貨運車輛車載動態稱重的同步采集系統

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(成都信息工程大學 通信工程學院，成都 610225)

引 言

近年來，隨著我國經濟發展的需要，道路交通迎來了迅猛發展的機會，但是道路安全形勢依然嚴峻，而大型貨運車輛是影響道路安全的主要因素[1]。貨運車輛的重量監測對道路安全十分重要。車輛動態稱重(Weigh-In-Motion，WIM)發展已久，目前車輛的動態稱重主要是基于軸重檢測，讓車輛通過軸重稱重平臺，達到動態稱重的目的[2]，關于車輛動態稱重的濾波算法也逐步深入[3-4]。

另外，貨運車主也非常關心自己貨物在運輸途中是否有丟失。車載動態稱重是另一種車輛動態稱重的方式，將稱重傳感器安裝于車上，結合動態稱重的濾波算法，通過本地組網以及物聯網技術使得貨運車主、貨運公司以及交管部門都能實時監測到該貨車的載荷情況，可以提高貨運車輛稱重的高效性以及運輸過程的透明性。

汽車懸架是汽車連接車架與車軸的裝置，起著傳力、緩沖的作用[5]。目前，國內載貨汽車的前后懸架仍廣泛使用鋼板彈簧懸架系統，因此可根據鋼板彈簧懸架系統的形變量來獲得其所承受的載荷量[6]。

鋼板彈簧位于貨車的不同部位，對于大型載荷貨車而言，它們之間的距離就相差更大。為了靈活地對各個鋼板彈簧形變進行檢測，我們使用多個采集器對不同位置的鋼板彈簧做形變檢測，檢測的結果將返回。涉及到多機通信，需要對鏈路進行控制，以保證數據的正常傳輸。采集系統為一主多從結構，RS485的下行支路(主機到從機)由單臺主機控制，不會產生鏈路沖突，所以需要對上行支路進行通信控制。本文介紹基于鋼板彈簧形變檢測的稱重傳感器設計和基于RS485的分時通信方案，并由二者構建出動態稱重的同步采集系統。

1 系統總體設計

系統由采集器、RS485通信模塊以及上位機部分組成。采集器以STM8單片機為核心，負責A/D轉換控制，并可以進行簡單濾波預處理。每一個采集器負責一塊鋼板彈簧形變值采集，可以方便地對不同位置的鋼板彈簧懸架做不同的濾波預處理和載荷分析，以提高動態稱重算法的靈活性。上位機由STM32單片機或PC機構成，是通信系統的主機，負責協調各采集器的工作。

實現同步采集，通信是至關重要的一部分。通過制定相應通信協議，并對上行支路采用時分復用的思想進行控制，使得采集系統做到同步采集、分時傳送功能。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 主要硬件設計

2.1 應變式傳感器設計

圖2 惠斯登恒壓電橋

鋼板彈簧中的一固定小段的長度l變化與車輛的載重成線性關系，因此，可以通過檢測l變化得到車輛的載重信息[7]。應變式壓力傳感器是一種傳感裝置，是利用彈性敏感元件和應變計將被測壓力轉換為相應電阻值變化的壓力傳感器[8]。本文選用箔式應變片制作稱重傳感器，它具有較高的測量精度和較寬的線性范圍。當應變片受力發生變形時，則促使箔式電阻阻值發生變化，通過測量電路將此阻值的變化轉換成電壓變化，并由A/D采集器獲取該變化。惠斯登恒壓電橋是構成應變式傳感器的常用測量電路[9]，電橋原理圖見圖2。圖中R1、R2、R3、R4使用高精度箔式電阻應變片，組成全橋式等臂電橋。

應變式傳感器的設計應盡量減少自身的不穩定因素帶來的誤差。引起應變傳感器誤差的因素有電橋不平衡、零點偏移，參考文獻[8]介紹了在橋臂上串聯溫度系數極低的錳銅絲來補償因電橋中應變電阻阻值不同帶來的電橋不平衡，串聯溫度系數大且很穩定的銅絲來補償零點漂移。補償電路如圖3所示。R1、R2、R3、R4為應變電阻，Rt為電橋平衡電阻，Rs為零點補償電阻。

圖3 補償后電路

鋼板彈簧模型圖如圖4所示，由參考文獻[3]可知道，1處為鋼板彈簧主應變區。為了使應變片形變反映鋼板彈簧的垂直主應力，將應變片貼于1處，使其形變方向與鋼板彈簧主形變方向平行。

圖4 汽車鋼板彈簧結構示意圖

2.2 STM8單片機硬件系統設計

為了方便對每個鋼板彈簧的A/D采樣值進行濾波預處理，并提高系統的靈活性，采用分布式采集系統，一個單片機負責一個鋼板彈簧的形變量采集。采集系統以價格低廉、功耗低的STM8單片機為控制核心。

采用HX711芯片作為模數轉換器，該芯片為24位高精度A/D轉換芯片，內部實現低噪聲放大器，能同步抑制50～60 Hz 的電源干擾，通過片內穩壓電路可直接向外部傳感器和芯片內A/D 轉換器提供電源[10]。芯片采用I2C的方式與單片機相連接，使用E+、E-作為外部傳感器供電接口，使用A+、A-作為A/D采集接口，芯片外接電路如圖5所示。

