哈爾濱工業大學華德應用技術學院畢業設計（論文）PAGEI目錄17548摘要 110957Abstract 227963目錄 34304第1章緒論 5179521.1課題背景 5255881.2動態稱重概述 5141741.2.1車輛動態稱重技術的回顧 6173771.2.2車輛動態稱重產品的發展歷史 786431.2.3車輛動態稱重技術的國內發展展望 8304161.3車牌識別系統概述 91901.4本文主要工作 92084第2章稱重系統的構成及算法 102732.1工作平臺簡述 10114822.1.1整車識別 10230422.1.2輪軸識別與車速度檢測 1293312.2稱重模型建立 14258752.2.1力學模型 14169702.2.2測量系統的傳遞函數 1642392.2.3傳遞函數離散化 16272482.2.4信號分析及算法 17275022.3本章小結 1826240第3章系統硬件設計 19157053.1系統概述 19230553.2數據采集與處理模塊 19296583.2.1TMS320DM642概述 2070753.2.2網絡接口 20138173.2.3ATA硬盤 2277653.2.4實時時鐘 23148063.3傳感器 23147283.3.1傳感器的選擇 2351213.3.2光纖壓力傳感器原理 24182713.4數模轉換器 25139793.5控制模塊 2561013.5.1PXA270核心板 25180603.5.2觸摸屏接口 26260213.5.3IDE電路 26243983.5.4USB概述 2790623.6ARM與DSP接口設計 27251133.7本章小結 2727264第4章軟件設計與試驗結果分析 2849854.1系統工作流程 28253274.2信息管理系統 2988574.3稱重模塊軟件 29291624.4稱重算法試驗結果 30204124.4.1動載質量標準 30120034.4.2試驗結果及分析 30214464.4.3稱重系統的靜態標定 31229174.5本章小結 3130912結論 328341致謝 335047參考文獻 3418656附錄 36第1章緒論1.1課題背景近年來，我國道路運輸車輛超限超載現象極為普遍，在嚴重的地區，幾乎所有的貨運車輛都存在不同程度的超限超載行為。2000年以來，有關部門和地方先后開展了一系列治理工作，取得了一定成效，但由于超限超載涉及面廣，治理難度大，加之利益驅動，特別是源頭問題沒有得到有效解決，使超限超載成為一個“頑癥”，有“愈演愈烈”之勢。車輛超限超載運輸對交通安全、運輸市場、車輛生產秩序及路橋基礎設施造成極大危害。一是誘發了大量道路交通安全事故；據統計，70％的道路安全事故是由于車輛超限超載引發的，50％的群死群傷性重特大道路交通事故與超限超載有直接關系，車輛超限超載運輸給人民生命財產造成了巨大損失。二是嚴重損壞了路橋基礎設施；超限超載車輛的荷載遠遠超過了公路和橋梁的設計承受荷載，致使路面損壞、橋梁斷裂。正常使用年限大大縮短，不得不提前大中修。全國公路每年因車輛超限超載造成的損失超過300億元，給國家財產造成了巨額損失。三是導致了道路運輸市場的惡性競爭；以競相壓價承攬貨源，以超限超載來獲取利潤，超載越多，賺的越多，形成了“壓價——超限超載——運力過剩——再超限超載”的惡性循環，正常使用年限在10年左右的貨運車輛2~3年后即破舊不堪[1]。四是造成車輛“大噸小標”泛濫；為迎合車輛超限超載運輸的需求，一些車輛生產廠商競相生產“大噸小標”汽車，一些車輛改裝廠和修理廠也紛紛非法改裝車輛，影響了汽車工業的健康發展。上述問題說明，車輛超限超載運輸造成道路運輸市場扭曲，誠信水準下降，嚴重損害了統一開放、競爭有序的市場秩序，阻礙了現代道路運輸市場體系的建立和完善，破壞了正常的社會經濟秩序，也嚴重危及國家和人民的生命財產安全。道路運輸車輛超限超載的危害性，引起了黨中央、國務院的高度重視[2]。發達國家在公路骨干網上普遍設立了檢測設備，對超限現象實施嚴格管理。目前在全國超限超載治理工作中需要大量的檢測設備，而裝有檢測設備的高等級公路匝道或收費站卻不多，車輛是否超載主要由交通管理人員憑經驗判斷，由于缺乏科學性，給管理部門的嚴格執法帶來困難。或者采用大型地磅秤作為計量設備而造成車輛排隊等候稱量，使交通堵塞，因此目前路政管理部門需要一種動態稱重系統來規范公路車輛貨重檢測，從而抑制日益嚴重的超載現象。1.2動態稱重概述動態稱重簡稱為WIM(weigh-in-motion)，是指汽車在運動狀態下稱出汽車的重量。與停車狀態下的靜態稱重相比，動態稱重的主要優點是節省時間、效率高，使得稱重不至于造成對正常交通的干擾，對公路建設與管理有著極為重要的意義，同時對實現交通運輸管理的現代化也有著巨大的促進作用。但另一方面，靜態稱重時車輛平穩地作用在稱重儀上，除汽車的真實重量外無其他任何干擾，因此容易實現高精度測量。而動態稱重時除汽車的真實重量外還有其他許多因素，如汽車結構及載荷狀況、車輛行駛狀態、路面狀況等會產生干擾，嚴重影響測量結果，對實現高精度的動態稱重造成很大困難。目前汽車動態稱重系統已經在一些發達國家，如美國、德國、日本等得到廣泛應用，其中德國PAT公司生產的產品精度已達±3％，而國內在這方面研究的起步比較晚，目前產品的平均誤差從±5％到±30％不等[3][4]。1.2.1車輛動態稱重技術的回顧為了抑制車輛超載給道路設施造成損害，國外從20世紀50年代后期就開始對車輛超載檢測技術進行研究，到20世紀90年代基本上形成了成熟產品，產品也由靜態的整車測量發展到了動態的軸重檢測，這就是人們熟知的動態稱重WIM技術。在過去幾十年的動態稱重技術研究中，在如何保持檢測精度的前提下提高車輛通過速度一直是各研究機構所致力解決的問題，不懈的努力使動態稱重技術已經得到了很大的發展，綜述國內外資料，目前動態稱重方法主要有以下幾種。ADV法、DV法、V法該類方法是20世紀80年代的日本小野敏郎為解決動態稱重問題所提出來的，其測量思路主要是同時或單獨測量重物移動的位移、速度和加速度，然后用直接方法或數值積分方法來求解稱重過程的微分方程以獲得力值。這類方法有些是因需同時使用多種不同類型傳感器而難以實現[5][6][7]，有些雖然只使用同類傳感器，但由于采用積分方法因而準確度較差，且往往只適用于噪聲很小的場合。位移積分法該方法是目前國內多個科研單位主要采用的方法[8]。也是ADV法、DV法、V法的一種沿襲。其原理大致是：將稱重系統的輸出信號對一小段位移L1。沿其長度L方向積分。L1的兩端通過對稱重系統各傳感器的輸出信號進行比較而定，如圖1-1所示。動態分量在積分區間被平均，使車輛振動造成的干擾影響較小，因此精度相對也較高，但這需要較長的數據才能保證精度，這也是目前動態稱重系統當提高車輛通過速度時，測量精度無法保證的原因所在。補償法該方法主要是針對傳感器的響應速度慢和超調量大，在很大程度上限制了動態稱重速度和準確度的提高的缺點，從而提出通過設計補償元件，在比“稱重傳感器穩定時間”更短的時間里完成測量，因此動態稱重裝置主要由稱重傳感器和動態補償元件組成。專家系統該方法主要是引入知識模型而構成專家系統。即把優秀稱重測力專家的思維過程固化到測量程序中，并與計算機修正程序結合起來，進而提高計量儀器的測試能力和故障檢測能力。