道路平整度檢測多源數據高精度同步采集

陳小宇，陳雪磊

（華中師范大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430079）

0 引言

隨著社會進步和經濟發展，我國的公路交通事業得到了極大的發展[1]。截止到2021 年末全國公路總里程達528.07 萬公里，比上年末增加8.26 萬公里[2-3]。隨著我國公路里程的逐年增長，道路檢測工作也變得日益繁重。平整度是評價路面質量及路面施工驗收中最重要的指標之一，占總體評價指標的15%～20%[4-5]。

早期國內主要使用3 米直尺法和精密水準儀對路面平整度進行檢測，但因其檢測速度慢、工作效率低以及在檢測過程中存在安全性等問題，難以滿足我國大規模、長里程的道路檢測需求。隨著科學技術的快速發展，我國的道路平整度檢測車憑借其使用方便、易于維護、檢測效率高等優點，在道路檢測領域得到廣泛使用。在平整度的檢測中，多傳感器數據高精度同步采集是需要解決的一個關鍵問題。現有道路平整度檢測系統大多使用高精度數據采集卡對多傳感器數據進行同步采集，此方案可以獲得較好的測量精度，但成本高、體積大，不能滿足我國大規模道路低成本的檢測需求。

本文針對路面平整度檢測中多傳感器數據同步采集的需求，旨在設計一種具有低噪聲、低成本、高集成度、抗干擾能力強、高采樣精度的道路平整度檢測多傳感器數據同步采集系統，以FPGA 為控制核心，TX2 為數據處理單元，采用A/D 采樣的方式完成多路傳感器數據的同步采集，同時為提高系統的抗干擾能力，加速度計和激光測距機輸出的模擬信號采用差分方式進行放大。

1 系統總體設計

本文采用模數轉換器同步采樣4 路傳感器信號，利用GPS 模塊產生的秒脈沖和NEMA 數據并結合板載的高穩晶振為系統建立高精度時間基準[6]。利用FPGA 的并行優勢實現4 路傳感器數據在時間上對齊[7]。并以英偉達公司的Jetson TX2 作為數據處理核心單元[8]，對數據進行同步采集和存儲。總體方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體框圖

A/D 模數轉換器的主要功能是把激光測距機、編碼器、PPS 秒脈沖、加速度計傳感器輸出的信號進行同步采樣和數字化，并通過數據串行接口傳輸到FPGA。

FPGA 按照程序設定的采樣率同步采集4 路傳感器數據并同時記錄采集時刻的時間，并通過USB 電路傳輸到TX2(工控機)。工控機通過串口發送開始和結束指令控制采集的開始和停止。

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片選型

選用Altera 公司生產的Cyclone V 系列FPGA 作為主控芯片，完成A/D 數據同步采集、指令控制、數據傳輸、協議解析、時間同步等任務。該芯片具有豐富的邏輯資源，滿足系統的設計要求。

2.2 ADC 選型及外圍電路

ADC 芯片采用ADI 公司的AD7768-4，此ADC 具有4 通道24 位同步采樣，在110.8 kHz 最大輸入帶寬下實現108 dB 動態范圍，具備±2 ppm INL、±50 μV 失調誤差和±30 ppm 增益誤差的典型性能，可以接收的差分電壓范圍是-4.096 V～+4.096 V。其主要功能是對加速度計、編碼器、秒脈沖和激光測距機輸出的信號進行同步采樣，并經過保持、量化和編碼把轉化后的數字信號經過ADC 內部的串行數據接口傳輸到FPGA[9]。為使ADC能夠正常采集4 個傳感器輸出的信號，在工作前需要對AD7768 進行配置。引腳配置模式可以確保器件在上電、復位或者電源故障時處于已知的工作狀態，本文選用引腳配置模式。ADC 外圍電路如圖2 所示。

圖2 ADC 外圍電路

2.3 信號調理電路

信號調理電路主要功能是對激光測距機、編碼器、PPS 秒脈沖、加速度計傳感器輸出的原始信號進行放大、濾波使其適合于模數轉換器的輸入量程。為了能夠發揮ADC 的最大接收量程范圍，本文需要對加速度計、編碼器、PPS 秒脈沖、激光測距機傳感器輸出的原始信號設計各自的信號調理電路。

2.3.1 加速度計信號調理電路

加速度計傳感器輸出的單端信號幅度為0.5 V～4.5 V，差分信號幅度為±4 V。滿足ADC 的量程范圍，調理電路放大倍數設計為1 倍。根據奈奎斯特采樣定律，當輸入被測信號頻率為fi時，為了完整對輸入信號進行采樣，采樣率fs必須大于2fi。當采樣率小于2fi時，為防止混疊現象的出現，信號在進入ADC 之前需要進行濾波處理，本文根據加速度計手冊推薦的截止頻率設計電路帶寬為13 kHz。加速度計信號調理電路如圖3 所示。

