1.引言

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟和公路建設(shè)的飛 速發(fā)展，公路貨運車輛超限超載運輸問題也日漸 突出。公路貨運超限超載不僅損壞公路路產(chǎn)、擾 亂運輸市場，還對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、強化執(zhí)法力度、完善監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、 建立長效機制，交通部決定開展全國治超站點規(guī) 范化建設(shè)，分級分類組織建設(shè)全國公路超限超載 檢測站點和治超信息系統(tǒng)，逐步建立健全全國治 超監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

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

動態(tài)軸重秤稱重即在非停車運動狀態(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 是節(jié)省時間、效率高，使得稱重時不至于造成對 正常交通的干擾。這對公路建設(shè)與管理有著極為 重要的意義，同時對車輛運輸現(xiàn)代化管理也有較 大的促進作用。

目前在我國公路超限治理行業(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、稱臺式動態(tài)軸重衡和靜態(tài)地磅。其中靜 態(tài)地磅使用時要求在汽車完全靜止狀態(tài)下進行 計重，優(yōu)點是精度較高，但由于需要汽車靜止狀 態(tài)下計重效率低，往往會造成塞車而不得不將部 分超限車輛放過。而且采用此方法進行超限治理 初期建設(shè)成本遠大于動態(tài)軸重衡。同時，由于靜態(tài)地磅無法提供軸重信息，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治超，在 此不作詳細討論。稱臺式動態(tài)軸重秤是目前較為 流行的動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分別測出 車輛各軸軸重，再由測試系統(tǒng)計算出整車重量。 當汽車以一定的速度通過稱重臺面時，不僅輪胎 對臺面的作用時間很短(在幾百毫秒以內(nèi))，而且作 用在臺面上的力除真實軸重外，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、 輪胎驅(qū)動等，這給動態(tài)地磅稱重系統(tǒng)實現(xiàn)高精 度測量造成很大困難。因此，在外界隨機不確定 的干擾力作用下，如何準確測出真實軸重，就成 為動態(tài)地磅稱重系統(tǒng)的技術(shù)難點和關(guān)鍵。本文 針對這些問題，從軟算法方面來提高動態(tài)軸重秤的計量精度，滿足日益增長的公路超限治理對計 量精度的要求。

2.體系結(jié)構(gòu)

動態(tài)軸重秤稱重系統(tǒng)由上位工控機、嵌人式 稱重儀表、接線盒、稱重傳感器及機械稱重臺面 組成。當汽車按照一定的速度通過稱重臺面時， 安裝在臺面上的稱重傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為微 弱電信號經(jīng)接線盒傳遞給嵌入式稱重儀表，由稱 重儀表完成電信號的放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，以 及實時數(shù)據(jù)處理，同時將處理過的數(shù)據(jù)傳給上位 工控機，由上位工控機最終完成數(shù)據(jù)查詢、報表 打印及實時監(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)定測量放大器，內(nèi)部集成了放大和濾波功能，可得到高達24 位分辨率的輸出結(jié)果，轉(zhuǎn)換速率最高可達3200Hz, 完全滿足動態(tài)稱重的需要。嵌入式處理器采用 NXP公司工業(yè)級ARM7 CPU LPC2365進行數(shù)據(jù)采 集、濾波和通信。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

動態(tài)軸重秤稱重系統(tǒng)稱重過程是一個強實時 過程，需要CPU及時采集汽車每個軸經(jīng)過秤臺過 程的數(shù)據(jù)并快速分析有效數(shù)據(jù)，從而計算其重量。 如果CPU速度過慢或者程序邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理， 必然會導致儀表在穩(wěn)定性和可靠性上存在隱患。 當前很多智能儀表的軟件采用前后臺系統(tǒng)設(shè)計， 整個應(yīng)用程序是一個無限循環(huán)，后臺程序循環(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 為前臺處理異步事件。這種編程結(jié)構(gòu)難以對時間 進行合理、有效的利用，相當一部分時間浪費在 了空轉(zhuǎn)的程序中，而且對時間要求苛刻的事件難 以實現(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)勢完全發(fā)揮 出來。植人嵌人式操作系統(tǒng)能夠很好的解決以上 的問題。綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)周期、成本等因素， 我們在程序的編寫中采用了嵌人式(XC/OS-II操作 系統(tǒng)。fJLC/OS-II是專門為計算機的嵌人式應(yīng)用設(shè) 計的嵌人式操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空 間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。