參數估計法該方法主要是把動態測量作為一個參數估計和預測問題來處理[9]，即首先根據有關稱重測力系統的先驗知識，推導出一個含有未知參數的模型，然后用該模型去擬合稱重測力過程的輸出信號，從而獲得最小平方誤差意義上的參數估計。由于被測重量或力值可以看成是稱重測力過程的終值，因此它們可以用模型參數進行估計或預測。神經網絡該方法主要是基于并行技術的思想，以神經網絡技術為控制核心，采取多因素協調，將檢測過程中對影響稱重精度和限制車輛通過速度起主導作用的因素作為訓練樣本[10]，通過訓練獲得較好的網絡模型，再根據該模型和網絡輸入數據得出車重，并期望提高檢測精度。目前來看，利用數學模型的稱重檢測方法是比較有前途的，絕大多數稱重系統基本上是具有二階（或準二階）傳遞特性的系統，假如稱重系統采用二階的自回歸滑動模型ARMA，再借助于這個模型和遞推的最小二乘法RLS即可由極短的稱重階躍響應估計出模型參數和被稱重量。在現有的車輛動態稱重系統中，為了提高檢測精度，信號的測量往往是在衰減到一定程度并穩定后才進行，這就大大限制了車輛通過速度。1.2.2車輛動態稱重產品的發展歷史在20世紀，許多國家的道路運輸普遍存在超載現象，據調查，德國大型載貨車輛中超載車輛數量達到50％，日本達到20％，美國達到40％~60％。為了避免超載車輛對公路造成早期破壞，歐共體成員國和美國、日本、加拿大等國在20世紀50年代就開始對車輛動態稱重系統進行研究并取得了相應的成果[11]。20世紀50年代末，美國開始對WIM系統進行研究。20世紀60年代末，西德的PAT公司開始對平板式車輛動態稱重器進行研究[12]。1974年，美國首次在車輛載荷研究中使用WIM系統；同年法國取得了一項壓電纜動態車輛稱重器的專利，即Vibracoax。20世紀80年代中期，美國各大州開始推廣安裝WIM系統。1988年英國研制了一種性能優于Vibracoax的新型壓電稱重傳感器Vibetek5。1991年改型為Vibetek20。1992年，由歐洲高速公路系統研究實驗室聯盟(FEHRI)發起，按照歐盟運輸委員會(ECTD)的程序框架進行了COST323計劃。該計劃主要內容就是研究對公路行駛車輛進行動態載荷監控的相關問題，其中最重要的一項測試是在瑞士進行的為期30個月的WIM系統實際應用測試。1994年，歐盟開始進行WAVE(WeighinginmotionofAxleandVehiclesforEurope)計劃—從1997年6月到1998年6月在瑞典氣候寒冷條件下進行產品系統測試，即著名的CET(ColdEnvironmentTest)測試。結果表明德國PAT、瑞士Kistler、美國Mikros等公司的產品在測量性能方面處于領先水平。2000年ITS年會上展出了一種由美國MSI公司開發的共聚物壓電軸傳感器，可以同時測量車速、車軸數、軸距并進行車型分類和動態稱重[13]。國內的超載現象在某些省份特別嚴重，尤其是存在礦產資源的地區[14]。我國在不同時期對超載現象提出過相應的管理措施：1987年國務院頒布了《中華人民共和國公路管理條例》，1988年交通部頒布了《中華人民共和國公路管理實施細則》，2000年交通部頒布了《超限運輸車輛行駛公路管理規定》，2003年底溫家寶總理在交通部上報的《關于加強車輛超限超載治理工作的報告》上簽署意見，2004年實施了《關于在全國開展車輛超限超載治理工作的實施方案》。伴隨著國家法規的不斷頒布，國內有關科研機構一直未停止過對車輛超載檢測技術的研究，其中也包括引進國外技術。我國“七五”期間開始引進和消化國外動態稱重系統，同時也開始對動態稱重系統進行研制。但引進產品都屬于國外換代產品，主要問題有：適應速度范圍小（低速范圍），測量精度不高，傳感器過于龐大，安裝施工及維護不便。20世紀80年代出現了電子汽車衡，它包括帶基坑和無基坑兩種，帶基坑的電子車輛衡對道路破壞較大。1994年一種動、靜態兩用電子軌道衡在太原鋼鐵公司通過了鑒定，該產品集動態和靜態軌道衡的優點于一身，較好地解決了檢測精度與車輛通過速度之間的矛盾。作為國家“八五”期間重點科技項目，交通部重慶公路科學研究所研制了一種固定式動態車輛稱重系統，該系統由一套稱重傳感器和一臺電子測量儀器構成，每車道布置兩只傳感器，每臺儀器可測量1~4個車道，軸重誤差小于±10％，置信度為95％。1999年，德國PAT載荷監控產品開始進入中國市場，云南航天新技術工程有限公司引進其技術并于1999年8月獲得了國家技術監督局頒發的《計量器具型式批準證書》。國內目前動態稱重系統的研究狀況是起步晚、時間短，在研究過程中未能對行駛車輛的干擾因素作深入系統的分析，對動態檢測信號處理簡單，為了提高檢測精度，往往要求信號在經過一定時間衰減并達到穩定后開始測量。使得這類產品往往需要較長的受荷板或受制于較低的車輛通過速度，檢測精度也不高，一般平均誤差為±(5％~30％)。目前國內如京珠高速公路、南京長江二橋等高等級公路和橋梁上安裝的高精度車輛動態稱重系統主要來自國外，這類產品存在價格昂貴、超限標準與國內法規不一致等缺陷。1.2.3車輛動態稱重技術的國內發展展望1.車輛動態稱重系統將融入ITS(IntellingentTransportSystems)，成為其組成部分，因此作為固定式的WIM系統或裝置，設計時要考慮這一背景，在數據處理、信號傳輸、上下位機的關系、硬件配備等方面，均要考慮，以便于其“嵌入”ITS。2.稱重傳感器的壽命將制約車輛動態稱重系統的廣泛使用，這是國內業界應當認真面對的問題。國內較為普遍地運用壓電陶瓷式、電阻應變片式等形式稱重傳感器，國外則較多地運用了壓電薄膜、液壓管、共聚物壓電軸等形式的稱重傳感器，大大提高了使用壽命，對于便攜式WIM系統還能方便現場使用。3.目前國際上還沒有規范且權威的車輛動態稱重技術標準，僅有一個得到西方國家承認的國際參考標準ASTME1318—94。這給我國研究和應用車輛動態稱重技術帶來了機遇和挑戰。機遇是在沒有國際權威規范標準的情形下，我國有了領先設立國際標準的機會。挑戰在于如何在國內深入研究和應用車輛動態稱重技術，至少先要建立相應的國家標準，并付諸實施。4.低速WIM系統的造價和維護費用都要低于高速WIM系統。以我國目前的道路運輸水平，對應WIM系統的允許通過車速并不需要太高。用于計重收費的場合，固定式WIM系統一般安裝在收費口或匝道口，在與ITS系統相配的情形下，車速一般不會高于40km/h。用于執法臨檢的場合，便攜式WIM系統一般安裝于輔道或路側，車速一般不會高于5km/h。5.車輛動態稱重技術在我國不僅是限制超載、預防事故、保護路橋的一種保障措施，同時具有提升主干運輸企業資質、防止運輸市場低價惡性競爭、保護國家、運輸企業和貨主利益的潛在作用。因此在我國應當更加重視和大力實施這一技術，以促進我國的道路運輸法制進程。6.在相當長的一段時間內，固定式和便攜式兩類WIM系統在我國都有需求的市場。由于受到經濟水平的限制，固定式WIM系統單機的價格不宜超過10萬元人民幣，便攜式WIM系統單機的價格不宜超過2萬元人民幣。1.3車牌識別系統概述車牌識別要經過下面幾個步驟：圖像的采集與預處理，車牌定位，車牌分割，字符的識別[15][16]。