学士学位论文-公路车辆超载检测系统的研究

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）PAGEI目录17548摘要 110957Abstract 227963目录 34304第1章绪论 5179521.1课题背景 5255881.2动态称重概述 5141741.2.1车辆动态称重技术的回顾 6173771.2.2车辆动态称重产品的发展历史 786431.2.3车辆动态称重技术的国内发展展望 8304161.3车牌识别系统概述 91901.4本文主要工作 92084第2章称重系统的构成及算法 102732.1工作平台简述 10114822.1.1整车识别 10230422.1.2轮轴识别与车速度检测 1293312.2称重模型建立 14258752.2.1力学模型 14169702.2.2测量系统的传递函数 1642392.2.3传递函数离散化 16272482.2.4信号分析及算法 17275022.3本章小结 1826240第3章系统硬件设计 19157053.1系统概述 19230553.2数据采集与处理模块 19296583.2.1TMS320DM642概述 2070753.2.2网络接口 20138173.2.3ATA硬盘 2277653.2.4实时时钟 23148063.3传感器 23147283.3.1传感器的选择 2351213.3.2光纤压力传感器原理 24182713.4数模转换器 25139793.5控制模块 2561013.5.1PXA270核心板 25180603.5.2触摸屏接口 26260213.5.3IDE电路 26243983.5.4USB概述 2790623.6ARM与DSP接口设计 27251133.7本章小结 2727264第4章软件设计与试验结果分析 2849854.1系统工作流程 28253274.2信息管理系统 2988574.3称重模块软件 29291624.4称重算法试验结果 30204124.4.1动载质量标准 30120034.4.2试验结果及分析 30214464.4.3称重系统的静态标定 31229174.5本章小结 3130912结论 328341致谢 335047参考文献 3418656附录 36第1章绪论1.1课题背景近年来，我国道路运输车辆超限超载现象极为普遍，在严重的地区，几乎所有的货运车辆都存在不同程度的超限超载行为。2000年以来，有关部门和地方先后开展了一系列治理工作，取得了一定成效，但由于超限超载涉及面广，治理难度大，加之利益驱动，特别是源头问题没有得到有效解决，使超限超载成为一个“顽症”，有“愈演愈烈”之势。车辆超限超载运输对交通安全、运输市场、车辆生产秩序及路桥基础设施造成极大危害。一是诱发了大量道路交通安全事故；据统计，70％的道路安全事故是由于车辆超限超载引发的，50％的群死群伤性重特大道路交通事故与超限超载有直接关系，车辆超限超载运输给人民生命财产造成了巨大损失。二是严重损坏了路桥基础设施；超限超载车辆的荷载远远超过了公路和桥梁的设计承受荷载，致使路面损坏、桥梁断裂。正常使用年限大大缩短，不得不提前大中修。全国公路每年因车辆超限超载造成的损失超过300亿元，给国家财产造成了巨额损失。三是导致了道路运输市场的恶性竞争；以竞相压价承揽货源，以超限超载来获取利润，超载越多，赚的越多，形成了“压价——超限超载——运力过剩——再超限超载”的恶性循环，正常使用年限在10年左右的货运车辆2~3年后即破旧不堪[1]。四是造成车辆“大吨小标”泛滥；为迎合车辆超限超载运输的需求，一些车辆生产厂商竞相生产“大吨小标”汽车，一些车辆改装厂和修理厂也纷纷非法改装车辆，影响了汽车工业的健康发展。上述问题说明，车辆超限超载运输造成道路运输市场扭曲，诚信水准下降，严重损害了统一开放、竞争有序的市场秩序，阻碍了现代道路运输市场体系的建立和完善，破坏了正常的社会经济秩序，也严重危及国家和人民的生命财产安全。道路运输车辆超限超载的危害性，引起了党中央、国务院的高度重视[2]。发达国家在公路骨干网上普遍设立了检测设备，对超限现象实施严格管理。