摘  要： 高速公路动态计重" title="动态计重">动态计重系统的组成和工作原理" title="工作原理">工作原理，根据高速公路的特殊环境，采用32位高性能ARM7TDMI-S处理器和高速度、高精度24位A/D" title="A/D">A/D芯片CS5532设计称重" title="称重">称重仪表。介绍了在不同速度下对重量数据进行动态补偿的方法，给出了动态测量的硬件及软件实现。 

    关键词： 动态计重；高速公路；ARM处理器

    近年来,我国道路运输车辆超限超载现象较为普遍，并有“愈演愈烈”之势。车辆超限超载运输对交通安全、运输市场及汽车生产秩序造成了极大危害。由于车辆超限超载,诱发了大量道路交通安全事故。据统计,70%的道路安全事故是由于车辆超限超载引发的，50%的群死群伤性重特大道路交通事故与超限超载有直接关系。车辆超限超载运输给人民生命财产造成了巨大损失。作为综合治理超限超载的一种手段，政府鼓励高速公路管理部门对车辆实行计重收费。计重收费依赖计重设备， 无需判别车型， 以动态称重设备称出的车辆轴重和车货总重作为载货汽车的通行费收费依据和超限判定依据，据此按一定的收费标准对车辆征收通行费和对超限运输车辆实施惩罚性收费，从而从根本上解决车辆超限超载问题。本文介绍利用ARM7DMI-S内核芯片LPC2103设计的高速公路动态计重系统。 

1 系统组成 

    计重系统主要组成如图1所示。 

    图1中，1为称重仪表，计重系统核心，负责整个系统的数据采集、人机交互、车辆信息采集、数据传输等；2为称重平台，主要称重设备，平台四周装有4～6个压力传感器。车辆行驶过平台时传感器将重量信息实时发送给称重仪表；3为红外线车辆分离器，红外线车辆分离器俗称光幕，其作用是自动将连续行驶的车辆进行分离，将分离信息发送给称重仪表，称重仪表根据该信息将车辆信息整理打包；4为轮轴识别器，车辆类型识别装置，将车辆轮胎及轮轴类型信息发送给称重仪表。称重仪表根据该信息可判定该车额定载重。 

2 系统工作原理 

    高速公路对车辆称重与传统称重方式不同，要求不停车、快速、准确的称量，而且要求设备对高速公路路面损坏小，安装方便。因此高速公路采用动态计重方式对车辆进行称量。 

    工作原理：车辆正向行驶进入计重车道，车辆进入光幕，光幕将车辆起始信号发送到称重仪表，仪表接收到车辆起始信号后自动开辟内存空间，准备接收车辆信息。车辆经过轮轴识别器，轮轴识别器将车辆的轮胎及轮轴类型发送给称重仪表，称重仪表记录下该轮轴信息及轮胎情况。车辆经过称重平台，压力传感器将压力信号转换为电信号发送给称重仪表中的高精度A/D转换芯片，将电信号转换为数字信号输出给MCU，完成一次重量采集。在车辆经过平台的过程中重量采集实时进行。称重仪表将采集的大量重量信息进行运算后，再根据当前车辆行驶的速度对当前运算后的数据进行动态补偿。将最终补偿后的数据作为当前车辆的当前轴重数据存储在内存空间中。当车辆行驶过光幕后，产生收尾信号。称重仪表接收到收尾信号后，根据轮轴类型计算当前车辆的额定载重，与行驶速度、轮轴类型、实际重量等信息打包上传到上位机软件。 

3 硬件设计 

    高速公路的特殊环境对计重设备提出了速度快、测量准确的高要求。称重仪表是整个计重系统的“心脏”和“大脑”。称重仪表作为整个系统中枢，接受所有来自其他设备的信号和数据，并对各个数据进行处理，最终发送给上位机软件。采用高性能的CPU芯片可以使称重仪表的工作效率大大提高。ARM内核处理器是一款性能卓越的处理器，其工作效率是普通8位单片机的4～5倍。其32位大容量运算非常适合于计重系统。采用了一款PHILIPS公司的新型ARM内核芯片LPC2103。LPC2103基于一个支持实时仿真的ARM7TDMI-S CPU，并带有8KB和32KB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。从整体性能看，采用LPC2103芯片设计的称重仪表工作速率比采用其他芯片设计的仪表提高了5～10倍。 

    检测车辆状态最科学的方法就是通过称台传感器来测量，将传感器分成A、B两组（如图1），分别位于称台前后两侧。当车辆从不同的方向经过称台时两组传感器测量的数据不同，这样就能准确测量出车辆行驶方向，从而避免了数据不对应的情况。称重平台使用的压力传感器信号为弱信号，为了达到快速、准确的测量效果，测量重量时必须直接对原始信号进行转换。所以必须使用高精度、高速A/D转换芯片。目前，24位A/D转换芯片种类繁多，采用了一款性价比较高的24位A/D芯片CS5532。一般情况下A/D检测频率越高越好。但是在计重系统实际应用中并不是这样。因为该计重系统是采用动态称量方式，如果A/D转换频率太高，A/D采集不稳定，尤其是对于弱电信号，很容易造成信号失真，反而测量不准确。经过反复试验，将A/D转换频率选定为1920Hz。 