圖1-2是車牌識別系統的總體框圖。車牌的識別是系統中重要的一部分。在車輛駛過秤臺的同時啟動牌照識別設備的CCD攝像機，通過圖像采集模塊采集圖像數據，對其進行灰度化、二值化，使其易于存儲和處理，通過邊緣檢測定位車牌，并對字符進行分割和識別，經處理得到車牌號碼，然后將數據傳到控制管理系統。1.4本文主要工作鑒于上面所敘述的，本文的主要內容如下：建立稱重系統工作平臺，包括動態稱重模塊，操作系統控制管理模塊；建立相應的稱重模型并進行數學推導，得出稱重系統的方程，建立車重與傳感輸出電壓之間的關系；建立相應的硬件和處理應用程序。這其中包括前端車重數據采集部份，傳感器和AD轉換器的選擇與應用，DSP數據處理系統的建立與運行，ARM控制管理系統的建立，WindowsCE操作系統的裁剪與定制，應用程序的編寫；對系統進行靜態與動態試驗，并對試驗結果進行分析。第2章稱重系統的構成及算法2.1工作平臺簡述車輛超載自動檢測系統主要由動態稱重模塊（秤臺、稱重傳感器、接線盒等）、紅外車輛分離器、輪胎識別器、CCD攝像機、可變情報板等組成。在距離超限收費檢查站（監控中心）一定距離的地方設置高精度的動態稱重系統和汽車牌照識別設備[17]，當車輛駛過秤臺時，車輛分離器檢測到車輛到達，產生一個信號，通知動態稱重模塊進入稱重工作狀態，每一軸重量經兩側輪胎作用于秤臺上，稱重傳感器輸出與重量成正比例的電信號，放大、轉換后經數據處理模塊處理，完成每一軸重動態稱量；當車輛完全駛過秤臺，將各軸重累計，即得到車輛總重；輪胎識別器根據車輛輪軸特征檢測車輛所屬類型；在車輛駛過秤臺的同時啟動牌照識別設備的CCD攝像機，通過圖像采集模塊采集圖像數據，經DSP處理得到車牌號碼，根據檢測到車型分類計算該車是否超載以及超載的具體數量，并將車型分類、車牌號碼、車輛總載荷以及超載數量等數據通過HPI接口傳輸送往監控中心信息管理系統。并在超載檢測收費站與動態稱重系統之間設置可變情報板（信息顯示屏）配套設備，將超載車輛的車牌號碼、載荷以及超限重量顯示在可變情報板上，提示超限的車輛駛入超載收費站進行卸載和交費，而未超載車輛則不需停車。系統總體結構圖如圖2-1所示。2.1.1整車識別由于汽車的軸數相差甚大，有2軸、4軸、6軸和8軸等，因此如何判定一輛車已測重完畢即整車識別問題是自動收費的一個關鍵問題，其關鍵是找到一套能跟蹤所測車輛從進入檢測區至開出檢測區全過程的系統。整車識別的難點是識別間距很小的兩車、拖車和高速運動車[18]。常用的檢測儀器有以下3類。1．感應線圈傳感器其工作原理是檢測線圈的磁通變化。這種方法的優點是價格低廉，但是缺點也是致命的：第一，路面受損。線圈在安裝或維護時必須直接埋入車道，埋置線圈的切縫軟化了路面，使路面損壞。第二，氣候敏感。感應線圈易受到冰凍、鹽堿的影響。第三，壽命短。感應線圈壽命一般為二年，之后要破壞路面，重新鋪設。第四，誤動作以及反應遲緩。當兩輛車靠得很近時，感應線圈有時只產生1次感應動作；當一輛長車中間有較大空隙時，例如拖車，感應線圈會產生2次感應動作：當車的底盤太高時，感應動作遲緩；當車速較高時，感應器不響應。感應線圈很容易產生誤動作以及反應遲緩，造成測量數據混亂或不及時，因此無法作為本系統的整車識別器[19]。2．超聲波車輛檢測器據聲波的傳播和反射原理，通過對發射波和反射波的時差測量實現位移測量的設備。聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，因此其反射相對速度為170m/s，由此可根據反射波和發射波的時差計算出反射物距探頭的距離。超聲波檢測車輛速度快，但如果聲波密集在某一固定地方，又聚集很長的時間的話，就會有熱效應，這種熱效應達到一定程度時，可能會對人體組織產生不良的影響，影響細胞內的物質，包括染色體。3．紅外車輛分離器使用紅外車輛分離器(如MINI-ARRAY)可以避免以上的缺點。分離器有收發器各一，有兩排紅外發送接收管，各安裝在車道一邊。當光被阻斷時，說明有車通過。當接收器接收到紅外光時，說明一輛車通過完畢。這就是整車識別。由于本系統的分辨率很小，最小分辨率為9.5mm，因此可以檢測出拖車的掛鉤，從而識別出拖車。本系統每55ms發送一束檢測紅外光，1ms的處理時間。車以時速60公里通過檢測臺，56ms行駛長度為0.93m。因此，只要兩車間距超過0.93米，車速不大于60公里，就能將其分辨出來。事實上，通過收費站，在車擁擠時，車速只有五六公里，因此，兩車間距只要在10cm以上，就可以從容識別了。整車識別在算法上也有技巧，至少要求150mm高的光路被擋住后控制器才有輸出，這一性能可能使系統不受落下的雨滴、雪花、污泥以及飛入檢測區域的鳥或昆蟲的影響，拖鉤檢測也是由上面這個檢測性能來實現的；擋住至少150mm高的光路后才有輸出，而只有當所有光路導通后，輸出才關斷。車輛進入檢測區域后，首先車頭擋住的光束尺寸肯定高于150mm，此時控制器輸出動作，如果帶一個拖車的話，拖鉤肯定會擋住至少1條光束，那么光幕就會一直保持輸出動作的狀態。對于紅外檢測而言，雨、霧、灰塵和強陽光是很致命。測量光幕系統應具有高過量增益，以適應雨、雪和灰塵等環境。熱防護罩可用于環境溫度為-25℃到70℃，相對濕度95％條件下工作。從性能價格上來看，線圈最便宜但性能最差，不適合安裝在公路上。紅外檢測性能和使用均很方便，但價格較高，適合安裝在公路上。2.1.2輪軸識別與車速度檢測對載重汽車的類型判定，根據交通部2000年2號令《超限運輸車輛行駛公路管理規定》，軸載質量如表2-1所示。表2-1軸載質量Table2-1Axleloadmass軸組類型輪軸類型編號圖解限定值（Kg）單軸每側單輪胎16000單軸每側雙輪胎210000雙聯軸每側單輪胎310000雙聯軸每側一單輪胎一雙輪胎414000雙聯軸每側雙輪胎518000三聯軸每側單輪胎612000三聯軸每側雙輪胎722000以載重貨車為例，其輪胎的斷面寬在28.33cm之間，每側雙輪胎，輪胎間距大于10cm，這就給輪胎識別創造條件。在秤臺順車行方向下方設置輪胎判別器，其結構和原理如圖2-2所示。輪胎識別原理如下：1.輪胎識別器在通道中心線一側的路面上裝置13只~20只（每只間隔10cm）壓敏傳感器，每個傳感器的輸出與輪胎判別器的裝置相連，當車輛通過時輪胎與地面接觸部位的數量可以由傳感器檢出，當車輪壓到該感應器時，產生數據1，否則產生數據0。控制器讀取該數據，有幾個連續的1，為一個輪胎，連續的1越多，輪胎就越寬。標準檢測情形如下：雙輪胎：001101100000單輪胎：0011000000002.車速檢測輪胎識別器A和測重臺B的距離是固定的(如圖2-2所示)，由于A、B兩點的距離不足1m，可以認車是勻速通過，因此車通過輪胎識別器和測重臺的時間t便可檢測車速：t。3.車軸組檢測通過車速v和輪胎識別器相鄰信號時間來判斷單軸、雙軸或三聯軸。如圖2-4所示。A、B、C、D4個檢測信號，時間差是，由、、(2-1)再由距離d大于設定值，便可判斷A、B為單軸C、D為雙聯軸。綜合運用紅外整車分離器功能，來跟蹤確認所測車輛從進入檢測區至開出檢測區全過程，并在所測車輛進入檢測區時和開出檢測區時及時向控制器傳輸中斷信號，使控制器根據整車識別器發出的信號自動判斷，匯總加權計算所測車輛的總重量。