3.軟件體系設(shè)計

計重作為系統(tǒng)的核心功能，采集和分析AD模 塊負責各個設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和最后的分析，進一 步得出車輛的具體信息。通信接口負責上位主機 和控制儀表之間的通信。零點跟蹤把實時零點數(shù) 據(jù)匯報給其他任務(wù)。系統(tǒng)在后期會有很多的改進 和升級，所以在系統(tǒng)中要為升級做好準備。

根據(jù)以上分析，可把系統(tǒng)劃分為以下幾個任務(wù)：

.參采集和分析 ?車輛分離與計重 ?胎型識別 ?零點跟蹤 參與上位機的通訊 ?系統(tǒng)開關(guān)量 參顯示控制 ?系統(tǒng)升級 ?異常處理

任務(wù)采用事件驅(qū)動，事件的發(fā)生引起 LPC2365的中斷，程序在中斷中發(fā)送信號量，信 號量的發(fā)送使任務(wù)脫離等待任務(wù)的狀態(tài)進入就緒 態(tài)運行。

采集和分析子任務(wù)處理結(jié)果的準確與否直接決 定了計重系統(tǒng)計量精度，下面就此展開詳細分析。 為了提高技術(shù)指標，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)處理方法來實現(xiàn)準確的稱 重。圖2是一輛兩軸汽車通過秤臺時的波形圖。

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

式⑶中，噪聲分量％是由兩部分因素組成： (1)行進中的汽車自身處于一種低頻振動，其頻 率與載重有關(guān)，約為5~10HZ; (2)稱重臺面的機 械部分由于汽車通過臺面及鄰近地面也會產(chǎn)生振動，其頻率與臺面的機械結(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 汽車通過時，因承壓產(chǎn)生彈性形變造成的。當汽 車通過稱重臺面時，前后輪軸出現(xiàn)高度差，造成 汽車的軸重在4個傳感器上分配不均，從而出現(xiàn) 重量轉(zhuǎn)移。此外，車輪不圓、地面不平等原因， 也會出現(xiàn)高度差，從而造成重量轉(zhuǎn)移而引起測量 誤差。由此可見，噪聲分量％具有正弦波形狀， 相位為隨機變量；噪聲分量民具有脈沖形狀，脈 沖幅度與出現(xiàn)時刻都是隨機的。

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

對于噪聲分量ft可采用復合濾波法濾除噪聲， 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行遞推算術(shù)平均， 從而濾掉噪聲分量B1。

對于噪聲分量a,，由于通行車輛的不確定性、 車輛運行速度的不確定性（尤其是沖磅等非法通 過方式）及秤臺機械結(jié)構(gòu)與安裝情況的不確定性， 采用簡單的一階RC濾波器很難濾除噪聲。

筆者經(jīng)過對大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行整理并經(jīng)過數(shù) 學統(tǒng)計分析并對采集到的原始數(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)驗數(shù)據(jù)得出，freq和T是原始數(shù)據(jù)經(jīng) 過FFT后得到的頻譜數(shù)據(jù)，last矩陣即濾波后的 數(shù)據(jù)。

4.實驗數(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)對比。

實測數(shù)據(jù)表明，采用本算法后，在車輛速度 低于30公里每小時的行進速度下，計量誤差小 于靜態(tài)稱重值的±1%。在車輛速度小于60公里每小時的行進速度下，計量誤差小于靜態(tài)稱重值 的 ±3%。

5.結(jié)語

在本系統(tǒng)中通過引入FFT和FIR濾波器進行 數(shù)據(jù)采集和分析，并根據(jù)實際采樣波形，設(shè)計特 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)場反饋信息看，所設(shè)計的動態(tài)軸重衡系 統(tǒng)技術(shù)參數(shù)能達到：

在靜態(tài)模式下，誤差保持在20kg內(nèi)；

在動態(tài)模式下，車輛在30km/h左右的速度 通過時，誤差小于靜態(tài)時稱重值的± 1 %(軸重和總 重)，遠遠優(yōu)于國家動態(tài)地磅標準。