1.引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和公路建設(shè)的飛 速發(fā)展，公路貨運(yùn)車輛超限超載運(yùn)輸問(wèn)題也日漸 突出。公路貨運(yùn)超限超載不僅損壞公路路產(chǎn)、擾 亂運(yùn)輸市場(chǎng)，還對(duì)交通安全造成了極大的威脅， 已成為危害公路交通可持續(xù)發(fā)展的“痼疾”。為了 突出源頭治理、強(qiáng)化執(zhí)法力度、完善監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、 建立長(zhǎng)效機(jī)制，交通部決定開(kāi)展全國(guó)治超站點(diǎn)規(guī) 范化建設(shè)，分級(jí)分類組織建設(shè)全國(guó)公路超限超載 檢測(cè)站點(diǎn)和治超信息系統(tǒng)，逐步建立健全全國(guó)治 超監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

作為超限治理的核心設(shè)備——動(dòng)態(tài)軸重秤精 度的高低直接決定了超限治理低速精檢和復(fù)檢系 統(tǒng)的可靠性。

動(dòng)態(tài)軸重秤稱重即在非停車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的稱 重，與停車狀態(tài)下的靜態(tài)稱重相比，其主要特點(diǎn) 是節(jié)省時(shí)間、效率高，使得稱重時(shí)不至于造成對(duì) 正常交通的干擾。這對(duì)公路建設(shè)與管理有著極為 重要的意義，同時(shí)對(duì)車輛運(yùn)輸現(xiàn)代化管理也有較 大的促進(jìn)作用。

目前在我國(guó)公路超限治理行業(yè)主要使用3種 形式的地磅用于稱量車輛的載荷一便攜式軸重衡、稱臺(tái)式動(dòng)態(tài)軸重衡和靜態(tài)地磅。其中靜 態(tài)地磅使用時(shí)要求在汽車完全靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行 計(jì)重，優(yōu)點(diǎn)是精度較高，但由于需要汽車靜止?fàn)?/span> 態(tài)下計(jì)重效率低，往往會(huì)造成塞車而不得不將部 分超限車輛放過(guò)。而且采用此方法進(jìn)行超限治理 初期建設(shè)成本遠(yuǎn)大于動(dòng)態(tài)軸重衡。同時(shí)，由于靜態(tài)地磅無(wú)法提供軸重信息，不適于在此應(yīng)用環(huán) 境下使用。

便攜式軸重秤一般用于交警的移動(dòng)治超，在 此不作詳細(xì)討論。稱臺(tái)式動(dòng)態(tài)軸重秤是目前較為 流行的動(dòng)態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分別測(cè)出 車輛各軸軸重，再由測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算出整車重量。 當(dāng)汽車以一定的速度通過(guò)稱重臺(tái)面時(shí)，不僅輪胎 對(duì)臺(tái)面的作用時(shí)間很短(在幾百毫秒以內(nèi))，而且作 用在臺(tái)面上的力除真實(shí)軸重外，還有許多因素產(chǎn) 生的干擾力，如車速、車輛自身諧振、路面激勵(lì)、 輪胎驅(qū)動(dòng)等，這給動(dòng)態(tài)地磅稱重系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精 度測(cè)量造成很大困難。因此，在外界隨機(jī)不確定 的干擾力作用下，如何準(zhǔn)確測(cè)出真實(shí)軸重，就成 為動(dòng)態(tài)地磅稱重系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵。本文 針對(duì)這些問(wèn)題，從軟算法方面來(lái)提高動(dòng)態(tài)軸重秤的計(jì)量精度，滿足日益增長(zhǎng)的公路超限治理對(duì)計(jì) 量精度的要求。

2.體系結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)軸重秤稱重系統(tǒng)由上位工控機(jī)、嵌人式 稱重儀表、接線盒、稱重傳感器及機(jī)械稱重臺(tái)面 組成。當(dāng)汽車按照一定的速度通過(guò)稱重臺(tái)面時(shí)， 安裝在臺(tái)面上的稱重傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為微 弱電信號(hào)經(jīng)接線盒傳遞給嵌入式稱重儀表，由稱 重儀表完成電信號(hào)的放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，以 及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，同時(shí)將處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳給上位 工控機(jī)，由上位工控機(jī)最終完成數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表 打印及實(shí)時(shí)監(jiān)控等工作。