2.2稱重模型建立2.2.1力學模型為便于數學求解，將車身視為支撐在彈簧上的剛性板。由于稱重過程中臺面垂向位移遠小于汽車前后軸距，可以忽略車體轉動的影響[20]。汽車—秤臺系統可簡化為圖2-5所示的力學模型。其系統振動方程為：(2-2)式中，，，，、—秤臺與汽車質量，、—秤臺和汽車支承系的彈性系數，、—秤臺和汽車的阻尼系數，、—秤臺面和汽車的垂向位移，G—沖擊載荷。為了簡化式(2-2)的解偶過程，忽略C，即假設系統阻尼為零，得到兩個獨立的振動方程，能量主要集中于第一模態中[21]，其方程為：(2-3)式中——廣義位移坐標，、是與有關的函數，其中(2-4)式中，當時，曲線如圖2-6所示。由圖2-6可知，當時，，汽車衡的力學模型將是一單自由度有限振動微分方程：即當秤臺的彈性系數大于汽車的彈性系數時，振動主要表現為汽車的振動，此時秤臺垂向振動影響可忽略不計。據此，重構動態(2-5)式中——汽車垂向位移，——汽車質量，——汽車結構的彈性系數和阻尼系數，G——車重。2.2.2測量系統的傳遞函數由式(2-5)進行拉普拉斯變換，得到輸入與輸出的傳遞函數：(2-6)式中——無阻尼自振頻率，。系統的截止頻率為：(2-7)以運輸超載最多的貨運車輛為例，要求貨車板簧設計時的彈性系數取值范圍，，而為了保持公路路面的正常使用壽命，要求汽車軸重質量不大于，代入式(2-7)計算，得汽車振動的最大頻率不超過20Hz。為了提高測量的準確度，將車身垂直振動截止頻率定為。根據采樣定理，最小采樣頻率，本系統的采樣頻率。2.2.3傳遞函數離散化的離散化傳遞函數動態汽車衡的傳遞函數如圖2-7所示，系統的輸入為汽車的軸重階躍信號。動態汽車衡的輸出經過AD采樣后，傳感器的輸出變化量為一離散量。為能得到輸出跟輸入之間，我們將系統輸入視為階躍信號經零階采樣保持電路之后得到的離散信號量[22]。零階保持環節輸出與連續輸入信號之間的關系為：(2-8)其拉氏變換為，為采樣間隔。加入零階保持環節后，圖2-7形式轉化成圖2-8，即經零階保持環節后的傳遞函數為：假定系統的初始條件都為0，我們可以將系統的傳遞函數作Z變換[23]，即：(2-10)式中由式(2-10)知，Z變換之后系統的傳遞函數具有如下形式：(2-11)即：(2-12)為系統參數，由測量結果識別，由此得到系統的差分方程：(2-13)式中——階躍輸入，當時有，由于汽車垂向位移與傳感器輸出信號成正比，因此：(2-14)2.2.4信號分析及算法由以上模型分析可知，根據測量數據可以推算車輛載荷，然而實際測量中，測量環節不可避免地引入了測量噪聲，如電源電壓波動、元器件噪聲、量化誤差及外界干擾等，使式(2-13)取得以下形式(2-15)為測量環節引入的誤差，通常假設為白噪聲，用最小二乘法估計模型參數，使最小，從而實現抑制噪聲的目的。式中——待定參數向量；＝；——單位矩陣；——測量數據構成的數據向量。將離散化二階系統方程運用于動態汽車衡。實現流程如下：系統根據實測的數據序列，用最小二乘法估計離散化式(2-14)中的參數，據此遞推計算系統的輸入，為離散化的汽車重量序列，計算系統的輸入序列取均值得到汽車的重量值。2.3本章小結在本章中，首先詳細介紹了整車識別的方法與過程，以及輪軸的識別和車速檢測的方法。然后對汽車稱重的力學模型進行了分析，推導出其二階系統的傳遞函數，進而得出車重與傳感器輸出電壓之間關系的數學方程。第3章系統硬件設計3.1系統概述硬件是整個系統的基礎，有了性能高的硬件才能發揮出程序的性能，因此硬件設計很關鍵。在本文的系統中，包括動態稱重模塊，車牌識別模塊，控制管理模塊。動態稱重模塊包括紅外車輛分離器、傳感器、AD轉換器和DSP數據采集處理部分；車牌識別模塊包括CCD攝像機、DSP處理模塊等，控制管理模塊包括人機界面、顯示、相應的控制輸入輸出和信息管理系統。本文中主要設計兩部分：一是DSP組成的車重數據采集和處理模塊；另一部分是ARM組成控制模塊，在其上嵌入操作系統，進行相應的控制和信息管理。系統的框圖如圖3-1所示，具體的在下面進行詳細敘述。3.2數據采集與處理模塊數據采集與處理包括動態稱重模塊和車牌識別模塊，本系統中主要對動態稱重模塊進行詳細闡述，對車牌識別模塊使用現有的模塊，不對其進行說明。動態稱重模塊主要由TMS320DM642核心處理部分、傳感器、放大電路和A/D轉換器組成。在系統中我們采用的是TMS320DM642，它是專用于數字媒體應用的高性能32位定點DSP，工作主頻最高達720MHz，處理性能可達5760MIPS。3.2.1TMS320DM642概述TMS320DM642（以下簡稱DM642）是美國德州儀器公司(TI)推出的一款面向數字多媒體應用的DSP，采用TI的第二代高級超長指令字結構(VelociTI)，使得在一個指令周期能夠并行處理多條指令。DM642采用兩級緩存結構：第一級包括相互獨立的L1P(16KB)和L1D(16KB)，只能作為高速緩存使用；第二級L2(256KB)是一個統一的程序/數據空間，可整體作為SRAM映射到存儲空間，也可整體作為第二級Cache，或是二者按比例的一種組合來使用，容量較大的兩級緩存和EDMA通道是DM642高性能的體現之一，若能合理使用和管理，將能大幅度提高程序的運行性能[24][25]。此外DM642具有豐富的外圍設備接口，包括3個可配雙通道視頻端口VideoPort，其中每個VideoPort又分成A和B兩個通道[26]，A/B通道可分別處理一路視頻采集，因此DM642最多可以處理6路視頻采集數據（不帶音頻），另外還包括64bit的外部內存接口(EMIF)、10/100Mbps以太網MAC和多通道音頻串行端口(McASP)以及66MHz32bit的PCI接口。DM642的基本系統由DM642和外擴的存儲器以及外設組成，而外擴的存儲器和外設均通過DM642的外部存儲器接口(EMIF)進行擴展，DM642基本系統所必須的外擴資源包括：SDRAM(4M×64-位)，用于存放程序和緩存數字、視頻/音頻數據；FLASH(4M×8-位)，用于存放固化程序，以便進行ROM引導；UART(2×8×8-位)，擴展2個異步串口(RS232/RS422/RS485)；板上寄存器(8×8-位)，由若干個8位狀態/控制寄存器組成；硬盤接口(16×16-位)，用于本地大容量存儲接口。由上可知DM642非常適用于VoIP、數字視頻服務器、多通道數字視頻錄像機(DVR)、多通道數字視頻監控等應用，提供高質量的視頻編/解碼解決方案。TMS320DM642外部地址總線只有A[22:31]，總共20根，所以子空間最大的尋址范圍為1M×8位。核心板上子空間除了分配給Flash以外，還分配給狀態/控制寄存器、UARTA、UARTB等資源使用，其中Flash只占據子空間的前一半的尋址空間，即最大的可尋址范圍為512K×8位，而Flash的設計容量為4M×8位，所以為了尋址到Flash所有的地址空間，在核心板上采用分頁技術來實現對Flash的訪問，即將整個4M×8位的Flash分成8個512K×8位的頁，而頁地址PA21、PA20、PA19則由頁地址寄存器提供。3.2.2網絡接口TMS320DM642中的PCI接口、HPI接口和以太網MAC接口管腳是復用的。