汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的設計

劉美靈

摘 要： 當前的汽車超載監(jiān)測系統(tǒng)無法處理汽車行駛狀態(tài)的隨機性問題，使得系統(tǒng)中的信號傳輸模塊存在信號傳輸穩(wěn)定性差和準確率低的弊端。因此，塑造汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊，模塊中供電電路、信號傳輸芯片、定位天線、傳輸天線和信號傳輸接口電路共同協(xié)作。供電電路為模塊提供其正常工作電量。信號傳輸芯片進行汽車超載監(jiān)控信號的收發(fā)和整流工作，經其整流后的監(jiān)控信號將傳輸到定位天線、傳輸天線和信號傳輸接口電路。模塊通過定位天線和傳輸天線獲取汽車超載監(jiān)控信號的位置，并將監(jiān)控信號通過無線網絡傳輸到使用者的特定設備中。使用者利用信號傳輸接口電路修改錯誤監(jiān)控信號，完成對汽車超載情況的有效管理。軟件給出監(jiān)控信號傳輸流程圖和模塊的初始化語言。實驗結果表明所設計的模塊擁有較高的傳輸穩(wěn)定性和傳輸準確率。

關鍵詞： 汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)； 信號傳輸模塊； 無線網絡傳輸； GE864?AUTO

中圖分類號： TN948.64?34； U49 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0136?04

Design of signal transmission module for auto overload monitoring system

LIU Meiling

（Automobile School， Zhejiang Institute of Communications， Hangzhou 311112， China）

Abstract： Since the current auto overload monitoring system is unable to deal with the randomness problem of the auto driving state， and makes the signal transmission module in the system exist the disadvantages of poor signal transmission stability and low accuracy， the signal transmission module for the overload monitoring system was constructed. The power supply circuit， signal transmission chip， positioning antenna， transmission antenna and signal transmission interface circuit are cooperated with each other in the module. The power supply circuit supplies the module with electric energy for normal operation. The signal transmission chip receives， sends and rectifies the auto overload monitoring signal， and then transmits the rectified signal to the positioning antenna， transmission antenna and signal transmission interface circuit. The module acquires the location of the auto overload monitoring signal by means of the positioning antenna and transmission antenna， and transmit the monitoring signal to the user's specific device through the wireless network transmission. The signal transmission interface circuit is adopted by the user to modify the wrong monitoring signal to manage the auto overload condition effectively. The transmission flow chart of the monitoring signal and initialization language of the module are given in the third paragraph. The experimental result shows that the module has high transmission stability and accuracy.

Keywords： auto overload monitoring system； signal transmission module； wireless network transmission； GE864?AUTO

0 引 言

隨著交通運輸業(yè)的不斷壯大，我國政府對汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)的信號傳輸水平也越來越重視[1?4]。由于汽車行駛狀態(tài)的隨機性較強，導致以往研究的汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的傳輸水平無法滿足使用者需求，其傳輸穩(wěn)定性和傳輸準確率均較低[5?6]。因此，如何實現(xiàn)汽車超載監(jiān)控信號的穩(wěn)定、準確傳輸，進而為使用者提供高水準的傳輸服務，是近年來交通運輸業(yè)的重點關注項目。以往研究的汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊均存在一定的問題，如文獻[7]提出基于OpenCV的汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊，其信號傳輸過程為：將通過汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)的汽車拍照并上傳至信號傳輸模塊，利用OpenCV數據庫分析出汽車是否超載。該模塊的傳輸準確率高，傳輸穩(wěn)定性卻有待增強。文獻[8]提出遠程控制汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊，該模塊基于CDMA傳輸技術，將整個系統(tǒng)的汽車超載監(jiān)控信號傳輸到主機的CPU中進行統(tǒng)一處理和傳輸，其能夠準確識別出各類汽車型號，傳輸準確率較高且抗干擾能力極強。但CDMA的傳輸會占用較多的信道，導致整個模塊的傳輸穩(wěn)定性欠佳。

為了解決以上問題，塑造高穩(wěn)定性的汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊。實驗結果表明，該模塊能夠實現(xiàn)汽車超載監(jiān)控信號的穩(wěn)定、準確傳輸，進而為使用者提供更高水準的傳輸服務。

1 汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊設計

汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊選用無線網絡傳輸的方式，實現(xiàn)信號傳輸模塊對汽車超載的有效傳輸。該模塊由供電電路、信號傳輸芯片、定位天線、傳輸天線和信號傳輸接口電路組成。當系統(tǒng)與無線網絡成功連接后，信號傳輸芯片便開始進行汽車超載監(jiān)控信號的收發(fā)工作，以及電路的整流工作。信號傳輸模塊利用定位天線和傳輸天線，為使用者傳輸汽車超載的監(jiān)控信號，同時，使用者可以通過信號傳輸接口電路修改錯誤監(jiān)控信號，實現(xiàn)汽車超載的及時監(jiān)控。