其中嵌人式稱重儀表采用24位精度CS5532 作為外接的A/D轉(zhuǎn)換器，該器件是Cirrus Logic公 司推出的一種具有極低噪音的多通道型模擬/數(shù)字 轉(zhuǎn)換器，支持SPI總線接口，由于其采用電荷平衡 技術(shù)和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測(cè)量放大器，內(nèi)部集成了放大和濾波功能，可得到高達(dá)24 位分辨率的輸出結(jié)果，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)3200Hz, 完全滿足動(dòng)態(tài)稱重的需要。嵌入式處理器采用 NXP公司工業(yè)級(jí)ARM7 CPU LPC2365進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集、濾波和通信。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

動(dòng)態(tài)軸重秤稱重系統(tǒng)稱重過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí) 過(guò)程，需要CPU及時(shí)采集汽車每個(gè)軸經(jīng)過(guò)秤臺(tái)過(guò) 程的數(shù)據(jù)并快速分析有效數(shù)據(jù)，從而計(jì)算其重量。 如果CPU速度過(guò)慢或者程序邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理， 必然會(huì)導(dǎo)致儀表在穩(wěn)定性和可靠性上存在隱患。 當(dāng)前很多智能儀表的軟件采用前后臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 整個(gè)應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，后臺(tái)程序循環(huán)調(diào) 用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，中斷服務(wù)程序作 為前臺(tái)處理異步事件。這種編程結(jié)構(gòu)難以對(duì)時(shí)間 進(jìn)行合理、有效的利用，相當(dāng)一部分時(shí)間浪費(fèi)在 了空轉(zhuǎn)的程序中，而且對(duì)時(shí)間要求苛刻的事件難 以實(shí)現(xiàn)快捷有效的處理，因此即便采用了較高主 頻的CPU也難以完全將其高主頻的優(yōu)勢(shì)完全發(fā)揮 出來(lái)。植人嵌人式操作系統(tǒng)能夠很好的解決以上 的問(wèn)題。綜合考慮系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期、成本等因素， 我們?cè)诔绦虻木帉懼胁捎昧饲度耸?/span>(XC/OS-II操作 系統(tǒng)。fJLC/OS-II是專門為計(jì)算機(jī)的嵌人式應(yīng)用設(shè) 計(jì)的嵌人式操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空 間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3.軟件體系設(shè)計(jì)

計(jì)重作為系統(tǒng)的核心功能，采集和分析AD模 塊負(fù)責(zé)各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和最后的分析，進(jìn)一 步得出車輛的具體信息。通信接口負(fù)責(zé)上位主機(jī) 和控制儀表之間的通信。零點(diǎn)跟蹤把實(shí)時(shí)零點(diǎn)數(shù) 據(jù)匯報(bào)給其他任務(wù)。系統(tǒng)在后期會(huì)有很多的改進(jìn) 和升級(jí)，所以在系統(tǒng)中要為升級(jí)做好準(zhǔn)備。

根據(jù)以上分析，可把系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)任務(wù)：

.參采集和分析 ?車輛分離與計(jì)重 ?胎型識(shí)別 ?零點(diǎn)跟蹤 參與上位機(jī)的通訊 ?系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量 參顯示控制 ?系統(tǒng)升級(jí) ?異常處理

任務(wù)采用事件驅(qū)動(dòng)，事件的發(fā)生引起 LPC2365的中斷，程序在中斷中發(fā)送信號(hào)量，信 號(hào)量的發(fā)送使任務(wù)脫離等待任務(wù)的狀態(tài)進(jìn)入就緒 態(tài)運(yùn)行。

采集和分析子任務(wù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確與否直接決 定了計(jì)重系統(tǒng)計(jì)量精度，下面就此展開(kāi)詳細(xì)分析。 為了提高技術(shù)指標(biāo)，除了硬件設(shè)備的保障外，關(guān)鍵 是采用良好的軟件數(shù)據(jù)處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的稱 重。圖2是一輛兩軸汽車通過(guò)秤臺(tái)時(shí)的波形圖。

設(shè)m(t)是反映汽車某軸軸重的一個(gè)真實(shí)信號(hào)， n(t)是伴隨此真實(shí)信號(hào)的噪聲，故測(cè)得稱重信號(hào)x(t) 可表亦為：