它們的功能選擇和配置是在上電復位時通過檢測TMS320DM642上的特殊引腳(PCI_EN、MAC_EN、HD5、PCI_EEAI)的狀態來實現的。通過把管腳MAC_EN拉高，PCI_EN拉低配置成16位HPI接口和以太網接口的模式。TMS320DM642的網絡接口由EMAC(10/100Mb/sEthernetMAC)與MDIO(ManagementDataInput/Output)兩部分組成的。其中EMAC為網路的數據通路，MDIO為EMAC的狀態及控制接口[28][29]。1．網絡接口的簡介TMS320DM642的網絡接口主要用來支持物理層的網絡器件(PHY)與DSP的連接。其中EMAC控制PHY與DSP之間的數據包的交換，MDIO控制PHY的配置與狀態的監測。網絡接口主要功能有：符合IEEE802.3協議；支持傳媒無關接口(MII)；8個獨立的發送與接收通路；同步的10/100Mbit的數據操作；廣播及多幀的傳送。2．PHY設備的連接圖3-2為PHY設備與網絡接口的框圖。在DM642系統中用Broadcom公司的BCM5221作為10/100Base-TX以太網收發器，BCM5221的MII接口與DM642的MII接口對接。DM642的MII不支持TXER，它通過求反發送幀CRC來指出網絡錯誤，所以BCM5221上的TXER引腳直接接為無效。需要注意的是，數據經過BCM5221后的兩組差分信號線在PCB布線的時候應盡量平行走線，避開高頻干擾源，以保證輿信號的正確率。DM642中只采用10/100Base-TX方式，所以BCM5221的SD+和SD-引腳懸空。而TD+、TD-、RD+和RD-信號則經Pulse公司的H11021:1變壓器變換成TX+、TX-、RX+和RX-信號，接口到RJ45連接器上。RJ45連接器選用AMP公司的406549-1，其上帶2個LED指示燈，右邊的LED為綠色，用作指示連接狀態，左邊的為黃色，正常情況下，用來指示數據傳輸。3．EMAC的數據包在以太網絡中，數據是以網絡幀的方式進行傳送的。其格式如表3-1所示。表3-1以太網數據包格式Table3-1Ethernetframe7166246-15004PreambleSFDDestinationSourceLenDataFCS從上面可以看出一個以太網數據包包括以下幾個部分：Preamble：引導位；SFD：分隔符；Destination：目的地址；Source：源地址；Len數據的長度；Data：最長為1500個數據；FCS：幀校驗。其中加粗的部分稱為以太網的數據包，在EMAC經過EDMA后得到的內容為以太網的數據包，即粗框內的結構。因此，在編程時，不用關心粗框外的數據。網絡接口主要用來進行大量的數據傳輸或與以太網接口。3.2.3ATA硬盤ATA(AdvancedTechnologyAttachment)，是一個流行的存儲設備接口，被廣泛應用于PC機上，用于主機與硬盤、光盤和可移動儲存設備等設備接口。在DM642系統中實現了ATA協議的PIO4方式，可以掛接硬盤等大容量的存貯設備，完成對大量數據的保存與檢索。ATA接口標準由INCITS(InterNationalCommitteeonInformationTechnologyStandards，國際信息技術標準化委員會)下屬的T13技術委員會管理和制定。為主機與儲存設備實現連接定義一組標準化的總線，并規定了該總線的電氣和機械特性，即ATA接口標準的物理層。為主機與儲存設備之間進行有效的數據交換定義一組傳輸和命令協議，即ATA接口的傳輸層。它是一16位并行總線，支持PIO和多字DMA傳輸協議。ATAPI(ATAPacketInterface)為ATA分組數據接口。它是在儲存設備端增加的數據分組交換協議，目的是為了有效地解決帶復雜參數的命令的交換，以方便與各種儲存設備相連，如硬盤、光盤、可移動儲存設備等等。ATA總線連接的主機與存儲設備之間的數據交換，其原理如下：首先，按ATA標準規定，對存儲設備介質的讀/寫操作不是直接由主機通過ATA總線完成，而是由集成在存儲設備上的控制器完成，主機只是通過ATA總線與存儲設備上的控制器進行通信。對于主機來說，主機與存儲設備控制器的通信是通過一組標準化了的寄存器和數據口進行的，主機直接操作這組寄存器和數據口，將命令參數和操作命令碼寫入寄存器中，而存儲設備上的控制器則對這些命令參數和操作命令碼進行解釋，完成對存儲設備的實際讀/寫和控制操作。其次，ATA標準規定存儲設備上的控制器必須實現一組標準化了的寄存器和數據口，還規定了對這組寄存器和數據口進行操作的一組信號及其時序，即規定了ATA標準的物理層。最后，ATA標準規定存儲設備上的控制器必須實現或可選實現的命令集，以及主機與設備之間進行交互的命令序列的先后順序和命令碼及相應的命令參數的定義，即ATA標準的傳輸層。DM642的子空間被配置為16位異步靜態存儲器接口，分配給外擴的ATA標準硬盤接口，以PIO方式來實現硬盤的讀/寫操作。ATA有2個片選空間CS0和CS1，每個空間占用8個16位存儲單元，ATA在子空間的具體定位如表3-2。表3-2ATA地址Table3-2ATAadress串口字節地址ATA_CS00xA0000000~0xA0000007ATA_CS10xA0000010~0xA0000017ATA硬盤接口主要用于大量的監測數據的存儲。3.2.4實時時鐘DM642系統中配置有X1226實時時鐘，可以產生年、月、日、星期、時、分、秒等實時時間信息，還有512×8位的EEPROM，可以用來存儲存定值。因而適合用于監控系統的記錄。X1226是主實時時鐘RTC＋串行EEPROM，采用串行IIC總線與DSP連接。通過IIC總線，DM642可以訪問X1226內部2個部分，一部分為CCR（時鐘、控制器），別一部分為EEPROM的512×8位存儲單元。這二部分被作為2個IIC總線從設備對待，對應二個IIC從設備地址。CCR包含29個8-位寄存器，以0x00~0x3F地址進行尋址；EEPROM則有512×8位存儲單元，以0x000~0x1FF地址進行尋址。DM642通過IIC1與X1226連接。其中DM642做為主設備，X1226做主從設備。X1226的兩個部分使用兩個不同的IIC地址，分別是：CCR的IIC地址為：0x67；Array的IIC地址為：0x57。3.3傳感器3.3.1傳感器的選擇傳感器是檢測系統的重要的一環，外界的模擬信號經過傳感器轉換成電信號，進入A/D轉換器。只有傳感器的性能好，不受外界環境（如溫度、電磁等）的影響，才能得到可靠、真實的數據，使系統性能更好。目前在車輛動態稱重系統中比較常用的動態稱重傳感器主要有彎板、壓電傳感器、單傳感器及光纖傳感器[31][32][33]。彎板彎板動態稱重系統是利用下方粘結有應變傳感器的金屬板進行測量。當車輛通過彎板時，系統測量出應變傳感器產生的應變力由此計算出動態重量值，然后利用測量出的動態重量值預測出車輛的真實軸重。利用彎板進行測量，測量準確度一般為±5%（整車重量的相對百分比誤差）。基于彎板的汽車衡有固定式和便攜式兩種，一般情況下，便攜式只適合測量低速行駛時的車輛。壓電傳感器壓電式動態稱重系統利用檢測由車輛軸重引起的壓電傳感器的電壓變化，測量出車輛的軸重值。