目前在全国超限超载治理工作中需要大量的检测设备，而装有检测设备的高等级公路匝道或收费站却不多，车辆是否超载主要由交通管理人员凭经验判断，由于缺乏科学性，给管理部门的严格执法带来困难。或者采用大型地磅秤作为计量设备而造成车辆排队等候称量，使交通堵塞，因此目前路政管理部门需要一种动态称重系统来规范公路车辆货重检测，从而抑制日益严重的超载现象。1.2动态称重概述动态称重简称为WIM(weigh-in-motion)，是指汽车在运动状态下称出汽车的重量。与停车状态下的静态称重相比，动态称重的主要优点是节省时间、效率高，使得称重不至于造成对正常交通的干扰，对公路建设与管理有着极为重要的意义，同时对实现交通运输管理的现代化也有着巨大的促进作用。但另一方面，静态称重时车辆平稳地作用在称重仪上，除汽车的真实重量外无其他任何干扰，因此容易实现高精度测量。而动态称重时除汽车的真实重量外还有其他许多因素，如汽车结构及载荷状况、车辆行驶状态、路面状况等会产生干扰，严重影响测量结果，对实现高精度的动态称重造成很大困难。目前汽车动态称重系统已经在一些发达国家，如美国、德国、日本等得到广泛应用，其中德国PAT公司生产的产品精度已达±3％，而国内在这方面研究的起步比较晚，目前产品的平均误差从±5％到±30％不等[3][4]。1.2.1车辆动态称重技术的回顾为了抑制车辆超载给道路设施造成损害，国外从20世纪50年代后期就开始对车辆超载检测技术进行研究，到20世纪90年代基本上形成了成熟产品，产品也由静态的整车测量发展到了动态的轴重检测，这就是人们熟知的动态称重WIM技术。在过去几十年的动态称重技术研究中，在如何保持检测精度的前提下提高车辆通过速度一直是各研究机构所致力解决的问题，不懈的努力使动态称重技术已经得到了很大的发展，综述国内外资料，目前动态称重方法主要有以下几种。ADV法、DV法、V法该类方法是20世纪80年代的日本小野敏郎为解决动态称重问题所提出来的，其测量思路主要是同时或单独测量重物移动的位移、速度和加速度，然后用直接方法或数值积分方法来求解称重过程的微分方程以获得力值。这类方法有些是因需同时使用多种不同类型传感器而难以实现[5][6][7]，有些虽然只使用同类传感器，但由于采用积分方法因而准确度较差，且往往只适用于噪声很小的场合。位移积分法该方法是目前国内多个科研单位主要采用的方法[8]。也是ADV法、DV法、V法的一种沿袭。其原理大致是：将称重系统的输出信号对一小段位移L1。沿其长度L方向积分。L1的两端通过对称重系统各传感器的输出信号进行比较而定，如图1-1所示。动态分量在积分区间被平均，使车辆振动造成的干扰影响较小，因此精度相对也较高，但这需要较长的数据才能保证精度，这也是目前动态称重系统当提高车辆通过速度时，测量精度无法保证的原因所在。补偿法该方法主要是针对传感器的响应速度慢和超调量大，在很大程度上限制了动态称重速度和准确度的提高的缺点，从而提出通过设计补偿元件，在比“称重传感器稳定时间”更短的时间里完成测量，因此动态称重装置主要由称重传感器和动态补偿元件组成。专家系统该方法主要是引入知识模型而构成专家系统。即把优秀称重测力专家的思维过程固化到测量程序中，并与计算机修正程序结合起来，进而提高计量仪器的测试能力和故障检测能力。参数估计法该方法主要是把动态测量作为一个参数估计和预测问题来处理[9]，即首先根据有关称重测力系统的先验知识，推导出一个含有未知参数的模型，然后用该模型去拟合称重测力过程的输出信号，从而获得最小平方误差意义上的参数估计。由于被测重量或力值可以看成是称重测力过程的终值，因此它们可以用模型参数进行估计或预测。神经网络该方法主要是基于并行技术的思想，以神经网络技术为控制核心，采取多因素协调，将检测过程中对影响称重精度和限制车辆通过速度起主导作用的因素作为训练样本[10]，通过训练获得较好的网络模型，再根据该模型和网络输入数据得出车重，并期望提高检测精度。目前来看，利用数学模型的称重检测方法是比较有前途的，绝大多数称重系统基本上是具有二阶（或准二阶）传递特性的系统，假如称重系统采用二阶的自回归滑动模型ARMA，再借助于这个模型和递推的最小二乘法RLS即可由极短的称重阶跃响应估计出模型参数和被称重量。