圖5 HX711電路連接圖

系統采用RS485接口組成半雙工網絡。系統接線圖如圖6所示，其中R為匹配電阻。

圖6 系統網絡連接圖

3 通信方案

3.1 RS485的時分復用方案

時分復用(TDM)是采用同一物理連接的不同時段來傳輸不同的信號，也能達到多路傳輸的目的[11]。系統借用TDM的思想，對RS485的上行鏈路進行時分控制，通信開始之前，主機設定一個通信周期T，在通信周期T內設定若干時間節點Tn，每個從機有一個不同的時間節點，從機只有在自己的時間節點到來時才能發送數據。

設計只定義允許發送的時間節點Tn，不定義結束的時間，并且只允許從機在Tn到來時開始發送數據，這就要求每個時間節點間留有足夠的時間間隔，既可以保證在該時間間隔內能完成一次通信，也能避免因為低速單片機時間同步誤差帶來的通信沖突。這種方法比較適用于通信規模小、實時性要求低的組網中。時間節點法分時通信規則見圖7。

圖7 分時傳輸描述圖

圖中，T0到Tn為時間節點，表示一個時刻相鄰兩個時間節點間為一時間間隔，所有時間間隔之和為一個通信周期T。

3.2 RS485時間同步程序設計

分時傳輸的前提是對各通信機進行時間同步，在通信之前，需要進行時間同步，具體實現步驟如下：

時間同步由主機發起，在多機通信之前，主機確定通信周期T和時間間隔Ti，并指定通信間隔系數n，之后主機通過廣播將這些數據發送給所有從機。各從機收到該時間同步數據幀后，便立即讀取時間同步的參數，響應時間同步，并且計算自己允許發送數據的時間節點Tn，Tn計算公式如下，其中m為該從機的本地MAC地址號。

(1)

參數獲取并計算完畢后，單片機立即啟動μs定時器，定時周期為T，本機允許發送的時間節點為Tn。當自己的時間節點Tn到來時，從機允許發送數據。從機響應時間同流程圖如圖8所示。

3.3 通信協議

3.3.1 數據幀格式定義

數據幀由幀頭、幀尾、源地址與源地址、功能選項以及承載功能選項具體細節的功能單元組成。數據幀格式的具體信息如表1所列。

表1 數據幀格式定義

本設計中MAC地址域為0～16，0表示主機地址，16表示廣播地址。功能選項的具體內容如表2所列。

表2 功能選項

圖8 從機響應時間同步流程圖

功能碼01只能通過廣播發送，用于時間同步。通信系統在時間同步后才能運行。當功能碼為01時，功能單元承載時間周期T和時間節點間隔系數Ti,等待且在時間同步完成后，從機將在自己的時間節點上回送一個同步完成的數據幀。功能碼為02時，表示立即采集并轉換A/D數據。功能碼為03時，采集器采集并轉換數據，并且需要數據的回送，數據回送過程的沖突避免見第4.1節。功能碼04用于單播輪詢的時候。

3.3.2 通信程序設計

當主機程序需要獲取從機的采集數據時，可能出現通信線路或是從機未響應等情況導致的數據獲取失敗問題。為了解決該問題，主機采用循環發送的方式，直到收到所有預定從機的數據，這種方式適用于功能碼為01、03和04這些有返回值的數據幀發送情況，當經過一定次數的發送仍然不能收到回送結果，則報告出錯。當然，必須得保證每次發送數據的時間間隔足夠長。

當多機同時進行通信時，從機的數據發送必須嚴格按照第3.1節中的通信規則。該規則的實現主要使用單片機的定時器來完成，當單片機收到時間同步數據后便修改定時參數T和Tn，并啟動定時器。定時器中斷觸發時間為10 μs，使用軟件的方式進行一個周期T的定時，即引入變量t，每次定時中斷后t自加，t每加1相當于經過10個μs，通過判斷t的大小來判斷時間是否到達Tn，以及定時是否滿一個周期。用T_FLAG來表示發送允許位，單片機需要發送數據時需要檢測T_FLAG狀態。從機數據發送流程見圖9。

圖9 從機發送數據流程圖

4 采集器程序設計

4.1 A/D采集控制程序

HX711初始化后，將數據線和用于控制數據接收的CLK信號電平拉低以保證數據正確接收，然后轉換數據。數據的接收由CLK控制，在數據和CLK被主動拉低之后，每發送一次CLK的高電平信號，便讀取1次DOUT位數據，當收到24個DOUT電平后，開始轉換數據，這樣電壓增益為128。之后將轉換后的數據返回，完成A/D的這一次采集工作，繼續等待下次單片機的調用。

4.2 采集器主程序

STM8單片機作為通信系統的從機，一直監聽鏈路等待主機的命令，STM8單片機正確收到主機發來的數據后，通過查閱數據幀中的功能選項判斷主機的意圖，具體功能選項見表2。根據功能選項調用相應的子程序進行處理，程序主流程如圖10所示。

圖10 采集器主程序流程圖

5 測試及實驗結果

通過對貨車模型進行等重加載實驗來測試同步采集器，測試主機使用PC機，PC機端使用本次設計的通信協議的上位機程序。

測試過程進行了180次連續加重，每次加重后由PC發起采集命令，之后PC記錄各采集器傳來的A/D轉換數據。測試完成后將各采集的數據進行曲線繪制，繪制結果如圖11所示。圖表橫坐標為載荷值，縱坐標為PC機收到的采集器處理后的A/D轉換值。

圖11 數據結果曲線圖

由上圖可以看出，4個采集器傳來的數據均在曲線附近，并且幾乎成線性，這與應變式傳感器的物理特性[12]基本一致。每次測試都完整收到4個從機的數據，曲線沒有出現大的跳變，說明測試過程中通信系統是穩定的，同步采集任務成功。

結 語

參考文獻

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