當車輛通過壓電傳感器時，系統測量出傳感器產生的電荷，由此計算出動態重量值，然后利用測量出的動態重量值預測出車輛的真實軸重。單傳感器單傳感器動態稱重系統利用一個稱重傳感器測量車輛的軸重值，一般來說，安裝此種汽車衡需要挖設比較深的基坑，通常測量準確度為±3％。光纖傳感器當車輛通過光纖傳感器時，系統測量出光纖內反射光強度的改變，由此計算出動態重量值，然后利用測量出的動態重量值預測出車輛的真實軸重。基于光纖傳感器的汽車衡有固定式和便攜式兩種方式。光纖傳感器在車輛動態稱重中具有廣泛的應用前景。光纖傳感器與其他類型的傳感器相比具有若干優點：它不受電磁干擾(包括光照射)和路面振動的影響、尺寸小、質量輕、低功耗，能夠在較為惡劣的環境下使用，并且其響應頻率相當高。因此，在動態測量中是比較理想的傳感器。3.3.2光纖壓力傳感器原理光纖傳感技術是伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發展而迅速發展起來的一種以光為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界信號（被測量）的新型傳感技術。當這種外界信號為壓力時，即構成光纖壓力傳感器。光纖壓力傳感器作為一種新型的傳感器，與傳統的壓力傳感器相比體積小、重量輕，具有電絕緣性、不受電磁干擾、可用于易燃易爆的環境中等優點，另外還可以構成光纖分布式壓力傳感器，對橋梁、大壩等進行健康狀況的實時監測[34]。光纖壓力傳感器的研究在國外始于20世紀70年代初，當時研制出一種用于血管壓力測量的微型光纖壓力傳感器，之后許多研究工作都集中于工程應用中。到了20世紀80年代，出現了利用緊貼膜片的葉片或光閥的運動來調制光強的光纖壓力傳感器和靠膜片擠壓光纖使其傳輸特性發生變化而制成的光纖壓力傳感器，其傳感器的精度一般為±3.0%左右，線性度可達±1.5%。進入20世紀90年代，更多光纖壓力傳感器進入商品化階段，精度和靈敏度也不斷增加，如采用光纖法布珀羅干涉法的光纖壓力傳感器，它的精度達到±1.0%，線性度達到±0.5%[36]。根據光纖在測試系統中的應用，光纖壓力傳感器可分為功能型光纖壓力傳感器和非功能型光纖壓力傳感器兩種，功能型光纖壓力傳感器是在外界壓力作用下對光纖自身的某些光學特性（強度，相位等）進行調制，調制區在光纖之內，光纖同時具有“感知”和“傳輸”兩種功能，因此又稱為內調制光纖壓力傳感器或者傳感型光纖壓力傳感器。非功能型光纖壓力傳感器是借助其他光學敏感元件來完成傳感功能，調制區在光纖之外，光纖在系統中只起傳輸作用，因此稱之為外調制光纖壓力傳感器，或者傳光型光纖壓力傳感器。在光纖中傳輸的光波可用如下方程描述：(3-1)式中——光波的振幅；——頻率；——初相角公式(3-1)中包含五個參量即強度，頻率，波長()，相位()和偏振態。如果在壓力的作用下，光的強度發生改變，則稱此光纖壓力傳感器為強度調制光纖壓力傳感器，光的頻率發生改變稱為頻率調制光纖壓力傳感器，依次類推還有波長調制光纖壓力傳感器，相位調制光纖壓力傳感器和偏振調制光纖壓力傳感器，除此之外還有光纖分布調制式壓力傳感器。強度調制光纖壓力傳感器的基本原理是將一強度恒定的光源發出的光注入傳感元件，該元件在外力場作用下，使光強發生變化，輸出光強的大小與待測壓力成一定關系，通過測量光的強度可得到待測壓力值。3.4數模轉換器本系統采用美國AnalogDevices公司推出的24位模數轉換器AD7714。該芯片具有完整的模擬前端，可以直接測量傳感器輸出的直流微弱信號，轉換精度達到24位無誤碼。采用三線串行口與DSP聯接，通過軟件編程對輸入通道作出設置。該芯片具有自校準、系統校準和背景校準功能，可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響[35]。AD7714是適用于低頻測量應用的完整模擬前端。器件直接從傳感器接受低電平信號并輸出串行數字。它使用和_差(sigma-delta)轉換技術以實現高達24位的無誤碼性能。輸入信號加至專有的基于模擬調制器、具有可編程增益的前端。調制器的輸出由片內數字濾波器處理。通過片內控制寄存器可對此數字濾波器的第1個凹口編程，允許調整濾波器的截止頻率和穩定時間。AD7714的特點是具有3個差分模擬輸入（它也可以配置為5個準差分模擬輸入）以及差分基準輸入。它用單電源(+3V或+5V)工作。因此對于包括多達5個通道的系統，AD7714可實現所有信號調理和轉換。AD7714可理想地用于智能化的、基于微控制器或DSP的系統。其特點是具有可配置作3線運用的串行接口。用串行口通過軟件可對增益設定、信號極性和通道選擇作出配置。AD7714提供自校準、系統校準和背景校準選項并允許用戶讀寫片內校準寄存器。3.5控制模塊控制模塊主要是以ARM(PXA270)為核心的，外擴USB接口、以太網接口、觸摸屏接口等。USB接口主要接從設備，如打印機、鍵盤等，打印或輸入數據；以太網主要用與網絡傳輸數據；觸摸屏方便使用人員的操作，進行相應的顯示。在ARM上嵌入WindowsCE操作系統，建立相應的信息管理系統、人機界面，完成相應的控制工作。3.5.1PXA270核心板核心板上的資源主要有基于IntelXScale架構內核的嵌入式處理器PXA270，內部集成iwmmx指令[36][37]，加速處理器對多媒體數據的處理速度。系統穩定工作在520MHz主頻；64MBSDRAM，16MBNORFlash，64MBNANDFlash。目前市場上的Flash從結構上大體可以分為AND、NAND、NOR和DiNOR等幾種。其中NOR和DiNOR的特點為相對電壓低、隨機讀取快、功耗低、穩定性高，而NAND和AND的特點為容量大、回寫速度快、芯片面積小。現在，NOR和NANDFLASH的應用最為廣泛，除了在嵌入式設備上得到廣泛的應用外，在CompactFlash、SecureDigital、PCCards、MMC存儲卡以及USB閃盤存儲器市場都都占用較大的份額。NOR的特點是可在芯片內執行，這樣應該程序可以直接在flash內存內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中。NOR的傳輸效率很高，但寫入和探險速度較低。而NAND結構能提供極高的單元密度，并且寫入和擦除的速度也很快，是高數據存儲密度的最佳選擇。這兩種結構性能上的異同步如下：NOR的讀速度比NAND稍快一些；NAND的寫入速度比NOR快很多；NAND的擦除速度遠比NOR快；NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路也更加簡單；NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數是百萬次，而NOR的擦寫次數是十萬次。此外，NAND的實際應用方式要比NOR復雜得多。NOR可以直接使用，并在上面直接運行代碼。而NAND需要I/O接口，因此使用時需要驅動程序。不過當今流行的操作系統對NANDFlash都有支持。由于以上Flash的特性決定了，在嵌入式設備中，我們一般會把只讀屬性的映象文件，如啟動引導程序、內核、文件系統文件存放在NORFlash中，而把一些讀寫類的文件，如用戶應用程序等存放在NANDFlash中。