在现有的车辆动态称重系统中，为了提高检测精度，信号的测量往往是在衰减到一定程度并稳定后才进行，这就大大限制了车辆通过速度。1.2.2车辆动态称重产品的发展历史在20世纪，许多国家的道路运输普遍存在超载现象，据调查，德国大型载货车辆中超载车辆数量达到50％，日本达到20％，美国达到40％~60％。为了避免超载车辆对公路造成早期破坏，欧共体成员国和美国、日本、加拿大等国在20世纪50年代就开始对车辆动态称重系统进行研究并取得了相应的成果[11]。20世纪50年代末，美国开始对WIM系统进行研究。20世纪60年代末，西德的PAT公司开始对平板式车辆动态称重器进行研究[12]。1974年，美国首次在车辆载荷研究中使用WIM系统；同年法国取得了一项压电缆动态车辆称重器的专利，即Vibracoax。20世纪80年代中期，美国各大州开始推广安装WIM系统。1988年英国研制了一种性能优于Vibracoax的新型压电称重传感器Vibetek5。1991年改型为Vibetek20。1992年，由欧洲高速公路系统研究实验室联盟(FEHRI)发起，按照欧盟运输委员会(ECTD)的程序框架进行了COST323计划。该计划主要内容就是研究对公路行驶车辆进行动态载荷监控的相关问题，其中最重要的一项测试是在瑞士进行的为期30个月的WIM系统实际应用测试。1994年，欧盟开始进行WAVE(WeighinginmotionofAxleandVehiclesforEurope)计划—从1997年6月到1998年6月在瑞典气候寒冷条件下进行产品系统测试，即著名的CET(ColdEnvironmentTest)测试。结果表明德国PAT、瑞士Kistler、美国Mikros等公司的产品在测量性能方面处于领先水平。2000年ITS年会上展出了一种由美国MSI公司开发的共聚物压电轴传感器，可以同时测量车速、车轴数、轴距并进行车型分类和动态称重[13]。国内的超载现象在某些省份特别严重，尤其是存在矿产资源的地区[14]。我国在不同时期对超载现象提出过相应的管理措施：1987年国务院颁布了《中华人民共和国公路管理条例》，1988年交通部颁布了《中华人民共和国公路管理实施细则》，2000年交通部颁布了《超限运输车辆行驶公路管理规定》，2003年底温家宝总理在交通部上报的《关于加强车辆超限超载治理工作的报告》上签署意见，2004年实施了《关于在全国开展车辆超限超载治理工作的实施方案》。伴随着国家法规的不断颁布，国内有关科研机构一直未停止过对车辆超载检测技术的研究，其中也包括引进国外技术。我国“七五”期间开始引进和消化国外动态称重系统，同时也开始对动态称重系统进行研制。但引进产品都属于国外换代产品，主要问题有：适应速度范围小（低速范围），测量精度不高，传感器过于庞大，安装施工及维护不便。20世纪80年代出现了电子汽车衡，它包括带基坑和无基坑两种，带基坑的电子车辆衡对道路破坏较大。1994年一种动、静态两用电子轨道衡在太原钢铁公司通过了鉴定，该产品集动态和静态轨道衡的优点于一身，较好地解决了检测精度与车辆通过速度之间的矛盾。作为国家“八五”期间重点科技项目，交通部重庆公路科学研究所研制了一种固定式动态车辆称重系统，该系统由一套称重传感器和一台电子测量仪器构成，每车道布置两只传感器，每台仪器可测量1~4个车道，轴重误差小于±10％，置信度为95％。1999年，德国PAT载荷监控产品开始进入中国市场，云南航天新技术工程有限公司引进其技术并于1999年8月获得了国家技术监督局颁发的《计量器具型式批准证书》。国内目前动态称重系统的研究状况是起步晚、时间短，在研究过程中未能对行驶车辆的干扰因素作深入系统的分析，对动态检测信号处理简单，为了提高检测精度，往往要求信号在经过一定时间衰减并达到稳定后开始测量。使得这类产品往往需要较长的受荷板或受制于较低的车辆通过速度，检测精度也不高，一般平均误差为±(5％~30％)。目前国内如京珠高速公路、南京长江二桥等高等级公路和桥梁上安装的高精度车辆动态称重系统主要来自国外，这类产品存在价格昂贵、超限标准与国内法规不一致等缺陷。1.2.3车辆动态称重技术的国内发展展望1.