圖3 加速度計信號調理電路

2.3.2 激光測距機信號調理電路

采用加拿大LMI Technologies 公司的Gocator1350激光測距機。具體參數如表1 所示，輸出為4～20 mA 的電流信號，經過50 Ω 電阻轉化為200 mV～1 V 電壓信號。采用儀表放大器對電壓信號4 倍放大后接入ADC進行采樣。信號調理電路帶寬設計為1.05 kHz，電路如圖4 所示。

表1 激光測距機參數

圖4 激光測距機信號調理電路

2.3.3 編碼器和PPS 秒脈沖信號調理電路

編碼器和秒脈沖輸出的信號都是幅度為3.3 V 的單端信號，經過信號調理電路轉化為差分信號，然后傳輸到A/D輸入端進行采樣。信號調理電路的帶寬設計為43 kHz。編碼器和PPS 秒脈沖信號調理電路如圖5 所示。

圖5 編碼器和PPS 秒脈沖信號調理電路

2.4 A/D 與FPGA 接口電路

A/D 與FPGA 連接關系如圖6 所示。DRDY 為數據就緒引腳，當ADC 轉換數據完成后此引腳會輸出一個高電平。DCLK 為轉換數據時鐘引腳，作為數據輸出的時鐘。DOUT0～DOUT3 為轉換數據輸出引腳，用于將AD7768 轉 換后的32 位 數據 輸入 到FPGA。CS、SDI、SDO、SCLK 引腳為SPI 配置引腳，用于配置AD7768 工作模式，如抽取率、輸出數據速率、功耗模式和內部數字濾波器類型等。

圖6 A/D 與FPGA 接口電路

2.5 GPS 授時電路

GPS 授時電路功能是為系統提供精確的時間。本文選用u-blox 公司LEA-6R 型號芯片并結合板載高穩晶振為系統提供微秒級的時間精度。GPS 授時電路如圖7 所示。

圖7 GPS 授時電路

2.6 USB 傳輸電路

數據通過USB 從FPGA 傳輸到工控機。選用Cypress 公司CY7C68013 USB 控制器，該芯片內部集成USB2.0 協議，支持12 Mb/s 全速傳輸和480 Mb/s 高速傳輸，具有控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸4 種傳輸方式[10]，芯片內部還集成8051 內核的微控制器以及可編程的外設接口。USB 傳輸電路如圖8 所示。

圖8 USB 傳輸電路

3 系統軟件設計

3.1 FPGA 程序設計

多傳感器數據高精度同步采集FPGA 程序流程如圖9 所示，系統上電后首先進行初始化操作和高精度時間基準建立，等待接收來自工控機的開始采集指令。解析指令并按照程序設定的采樣率對數據采樣，同時記錄下采集時刻的時間。本系統要求的采樣率是4 kHz。FPGA 程序包括串口通信模塊、PC 指令解析模塊、GPS解碼模塊、高精度時間基準模塊、A/D 同步采集與數據融合模塊、USB 傳輸模塊等。

圖9 FPGA 程序流程圖

3.2 工控機程序設計

Linux 操作系統因其易于維護、可移植性強、代碼開源、定制方便等優勢在眾多領域得到廣泛應用[11]。本文以Ubuntu 系統為平臺，在工控機上搭建Qt 開發環境，接收FPGA 傳輸過來的數據。工控機接收程序框圖如圖10 所示，Qt 工控機接收程序主要分為采集線程和存儲線程。采集線程主要負責采集USB 上傳的數據，并將接收的數據寫入隊列中。存儲線程主要負責將隊列中的數據讀取出來并寫入到文件中。工控機通過串口發送開始指令，間隔一定的時間對USB 進行查詢，當檢測到USB 有數據時，按照時序完成數據的讀取。為了保證采集線程和存儲線程能夠正確、合理地使用公共資源，本文通過定義信號量來負責協調兩個線程。

圖10 工控機接收程序框圖

4 實驗結果與分析

4.1 電路仿真結果

由于篇幅有限，本文選取激光測距機信號調理電路進行仿真驗證。激光測距機信號調理電路仿真結果如圖11～圖13 所示，激光測距機輸出的電流信號經過電阻轉為200 mV～1 V 電壓信號，儀表放大器對電壓信號進行4 倍放大。圖11 為激光測距機信號調理電路仿真的幅頻特性曲線圖，從圖中可以看出電路的帶寬約為1.053 kHz，符合電路設計的帶寬要求。圖12 為激光測距機放大倍數仿真圖，圖中黑色信號為輸入的峰峰值為1 V 正弦波信號，灰色信號為輸出的峰峰值為4 V 正弦波信號，可見放大倍數為4 倍，滿足設計要求。圖13 為激光測距機信號調理電路的相頻特性曲線圖，信號的頻率小于1.053 kHz 時相位不發生改變。