1.1 供電電路設計

供電電路采用10 V和3 V兩種電源為汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊供電。當信號傳輸模塊中有超出60%的電路元件同時工作時，汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)選用10 V電源為信號傳輸模塊供電；反之，則選擇3 V電源。圖1為供電電路示意圖。

由圖1可知，10 V電源與3 V電源的轉換工作經由跳線完成，跳線同時具有保護電路的作用。由于汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的傳輸方式是無線網絡傳輸，而無線網絡傳輸中的信號是不連續(xù)的，導致系統(tǒng)監(jiān)控信號進入到系統(tǒng)電路所產生的電流值波動較大。為此，系統(tǒng)在供電電路中加入了二極管以及不同規(guī)格的電容，以避免電流波動造成電源兩級掉換損傷電路元件。

1.2 信號傳輸芯片設計

信號傳輸芯片是汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的核心，其管理著信號傳輸模塊的信號收發(fā)和整個模塊電路的整流工作，是信號傳輸模塊同汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)中其他模塊的連接“紐帶”。信號傳輸芯片的選取應首要考慮其安全性和傳輸性能，并兼顧其穩(wěn)定性。根據以上條件，選擇GE864?AUTO車載芯片作為汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的信號傳輸芯片。GE864?AUTO車載芯片擁有較高的安全性和傳輸效率，可進行監(jiān)控信號的自動讀取和管理，且其穩(wěn)定性和靈敏度均符合汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的需求。圖2是GE864?AUTO車載芯片內部電路示意圖。

圖2中，GE864?AUTO車載芯片的核心是單量子阱晶體管。單量子阱晶體管是基于量子阱結構的固態(tài)半導體元件，該元件能夠進行信號波長的合理調控，并增強汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊對監(jiān)控信號的感應能力。單量子阱晶體管的開關對電流信號異常敏感，一旦GE864?AUTO車載芯片中有電流流入，單量子阱晶體管便立刻開始進行監(jiān)控信號的整流工作。待整流工作結束后，GE864?AUTO車載芯片將整流后的監(jiān)控信號傳輸到天線和信號傳輸接口電路。

1.3 定位天線和傳輸天線設計

天線是汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊不可獲取的元件，其能夠感應到信號傳輸芯片傳出的所有無線信號。為方便汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)的后期優(yōu)化工作，信號傳輸模塊采用雙天線設計，即定位天線和傳輸天線。

定位天線能夠獲取其感應到的監(jiān)控信號的具體位置，這對汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊有著重要意義，可以幫助排除汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的錯誤信號，改善系統(tǒng)和模塊的性能。所選取的定位天線的頻率為1 600 MHz，其信號放大范圍為[25 dB，30 dB]，供電電壓范圍為DC[3 V，5 V]；傳輸天線能夠將經信號傳輸芯片整流后的監(jiān)控信號以無線網絡的方式發(fā)送到使用者的特定設備中。所選取的傳輸天線能夠承受高于2 A的輸入電流，其電壓駐波率不高于10%，阻抗為50 Ω。圖3是定位天線和傳輸天線的內部電路圖。

由圖3可知，為防止汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊在傳輸工作中信號被篡改的情況，系統(tǒng)為傳輸天線設置了pin碼，pin碼相當于傳輸密碼，只有擁有該密碼，使用者才能調用汽車超載的監(jiān)控信號。在定位天線和傳輸天線的安裝中，應保證其線路連接筆直且短小，且電源接地端不能夠有任何損壞。同時，由于定位天線和傳輸天線的傳輸制式相近，故兩者的位置不可以相距過近且不能安裝在彼此的正前方。安裝完畢后，應利用金屬物品分別遮蔽定位天線和傳輸天線，以排除汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)中其他電路元件對天線信號造成干擾。使用者也應盡量避免靠近工作狀態(tài)下的天線。

1.4 信號傳輸接口電路設計

如果使用者需要進行汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控信號的修改，則需要先通過信號傳輸接口獲取整個汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的工作信號，并獲取到傳輸天線的pin碼，才可以修改監(jiān)控信號。圖4是信號傳輸接口電路工作原理圖。

由圖4可知，信號傳輸接口電路與GE864?AUTO車載芯片直接相連，以方便接收整流后的監(jiān)控信號。信號輸入到信號傳輸接口電路后，會進行電平轉換操作。電平轉換操作將輸入信號的電壓值轉換成使用者設備能夠利用的電壓值，該轉換過程需要提前設置外圍設備的額定電壓參數。經電平轉換后的電壓會輸出到接口并傳輸到使用者的外圍設備中。使用者也可以在信號傳輸接口電路中添加指令，以根據自身需求更改汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的信號傳輸方式。

