1.引言

近年來(lái)，隨著(zhù)我國社會(huì )經(jīng)濟和公路建設的飛 速發(fā)展，公路貨運車(chē)輛超限超載運輸問(wèn)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(chǎng)，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發(fā)展的“痼疾”。為了 突出源頭治理、強化執法力度、完善監控網(wǎng)絡(luò )、 建立長(cháng)效機制，交通部決定開(kāi)展全國治超站點(diǎn)規 范化建設，分級分類(lèi)組織建設全國公路超限超載 檢測站點(diǎn)和治超信息系統，逐步建立健全全國治 超監控網(wǎng)絡(luò )。

作為超限治理的核心設備——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檢系 統的可靠性。

動(dòng)態(tài)軸重秤稱(chēng)重即在非停車(chē)運動(dòng)狀態(tài)下的稱(chēng) 重，與停車(chē)狀態(tài)下的靜態(tài)稱(chēng)重相比，其主要特點(diǎn) 是節省時(shí)間、效率高，使得稱(chēng)重時(shí)不至于造成對 正常交通的干擾。這對公路建設與管理有著(zhù)極為 重要的意義，同時(shí)對車(chē)輛運輸現代化管理也有較 大的促進(jìn)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(chēng)量車(chē)輛的載荷一便攜式軸重衡、稱(chēng)臺式動(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(chē)完全靜止狀態(tài)下進(jìn)行 計重，優(yōu)點(diǎn)是精度較高，但由于需要汽車(chē)靜止狀 態(tài)下計重效率低，往往會(huì )造成塞車(chē)而不得不將部 分超限車(chē)輛放過(guò)。而且采用此方法進(jìn)行超限治理 初期建設成本遠大于動(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 此不作詳細討論。稱(chēng)臺式動(dòng)態(tài)軸重秤是目前較為 流行的動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡稱(chēng)重系統，該系統可分別測出 車(chē)輛各軸軸重，再由測試系統計算出整車(chē)重量。 當汽車(chē)以一定的速度通過(guò)稱(chēng)重臺面時(shí)，不僅輪胎 對臺面的作用時(shí)間很短(在幾百毫秒以?xún)?，而且作 用在臺面上的力除真實(shí)軸重外，還有許多因素產(chǎn) 生的干擾力，如車(chē)速、車(chē)輛自身諧振、路面激勵、 輪胎驅動(dòng)等，這給動(dòng)態(tài)地磅稱(chēng)重系統實(shí)現高精 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(shí)軸重，就成 為動(dòng)態(tài)地磅稱(chēng)重系統的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵。本文 針對這些問(wèn)題，從軟算法方面來(lái)提高動(dòng)態(tài)軸重秤的計量精度，滿(mǎn)足日益增長(cháng)的公路超限治理對計 量精度的要求。

2.體系結構

動(dòng)態(tài)軸重秤稱(chēng)重系統由上位工控機、嵌人式 稱(chēng)重儀表、接線(xiàn)盒、稱(chēng)重傳感器及機械稱(chēng)重臺面 組成。當汽車(chē)按照一定的速度通過(guò)稱(chēng)重臺面時(shí)， 安裝在臺面上的稱(chēng)重傳感器將壓力信號轉換為微 弱電信號經(jīng)接線(xiàn)盒傳遞給嵌入式稱(chēng)重儀表，由稱(chēng) 重儀表完成電信號的放大、濾波、模數轉換，以 及實(shí)時(shí)數據處理，同時(shí)將處理過(guò)的數據傳給上位 工控機，由上位工控機最終完成數據查詢(xún)、報表 打印及實(shí)時(shí)監控等工作。

其中嵌人式稱(chēng)重儀表采用24位精度CS5532 作為外接的A/D轉換器，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/數字 轉換器，支持SPI總線(xiàn)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定測量放大器，內部集成了放大和濾波功能，可得到高達24 位分辨率的輸出結果，轉換速率最高可達3200Hz, 完全滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的需要。嵌入式處理器采用 NXP公司工業(yè)級ARM7 CPU LPC2365進(jìn)行數據采 集、濾波和通信。結構如圖1所示。

動(dòng)態(tài)軸重秤稱(chēng)重系統稱(chēng)重過(guò)程是一個(gè)強實(shí)時(shí) 過(guò)程，需要CPU及時(shí)采集汽車(chē)每個(gè)軸經(jīng)過(guò)秤臺過(guò) 程的數據并快速分析有效數據，從而計算其重量。 如果CPU速度過(guò)慢或者程序邏輯結構設計不合理， 必然會(huì )導致儀表在穩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設計， 整個(gè)應用程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，后臺程序循環(huán)調 用相應的函數完成相應的操作，中斷服務(wù)程序作 為前臺處理異步事件。這種編程結構難以對時(shí)間 進(jìn)行合理、有效的利用，相當一部分時(shí)間浪費在 了空轉的程序中，而且對時(shí)間要求苛刻的事件難 以實(shí)現快捷有效的處理，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(lái)。植人嵌人式操作系統能夠很好的解決以上 的問(wèn)題。綜合考慮系統開(kāi)發(fā)周期、成本等因素， 我們在程序的編寫(xiě)中采用了嵌人式(XC/OS-II操作 系統。fJLC/OS-II是專(zhuān)門(mén)為計算機的嵌人式應用設 計的嵌人式操作系統，具有執行效率高、占用空 間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴展性強等特點(diǎn)。