3.1 LPC2103与CS5532的连接 

    CS5532采用标准SPI接口。LPC2103内部集成了标准SPI接口，硬件连接比较方便。CS5532有2路信号输入口，可以分别接入称台的2组传感器输出信号。CS5532采用单5V电源供电，基准电压采用5V输入，CS5532其他引脚均采用标准接法，这里不再赘述。需要注意的是，由于计重系统长期放置于室外，为了提高抗干扰性，基准电源与供电电源必须隔离。 

3.2 轮轴类型检测电路 

    轮轴信息检测采用74系列的16选1开关芯片74AS150。由LPC2103控制16路输入信号切换。通过对16路轮轴传感器输出信号的循环扫描，实现对轮轴信息的检测。轮轴使用的霍耳开关为12V供电，考虑到抗干扰问题，轮轴信号输入需经过隔离。这里的信号隔离采用了隔离光耦" title="光耦">光耦芯片TLP521。 

3.3 数据传输 

    称重仪表通讯采用485通讯，使用双绞屏蔽线最长通讯可达1.5km。为了便于数据发送和接收，这里使用的是全双工通讯芯片MAX488。为了增强抗干扰能力，增加了隔离光耦，这里采用高速光耦6n137。 

    LPC2103的RXD（P0.1）和TXD（P0.0）脚分别经过光耦连接到MAX488的接收RO 和发送DI脚。光幕信号通过光隔离后直接与LPC2103 的外部中断0（P0.16）脚相连。 

4 软件设计 

4.1 动态补偿 

    由于车辆是在行驶状态下称重的，不同速度下，重量偏差也不同。速度越快，重量偏差越大，测量误差也越大。所以如果要准确测量，必须根据速度对重量数据进行动态补偿。 

    经过大量测试得出了如图2的不同速度下测量重量与时间的图线。其中，V表示速度，Ⅰ为V≥20km/h， Ⅱ为5km/h≤V≤20km/h， Ⅲ为V≤5km/h， Ⅳ为静止。由图2可以看出，车辆行驶速度越快，测量出的重量波形越不稳定，测量重量与真实重量偏差越大。所以动态补偿需要进行2个阶段：第一阶段，还原测量数据；第二阶段，还原车辆真实数据。下面以速度大于20km/h为例，简要介绍一下还原测量数据方法。 

    (1)还原测量数据方法 

    ①软件将内存中测量出的重量数据绘图(如图3)，找出波形中波峰与波谷。将波峰A1与波谷A2之间的数据采用积分法计算出当次均值A。 

    ②同样以此测量出N次均值B、C、D……N。 

    ③将计算出来的N个均值A～N使用平均法计算平均值，该值就是第一阶段还原的测量数据。 

    (2)还原真实数据方法 

    还原真实数据的主要依据是车辆运行速度V，但是除了速度以外还有一些必要因素也直接或间接影响到真实数据还原精度。例如：称台的形变系数N、吨位等级Z。 

    称台形变系数N是固定的，但每个称台的形变系数各不相同，其形变系数的调整必需通过软件测量实现。 

    测量数据越大，速度对其影响越大。吨位等级Z指单轴吨位等级，主要分为3个等级：2吨以下，Z=1%；2～6吨，Z=2%； 6吨以上，Z=3%。 

    经过反复测试，得出的真实数据（M，单位kg）与测量数据（M1，单位kg）、速度（V，单位km/h）、形变系数（N）、等级之间的关系为： 

    M=M1×(1+((V2/100)×Z)×N)×S 

其中S为调整系数，是除去速度和车辆等非特定因素以外的特定因素，其主要包括海拔高度、称台安装倾斜度等，一般情况下为100%，特定情况下根据情况调整，调整范围为 90%～110%。称重仪表安装后首先需要对系统进行静态标定，静态标定完成后再调整称台形变系数N。调整的方法：首先，分别准确称量出被测车辆各个单轴静态重量，此重量数据作为真实数据M；再根据动态测量结果利用结论公式，对系统的称台形变系数进行调整。 

4.2 工作软件 

    称重仪表的软件设计较为复杂，这里只给出了如图4所示的整个工作软件流程。 

    本文采用PHILIPS公司的32位ARM7TDMI-S内核芯片LPC2103 设计完成高速公路动态计重系统，系统现已应用于河北省高速公路、山西省高速公路的多家收费站。实践表明该系统性能可靠稳定，大大提高了高速公路收费站的工作效率，使车辆超限超载现象得到了有效遏止，取得了良好的社会效益和可观的经济效益。 

参考文献 

[1] 武奇生.基于C/S的计重收费交通量数据采集系统[J].微计算机信息，2006，8-3：140-142. 

[2] 周立功.ARM微控制器基础与实践.北京航空航天大学出版社，2003. 

[3] 杜春雷.ARM体系结构与编程.北京：清华大学出版社，2003.