出于成本的考慮，選用低容量昂貴的NORFlash存儲啟動引導程序和內核，而把文件系統存放在NANDFlash中。在核心板上，用兩片HY57V561620構成64M的SDRAM，用作系統內存，同時在nCS0連接了一片16MNORFLASH，用于存放引導程序和操作系統內核。在nCS1連接了一片64MNANDFLASH，用于存放文件系統和應用程序，做海量存儲使用。3.5.2觸摸屏接口觸摸屏按其工作原理的不同分為表面聲波屏、電容屏、電阻屏和紅外屏幾種[38]。電阻觸摸屏是一種對外界完全隔離的下作環境，不怕灰塵和水汽，它可以用任何物體來觸摸，可以用來寫字畫畫，比較適合下業控制領域使用，并且具備輕、薄、功耗低的特性，本系統用的是電阻屏。UCB1400是一款特殊的芯片，其主要功能是用作立體式音頻解碼器，另外它還有觸摸屏接口和電源管理接口。在系統的板上主要用作XscaleAC處理單元的接口電路和觸摸屏的數模轉換電路。觸摸屏接口可直接連接四線制觸摸屏。其內建10位A/D轉換，提供讀取觸摸屏和電源管理參數的能力。10個通用I/O引腳可向系統提供可編程輸入輸出。在應用的過程中，存在著飛點。所謂的飛點[40]，是指由于觸摸屏的電氣噪聲和機械誤差影響A/D轉換的輸入電壓使轉換后的坐標值偏離了實際筆觸點的位置。在觸摸屏中，由于AD轉換器的前端電路具有高輸入阻抗，因此特別容易受到電氣噪聲的影響。在硬件電路中，需要對帶有觸摸屏控制器的電路小心布局。通常在AD轉換器輸入端增加低通濾波器來減小各種噪聲。此外還需要在程序中使用一定的方法去除飛點。在本系統中，去除飛點的操作過程是：對同一個筆觸點進行3次數據讀取，如果其中最大值和最小值之間的差異大于50時，則認為此點為飛點，應舍棄。如果差異不大，則取中間值作為該點的坐標值。3.5.3IDE電路IDE即IntegratedDriveElectronics，它的本意是指把控制器與盤體集成在一起的硬盤驅動器，我們常說的IDE接口，也叫ATA(AdvancedTechnologyAttachment)接口。3.5.4USB概述HID全稱為“HumanInterfaceDevices”人機交互設備。通過人機交互設備來方便使用者控制操作系統。典型的HID設備包括：鍵盤、位置標定設備（鼠標、跟蹤球、游戲操縱桿等）和面板控制設備（旋鈕、開關、按鈕和滑塊等等）。這些控制可以應用于：電話、VCR遠程控制、游戲等領域中。例如：數據手套、調節閥、舵輪等。USB全稱是“UniversalSerialBus”，意為“通用串行總線”，由Compaq、DEC、IBM、Intel、NEC、微軟以及NorthernTelecom等公司于1994年11月共同提出的，主要目的就是為了解決接口標準太多的弊端。USB使用一個4針插頭作為標準插頭，采用菊花瓣形式把所有外設連接起來，最多可連接127個外設。它采用串行方式傳輸數據，支持多數據流和多個設備并行操作，允許外設熱插拔。USB有兩個規范，USB1.1和USB2.0。USB1.1的高速方式的傳輸速率為12Mbps，低速方式的傳輸速率為1.5Mbps。USB2.0規范是由USB1.1規范演變而來的。它的傳輸速率達到了480Mbps，折算為MB為60MB/s，足以滿足大多數外設的速率要求。USB2.0中的“增強主機控制器接口”(EHCI)定義了一個與USB1.1相兼容的架構。它可以用USB2.0的驅動程序驅動USB1.1設備。3.6ARM與DSP接口設計主機并行接口(HPI)是一個并行端口，主處理器通過它可以直接訪問CPU存儲空間。主機器件對接口具有主動控制權，這樣就增加了訪問的容易度。主機和CPU可以通過內部或外部存儲器交換信息，還可以直接訪問存儲器映射的外設。HPI與CPU存儲空間的互連是通過DMA或增強的DMA(EDMA)控制器實現的。主機和CPU都可以對HPI控制(HPIC)寄存器進行訪問。通過使用外部數據和接口控制信號，主機可以訪問HPI地址(HPIA)寄存器、HPI數據(HPID)寄存器和HPIC[41][42]。3.7本章小結硬件是整個系統的基礎，本章對硬件從整體結構上進行了說明，其中主要包括動態稱重模塊和控制模塊的建立。在動態稱重模塊中，對傳感器的選擇、AD的應用、數據處理模塊進行了詳細的設計，并設計了數據傳輸接口、數據據存儲接口等，作為高速傳輸數據和存儲大量數據使用。在控制模塊中，對其核心板上的資源進行了設計，擴展了人機接口、存儲接口等，以便嵌入WindowsCE操作系統，這為下一步軟件設計奠定了良好的基礎。第4章軟件設計與試驗結果分析通過前幾章的敘述，建立了整個系統的工作平臺，設計了系統的硬件，但是僅有這些是不夠的，還要編寫相應的軟件來驅動硬件，使之工作。對于整個系統進行相應的試驗，并分析試驗結果，對本系統的性能進行評估。在本系統中，軟件主要有以下幾個部分：整個平臺的工作流程；控制模塊上的信息管理系統。在控制模塊上，在PXA270中嵌入WindowsCE操作系統，用PlatformBuilder(PB)對WindowsCE內核進行裁剪和定制，用EmbeddedVisualC++(EVC)編寫相應的信息管理系統；動態稱重的算法實現軟件和AD轉換器工作流程。4.1系統工作流程采用的IntelXScale架構的PXA270可以嵌入Linux、Wince等操作系統，在本設計中，使用的是Wince操作系統[43]。WindowsCE是一個具有搶先式多任務功能，并且有強大通信能力的嵌入式操作系統。也是微軟公司專門為移動設備和消費類電子產品、嵌入式應用等非PC領域而全新設計的操作系統產品，因此根據其應用環境的特點，WindowsCE被設計成具有高度模塊化、良好實時性、強大通信能力、支持多種CPU的嵌入式操作系統。PlatformBuilder是為基于微軟WindowsCE操作系統定制嵌入式平臺而提供的集成開發環境(IDE)。它提供了所有進行設計、創建、編譯、測試和調試WindowsCE平臺的工具[44]。它運行在Windows下，程序設計人員可以通過它來設計和定制內核、選擇系統的特性，然后進行編譯和調試。還可以利用它來進行驅動程序的開發和應用程序的開發等。也就是說，可以能過PlatformBuilder對WindowsCE的系統結構進行裁剪，對于一些不必要的組件（如自動取款機中的媒體播放功能等）可以不必添加到定制的內核里，而對于一些必須的組件則可以通過這個工具靈活的進行添加。在本系統中，整個工作流程如圖4-1所示。整個流程的實現是在前面設計的系統平臺和硬件的基礎上，通過在WindowsCE上編程來實現的。操作系統內核裁剪與定制是用PlatformBuilder來實現的，用其編寫硬件的驅動程序，然后整合成模塊，定制進WindowsCE中，使硬件工作。4.2信息管理系統WindowsCE操作系統是基于Win32API的，因此WindowsCE下的應用程序開發與在WindowsXP下進行程序設計是類似的。EmbeddedVisualC++(EVC)提供了開發WindowsCE應用程序的集成開發環境與工具，可以很好的幫助我們創建、編譯與調試編寫的應用程序。在本系統中，信息管理系統的軟件就是用EVC來編寫的。