式⑶中，噪聲分量％是由兩部分因素組成： (1)行進(jìn)中的汽車自身處于一種低頻振動(dòng)，其頻 率與載重有關(guān)，約為5~10HZ; (2)稱重臺(tái)面的機(jī) 械部分由于汽車通過(guò)臺(tái)面及鄰近地面也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，其頻率與臺(tái)面的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，約為 20-35HZ。噪聲分量p,是由稱重傳感器的應(yīng)變片在 汽車通過(guò)時(shí)，因承壓產(chǎn)生彈性形變?cè)斐傻摹．?dāng)汽 車通過(guò)稱重臺(tái)面時(shí)，前后輪軸出現(xiàn)高度差，造成 汽車的軸重在4個(gè)傳感器上分配不均，從而出現(xiàn) 重量轉(zhuǎn)移。此外，車輪不圓、地面不平等原因， 也會(huì)出現(xiàn)高度差，從而造成重量轉(zhuǎn)移而引起測(cè)量 誤差。由此可見(jiàn)，噪聲分量％具有正弦波形狀， 相位為隨機(jī)變量；噪聲分量民具有脈沖形狀，脈 沖幅度與出現(xiàn)時(shí)刻都是隨機(jī)的。

由此可見(jiàn)，采集和分析子任務(wù)就是從采集到 的波形信號(hào)中分析出行進(jìn)中汽車某軸軸重的真實(shí) 值M。

對(duì)于噪聲分量ft可采用復(fù)合濾波法濾除噪聲， 即先用中值濾波原理濾除由于脈沖干擾引起誤差 的采樣值，再將剩余的采樣值進(jìn)行遞推算術(shù)平均， 從而濾掉噪聲分量B1。

對(duì)于噪聲分量a,，由于通行車輛的不確定性、 車輛運(yùn)行速度的不確定性（尤其是沖磅等非法通 過(guò)方式）及秤臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)與安裝情況的不確定性， 采用簡(jiǎn)單的一階RC濾波器很難濾除噪聲。

筆者經(jīng)過(guò)對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并經(jīng)過(guò)數(shù) 學(xué)統(tǒng)計(jì)分析并對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)采用傅立葉變 換后可得到數(shù)據(jù)能量的頻譜，以此頻譜作為FIR 濾波器的輸入?yún)?shù)可有效地將噪聲濾除。此算法 用MAtlab編譯實(shí)現(xiàn)，部分源代碼如下：

alpha=0.87;

tal=freq*2*pi*T;

a=[l,-2*alpha*cos(tal),alpha*alpha];

b=[l,-2*cos(taI),l];

last=filter(b,a,data);

其中data為原始數(shù)據(jù)矩陣，alpha決定增益 和質(zhì)量由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，freq和T是原始數(shù)據(jù)經(jīng) 過(guò)FFT后得到的頻譜數(shù)據(jù)，last矩陣即濾波后的 數(shù)據(jù)。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

濾波圖3和濾波圖4是不同速度的兩輛二軸 車的原始數(shù)據(jù)和濾波后數(shù)據(jù)對(duì)比。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，采用本算法后，在車輛速度 低于30公里每小時(shí)的行進(jìn)速度下，計(jì)量誤差小 于靜態(tài)稱重值的±1%。在車輛速度小于60公里每小時(shí)的行進(jìn)速度下，計(jì)量誤差小于靜態(tài)稱重值 的 ±3%。

5.結(jié)語(yǔ)

在本系統(tǒng)中通過(guò)引入FFT和FIR濾波器進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集和分析，并根據(jù)實(shí)際采樣波形，設(shè)計(jì)特 殊的數(shù)據(jù)處理方法，從而完成高速、高精度的數(shù) 據(jù)處理，獲得了令人滿意的結(jié)果。本動(dòng)態(tài)軸重秤系統(tǒng)先后已在廣州治超站、安徽治超站等投入使 用，從現(xiàn)場(chǎng)反饋信息看，所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)軸重衡系 統(tǒng)技術(shù)參數(shù)能達(dá)到：

在靜態(tài)模式下，誤差保持在20kg內(nèi)；

在動(dòng)態(tài)模式下，車輛在30km/h左右的速度 通過(guò)時(shí)，誤差小于靜態(tài)時(shí)稱重值的± 1 %(軸重和總 重)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)家動(dòng)態(tài)地磅標(biāo)準(zhǔn)。