2 汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊軟件設計

汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊選用無線網絡傳輸的方式，實現(xiàn)信號傳輸模塊對汽車超載的有效傳輸，其信號傳輸流程圖如圖5所示。由圖5可知，汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的信號傳輸流程為：當信號傳輸模塊接收到汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)其他模塊傳輸來的監(jiān)控信號后，會先建立傳輸任務。傳輸任務中包含監(jiān)控信號的接收單位、接收方式、接收格式等。使用者自行設計傳輸指令，當傳輸任務接收到的傳輸指令為“發(fā)送”時，軟件開始進行汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的初始化；否則，重新建立傳輸任務，等待指令。信號傳輸模塊初始化后，進入監(jiān)控信號的處理工作，即利用信號傳輸芯片對其進行整流，排除干擾信號。確認干擾信號已排除，便可開始為使用者傳輸監(jiān)控信號；否則，重新進行整流工作。

圖5中，軟件給出的汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊初始化語言為：

if（signal！=0xFC）

{

Set GE864?AUTO（0x12，all_OCTET，0x20，0xfc）；

%在地址為0x12的信號中寫入地址為0x20的參數，并給定 GE864?AUTO芯片工作時間參數

transmission GE864?AUTO（0x33，0x28）；

%將需要初始化的模塊地址傳輸，便于進行信號處理工作

fetch GE864?AUTO（0x33，signal）；

%讀取信號內容，并將該內容納入到原始信號中

}

signal=0x00；

在進行汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的初始化操作中，軟件給出的讀取和寫入地址是不同的，在實際應用中應重點加以區(qū)分。

3 實 驗

本文設計汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的初衷是：實現(xiàn)汽車超載監(jiān)控信號的穩(wěn)定、準確傳輸，進而為使用者提供高水準的傳輸服務。為了驗證本文所設計的信號傳輸模塊能否滿足設計初衷，進行實驗。

3.1 傳輸穩(wěn)定性驗證

為驗證本文設計的汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊擁有較高的傳輸穩(wěn)定性，實驗在相同的道路狀況和天氣下，使用同一輛汽車分別以低速和高速通過汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)的稱重端，并記錄下本文模塊的輸出信號。圖6是汽車低速通過稱重端的輸出信號曲線，圖7是汽車高速通過稱重端的輸出信號曲線。

由圖6和圖7可知，汽車行駛速度不同，單位時間內通過汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)稱重端的采樣點數量就不同，圖6和圖7中輸出信號的波動周期不同。為此，利用求取多采樣點輸出信號平均值的方式獲取汽車是否超載的最終信號，則圖6和圖7中曲線平均值的差值越小，證明本文模塊的穩(wěn)定性越高。圖6中輸出信號曲線的平均值為2.346 t，圖7中輸出信號曲線的平均值為2.341 t，兩者相差0.005 t，驗證了本文模塊擁有較高的傳輸穩(wěn)定性。

3.2 傳輸準確率驗證

為驗證本文設計的汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊擁有較高的傳輸準確率，實驗在相同的道路狀況和天氣下，選取5輛實際凈重分別為1.0 t，1.5 t，2.0 t，2.5 t和3.0 t的汽車，以隨機的車速依次通過汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)的稱重端，記錄下每輛車輸出重量的平均值。用每輛車的實際凈重和輸出重量的平均值中的較大數值除以較小數值，即可得出本文模塊的傳輸誤差。其傳輸誤差越小，模塊的傳輸準確率就越高。表1是本文模塊傳輸誤差統(tǒng)計表。規(guī)定汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊的傳輸誤差率應不高于2%。由表1可知，本文模塊傳輸誤差率的平均值為0.98%，遠低于所規(guī)定的標準，驗證了本文模塊擁有較高的傳輸準確率。

4 結 論

本文設計汽車超載監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸模塊，模塊中供電電路、信號傳輸芯片、定位天線、傳輸天線和信號傳輸接口電路共同協(xié)作。供電電路為模塊提供其正常工作電量。信號傳輸芯片進行汽車超載監(jiān)控信號的收發(fā)和整流工作，經其整流后的監(jiān)控信號將傳輸到定位天線、傳輸天線和信號傳輸接口電路。模塊通過定位天線和傳輸天線獲取汽車超載監(jiān)控信號的位置，并將監(jiān)控信號通過無線網絡傳輸到使用者的特定設備中。使用者利用信號傳輸接口電路修改錯誤監(jiān)控信號，完成對汽車超載情況的有效管理。軟件給出監(jiān)控信號傳輸流程圖和模塊的初始化語言。實驗結果表明，所設計的模塊擁有較高的傳輸穩(wěn)定性和傳輸準確率。

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