4.3稱重模塊軟件稱重模塊軟件主要包括稱重算法的實現和AD轉換器的軟件。將2.2節得出的離散化二階系統方程運用于本系統中，實現流程如下：系統根據實測的數據序列，用最小二乘法估計離散化式(2-14)中的參數，據此遞推計算系統的輸入，為離散化的汽車重量序列，計算系統的輸入序列取均值得到汽車的重量值。4.4稱重算法試驗結果4.4.1動載質量標準質量標準一般是指砝碼，用其對各種非自動衡器進行檢測，這是大家比較熟悉的。它是借助于放置在秤臺上的砝碼的已知質量，與秤的示值比較，從而找到誤差，達到質量傳遞、準確一致的目的。然而采用這種方法對動態稱重性能進行檢測卻是無能為力、難以勝任的。因為標準砝碼只能在靜止狀態下對衡器進行檢測，無法模擬反映出運動狀態下的被稱物體與衡器接觸通過時因振動、沖擊帶來的影響。為不脫離實際，體現出汽車動態稱重系統的本質技術性能指標，不違背檢測的真正價值，動態質量標準的建立正被提到議事日程。目前通用的幾種典型的動態質量標準如下：以適當的汽車車體結構為基礎，經重新設計或改造，再配備一定數量的祛碼、起吊機構、車速表、油耗表等，將其直接開到現場，就能完成檢測任務。這種動態質量標準由于是專門制作，所以具有精度高、工作效率高、可靠性好、使用方便等優點。其不足之處是，建立是需要投入較多的資金。充分利用現有的檢衡車，改善運動性能，裝配有關檢測儀表，考核空車重量變化的影響因素，以及采取相應措施，保證作為動態質量標準使用時達到應有的準確度。臨時動態質量標準形式。這是一種在當地找不到而現場又急需檢測時采用的一種形式，它首先應具備如下基本條件：第一，有砝碼，其質量允差要符合要求，合計質量值不少于被檢衡器的二分之一最大稱量值；第二，有臺合格的衡器，其靜態稱量范圍、各稱量點的重復性、準確度等技術指標不能超差；第三，有輛適宜的汽車，其空車重量、載貨重量、車體尺寸等有代表性。本文試驗動載質量標準采用標準砝碼、電動小汽車。空載小汽車和干電池的重量通過分辨率為0.01g的電子秤標定，其重量為951.78g，通過不同的砝碼組合來改變動載的質量。小車行駛速度按勻速計算，其具體數值根據承載板寬度和稱重時間來確定。4.4.2試驗結果及分析對試驗結果分析的目的是確定穩重系統稱重示值與動載質量標準之間之差，評估稱重系統產生的數據和技術需求參數之間的一致性（本文參照ASTME1318-94標準）。試驗結果按相對誤差和給定精度下的可靠度進行分析。計算公式如下：(4-1)式中——相對誤差；——稱重系統產生的整車質量；——標準動載質量。式(4-2)確定符合某一給定精度時的可靠度：(4-2)式中——給定精度下的可靠度；N——所有被觀測數據的總數目；n——沒有超出給定精度的數據項數目。4.4.3稱重系統的靜態標定靜態標定的目的是確定稱重系統產生的數字和質量的關系。其方法是將不同質量的砝碼放置在承載板靠近后緣的位置，每一質量的砝碼進行6次測量，記錄試驗結果，然后計算每一個砝碼檢測數據的均值，其結果如表4-1。表4-1靜態標定試驗數據Table4-1Staticdemacatetestdata砝碼重(g)稱重系統輸出重量均值123456725.9515.18515.18500.2485.63485.43487.62498.2579.5391.04390.27392.03392.8393.64392.21392362.5245.96245.95245.25246.34245.55246.24245.9290196.03195.84195.87196.16197.03196.15196.214598.7998.6199.1799.4899.7599.2399.2計算滿足均值和砝碼質量為等式的超定方程組的最小二乘意義上的解，該解即為稱重系統標定的系數。即解如下方程組：(4-3)得到。4.5本章小結本章主要對系統的工作流程、超載的信息管理系統、稱重算法的實現和AD的工作流程的軟件進行了討論與設計，結合硬件，通過軟件實現了系統的運行。并對系統進行試驗，對所得結果進行了分析，驗證了本文所設計的系統的可行性、先進性和性能高等特點。結論近二十年來，為了實現公路超載運輸的科學管理，國際上多數國家，都很重視研究、試制、安裝檢測公路行駛車輛的動態情況的設備。許多國家，己經在本國的公路網內、在行駛公路超載運輸車輛較多的路段，安裝了運輸車輛動態稱量設備。有的國家，還在集中力量研究、試制、改進和生產、安裝檢測、記錄通行公路車輛軸數、軸距、軸載質量、總質量、車輛類別等項目的車輛檢測系統，為公路超載運輸車輛的監督檢測和管理，提供科學依據。在國內，雖然有關部門進行了多種動態稱重系統的設計與開發，但是其性能并沒有得到多大的改善，究其原因是系統設計時仍沿用傳統靜態秤的設計方法進行設計、采用簡單的數字濾波處理；沒能對稱重的計量方法和信號處理方法進行深入的研究，嚴格的講該產品只能算是準動態稱重系統。測量正常行駛的車輛的重量時，由于稱重信號中包含低頻隨機干擾，且采樣得到的信號太短，無法采集到穩定后的稱重信號。因此必須尋找新的稱重計量方法和數據處理方法。本文圍繞著解決這些問題，從車輛受力的分析入手，建立了汽車的力學二階系統模型，并通過數字仿真和模型試驗確定其實用性。在些基礎上，構建了DSP和ARM相結合的檢測系統。系統中，一部分使用光纖傳感器接收壓力信號，避免了受外界環境、電磁干擾等的影響，使信號得以保真。使用高精度的AD轉換器AD7714，配合DSPTMS320DM642實現數據的高速采集與處理，滿足了汽車動態稱重的實時性的要求，使稱重精度得以保證和提高。另一部分使用ARM(PXA270)設計的控制管理模塊接收DSP傳過來的稱重數據，在其上完成了相應的管理系統的構建、控制、顯示和輸入控制命令等任務。采用了實時的嵌入式操作系統WindowsCE，使系統可以在多線程下工作，并能及時響應系統的各種請求。在本文中完成了對稱重算法、信息管理系統和工作流程等軟件的設計與編寫，使整個系統得以更好的運行。最后對整個系統進行了試驗并對試驗結果進行了誤差分析，系統的稱重精度可以達到±4%，與ASTME1318-94標準給出的=3\*ROMANIII類動態稱重系統的精度±6%（相應的置信度95%）相比，系統的性能得到提高。本文進一步的工作是在實際中進行測試并應用。致謝本論文的選題、課題的研究及論文撰寫工作是在導師王鑫的悉心指導下完成的。在我攻讀學士學位期間，王鑫老師待人熱情誠懇，其謙虛嚴謹的治學態度、淵博的知識、敏銳的思維、對新事物的接受能力和對學術前沿深邃的洞察力，深深的影響和激勵著我，是我一生學習的榜樣。在王老師的指導下，我不僅在學術上有所收獲，而且逐步培養了自己獨立分析問題和解決問題的能力。王鑫老師高尚的思想品格、誨人不倦的工作熱情和求真務實的敬業精神是我以后道路上永遠的楷模。在此，向我的恩師表示崇高的敬意和衷心的感謝！最后，感謝在論文的撰寫中，給予我幫助的同學們，感謝他們為本文的研究工作所付出的辛勤勞動!由于本人水平有限，在論文中難免有不足之處，懇請各位老師批評指正。參考文獻[1]賀曙新．車輛動態稱重技術的歷史、現狀與展望．中外公路，2004，12(6)：104~106[2]國務院全國治理車輛超限超載領導工作小組．全國治理車輛超限超載工作簡報，2004(1)．[3]劉漢平,王健剛,陳冰泉.汽車的運動速度對動態稱重結果的影響.中外