)節(jié)點(diǎn)邏輯判斷功能，可滿足160 km/h以下車速實(shí)時(shí)性檢測(cè)。采用16路環(huán)形線圈分時(shí)循環(huán)檢測(cè)，既保證了系統(tǒng)檢測(cè)精度，提高了系統(tǒng)抗串?dāng)_性，同時(shí)可保證系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)時(shí)性。
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