圖11 激光測距機幅頻特性曲線

圖12 激光測距機放大倍數仿真圖

圖13 激光測距機相頻特性曲線

4.2 抗干擾仿真測試分析

為提高系統的干擾能力，A/D 同步采集板的模擬前端信號調理電路采用差分放大電路，為驗證其抗干擾能力，使用PSpice 電路仿真軟件進行測試。

在信號調理電路的兩個輸入端接入一個大小相等、極性相同的共模電壓信號（干擾信號）和一個大小相等、極性相反的差模電壓信號（被測信號），即：

接入共模信號的頻率為1 kHz，幅值為0.5 V，差分信號的頻率為1 kHz，幅值為1 V，在輸出端測得其差分電壓信號的幅值如圖14 所示，由圖可知，差分信號能夠被正常進行放大，共模信號被抑制。

綜上可知，使用差分方式進行信號放大能夠對外部干擾噪聲起到很強的抑制能力，滿足系統設計要求。

4.3 室內環境采集結果

表2 為在室內環境下測試的部分數據，主要包括時間信息、激光測距機傳感器、加速度計傳感器、編碼器和秒脈沖數據。其中時間信息的后三位代表微秒信息。本系統設置的采樣率為4 kHz，相鄰兩個數據之間的時間差為250 μs，靜態環境下功能測試正常，符合系統設計要求。

表2 室內實驗室采集數據

4.4 平整度重復性測試驗證

平整度重復性試驗是指在相同的試驗條件下對同一路段進行多次測量，比較多次測量的誤差是否在指標允許的范圍內，使用變異系數來評價道路平整度檢測系統檢測數據的穩定性和一致性，變異系數CV的計算公式如下：

選取武漢市東湖新技術開發區鳳凰山街500 m 長的路段，將安裝有道路平整度檢測裝置的檢測車以70 km/h的速度對路面進行10 次測量，并對每次測量的數據計算國際平整度指數IRI，平整度指數計算的區間為100 m，如表3 所示，道路平整度測試路段如圖15 所示。

表3 同車道10 次IRI 測量值 (m/km)

圖15 鳳凰山街測試路段

其中，xi表示第i次測量的值，xˉ表示n次測量的平均值，n表示測量次數，S表示n次測量的標準差，按照交通行業的檢測規定，變異系數要求小于5%。

由表3 可知，對鳳凰山街500 m 長的路段進行重復性測試，其變異系數都小于5%，滿足交通行業的檢測規定。證明本文設計的道路平整度檢測系統的穩定性和檢測結果的一致性滿足要求。

4.5 平整度對比測試驗證

使用本文設計的道路平整度檢測系統與武漢夕睿光電技術有限公司現有的平整度檢測系統進行對比測試，以驗證本文設計的道路平整度檢測系統的穩定性和抗干擾性。標準差(S)是用來描述數據值偏離算術平均值的程度，其數值越小，代表數據越集中，反之數據就越離散。本文使用標準差來衡量兩個平整度測量系統的穩定性。

選取武漢市江夏區錦繡大道500 m 長路段，分別使用本文設計的道路平整度檢測系統和武漢夕睿光電技術有限公司現有的道路平整度檢測系統對路面進行5 次測量并對測量的數據計算國際平整度指數IRI，如表4 和表5 所示，道路平整度測試路段如圖16 所示。

表4 現有平整度檢測系統 (m/km)

表5 本文設計平整度檢測系統 (m/km)

圖16 錦繡大道測試路段

選取錦繡大道500 m 長的路段使用本文設計的道路平整度檢測系統和現有的道路平整度檢測系統進行對比測試，由表4 和表5 可知，本文設計的平整度檢測系統標準差更小，系統工作更穩定，抗干擾能力也更強。

5 結論

本文以FPGA 作為主控芯片，TX2 為處理單元，設計了一種基于A/D 采樣的多傳感器數據高精度同步采集系統，實現了加速度計、秒脈沖、編碼器和激光測距機數據的同步。完成了信號調理電路的設計和FPGA 同步程序的編寫，并進行仿真和實際測試。實驗結果表明，該系統的時間同步精度可達微秒級，能夠有效地對路面平整度做出評價，可為有關部門對農村道路路面及時維護提供可靠的數據依據。該系統還具有數據采樣精度高、穩定性好、成本低、抗干擾能力強等優點。