3.軟件體系設計

計重作為系統的核心功能，采集和分析AD模 塊負責各個(gè)設備的數據采集和最后的分析，進(jìn)一 步得出車(chē)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(diǎn)跟蹤把實(shí)時(shí)零點(diǎn)數 據匯報給其他任務(wù)。系統在后期會(huì )有很多的改進(jìn) 和升級，所以在系統中要為升級做好準備。

根據以上分析，可把系統劃分為以下幾個(gè)任務(wù)：

.參采集和分析 ?車(chē)輛分離與計重 ?胎型識別 ?零點(diǎn)跟蹤 參與上位機的通訊 ?系統開(kāi)關(guān)量 參顯示控制 ?系統升級 ?異常處理

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

采集和分析子任務(wù)處理結果的準確與否直接決 定了計重系統計量精度，下面就此展開(kāi)詳細分析。 為了提高技術(shù)指標，除了硬件設備的保障外，關(guān)鍵 是采用良好的軟件數據處理方法來(lái)實(shí)現準確的稱(chēng) 重。圖2是一輛兩軸汽車(chē)通過(guò)秤臺時(shí)的波形圖。

設m(t)是反映汽車(chē)某軸軸重的一個(gè)真實(shí)信號， n(t)是伴隨此真實(shí)信號的噪聲，故測得稱(chēng)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(jìn)中的汽車(chē)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(chēng)重臺面的機 械部分由于汽車(chē)通過(guò)臺面及鄰近地面也會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)，其頻率與臺面的機械結構參數有關(guān)，約為 20-35HZ。噪聲分量p,是由稱(chēng)重傳感器的應變片在 汽車(chē)通過(guò)時(shí)，因承壓產(chǎn)生彈性形變造成的。當汽 車(chē)通過(guò)稱(chēng)重臺面時(shí)，前后輪軸出現高度差，造成 汽車(chē)的軸重在4個(gè)傳感器上分配不均，從而出現 重量轉移。此外，車(chē)輪不圓、地面不平等原因， 也會(huì )出現高度差，從而造成重量轉移而引起測量 誤差。由此可見(jiàn)，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 沖幅度與出現時(shí)刻都是隨機的。

由此可見(jiàn)，采集和分析子任務(wù)就是從采集到 的波形信號中分析出行進(jìn)中汽車(chē)某軸軸重的真實(shí) 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(jìn)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(chē)輛的不確定性、 車(chē)輛運行速度的不確定性（尤其是沖磅等非法通 過(guò)方式）及秤臺機械結構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)對大量現場(chǎng)數據進(jìn)行整理并經(jīng)過(guò)數 學(xué)統計分析并對采集到的原始數據采用傅立葉變 換后可得到數據能量的頻譜，以此頻譜作為FIR 濾波器的輸入參數可有效地將噪聲濾除。此算法 用MAtlab編譯實(shí)現，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為原始數據矩陣，alpha決定增益 和質(zhì)量由經(jīng)驗數據得出，freq和T是原始數據經(jīng) 過(guò)FFT后得到的頻譜數據，last矩陣即濾波后的 數據。

4.實(shí)驗數據

濾波圖3和濾波圖4是不同速度的兩輛二軸 車(chē)的原始數據和濾波后數據對比。

實(shí)測數據表明，采用本算法后，在車(chē)輛速度 低于30公里每小時(shí)的行進(jìn)速度下，計量誤差小 于靜態(tài)稱(chēng)重值的±1%。在車(chē)輛速度小于60公里每小時(shí)的行進(jìn)速度下，計量誤差小于靜態(tài)稱(chēng)重值 的 ±3%。

5.結語(yǔ)

在本系統中通過(guò)引入FFT和FIR濾波器進(jìn)行 數據采集和分析，并根據實(shí)際采樣波形，設計特 殊的數據處理方法，從而完成高速、高精度的數 據處理，獲得了令人滿(mǎn)意的結果。本動(dòng)態(tài)軸重秤系統先后已在廣州治超站、安徽治超站等投入使 用，從現場(chǎng)反饋信息看，所設計的動(dòng)態(tài)軸重衡系 統技術(shù)參數能達到：

在靜態(tài)模式下，誤差保持在20kg內；

在動(dòng)態(tài)模式下，車(chē)輛在30km/h左右的速度 通過(guò)時(shí)，誤差小于靜態(tài)時(shí)稱(chēng)重值的± 1 %(軸重和總 重)，遠遠優(yōu)于國家動(dòng)態(tài)地磅標準。