车辆动态称重系统将融入ITS(IntellingentTransportSystems)，成为其组成部分，因此作为固定式的WIM系统或装置，设计时要考虑这一背景，在数据处理、信号传输、上下位机的关系、硬件配备等方面，均要考虑，以便于其“嵌入”ITS。2.称重传感器的寿命将制约车辆动态称重系统的广泛使用，这是国内业界应当认真面对的问题。国内较为普遍地运用压电陶瓷式、电阻应变片式等形式称重传感器，国外则较多地运用了压电薄膜、液压管、共聚物压电轴等形式的称重传感器，大大提高了使用寿命，对于便携式WIM系统还能方便现场使用。3.目前国际上还没有规范且权威的车辆动态称重技术标准，仅有一个得到西方国家承认的国际参考标准ASTME1318—94。这给我国研究和应用车辆动态称重技术带来了机遇和挑战。机遇是在没有国际权威规范标准的情形下，我国有了领先设立国际标准的机会。挑战在于如何在国内深入研究和应用车辆动态称重技术，至少先要建立相应的国家标准，并付诸实施。4.低速WIM系统的造价和维护费用都要低于高速WIM系统。以我国目前的道路运输水平，对应WIM系统的允许通过车速并不需要太高。用于计重收费的场合，固定式WIM系统一般安装在收费口或匝道口，在与ITS系统相配的情形下，车速一般不会高于40km/h。用于执法临检的场合，便携式WIM系统一般安装于辅道或路侧，车速一般不会高于5km/h。5.车辆动态称重技术在我国不仅是限制超载、预防事故、保护路桥的一种保障措施，同时具有提升主干运输企业资质、防止运输市场低价恶性竞争、保护国家、运输企业和货主利益的潜在作用。因此在我国应当更加重视和大力实施这一技术，以促进我国的道路运输法制进程。6.在相当长的一段时间内，固定式和便携式两类WIM系统在我国都有需求的市场。由于受到经济水平的限制，固定式WIM系统单机的价格不宜超过10万元人民币，便携式WIM系统单机的价格不宜超过2万元人民币。1.3车牌识别系统概述车牌识别要经过下面几个步骤：图像的采集与预处理，车牌定位，车牌分割，字符的识别[15][16]。图1-2是车牌识别系统的总体框图。车牌的识别是系统中重要的一部分。在车辆驶过秤台的同时启动牌照识别设备的CCD摄像机，通过图像采集模块采集图像数据，对其进行灰度化、二值化，使其易于存储和处理，通过边缘检测定位车牌，并对字符进行分割和识别，经处理得到车牌号码，然后将数据传到控制管理系统。1.4本文主要工作鉴于上面所叙述的，本文的主要内容如下：建立称重系统工作平台，包括动态称重模块，操作系统控制管理模块；建立相应的称重模型并进行数学推导，得出称重系统的方程，建立车重与传感输出电压之间的关系；建立相应的硬件和处理应用程序。这其中包括前端车重数据采集部份，传感器和AD转换器的选择与应用，DSP数据处理系统的建立与运行，ARM控制管理系统的建立，WindowsCE操作系统的裁剪与定制，应用程序的编写；对系统进行静态与动态试验，并对试验结果进行分析。第2章称重系统的构成及算法2.1工作平台简述车辆超载自动检测系统主要由动态称重模块（秤台、称重传感器、接线盒等）、红外车辆分离器、轮胎识别器、CCD摄像机、可变情报板等组成。在距离超限收费检查站（监控中心）一定距离的地方设置高精度的动态称重系统和汽车牌照识别设备[17]，当车辆驶过秤台时，车辆分离器检测到车辆到达，产生一个信号，通知动态称重模块进入称重工作状态，每一轴重量经两侧轮胎作用于秤台上，称重传感器输出与重量成正比例的电信号，放大、转换后经数据处理模块处理，完成每一轴重动态称量；当车辆完全驶过秤台，将各轴重累计，即得到车辆总重；轮胎识别器根据车辆轮轴特征检测车辆所属类型；在车辆驶过秤台的同时启动牌照识别设备的CCD摄像机，通过图像采集模块采集图像数据，经DSP处理得到车牌号码，根据检测到车型分类计算该车是否超载以及超载的具体数量，并将车型分类、车牌号码、车辆总载荷以及超载数量等数据通过HPI接口传输送往监控中心信息管理系统。并在超载检测收费站与动态称重系统之间设置可变情报板（信息显示屏）配套设备，将超载车辆的车牌号码、载荷以及超限重量显示在可变情报板上，提示超限的车辆驶入超载收费站进行卸载和交费，而未超载车辆则不需停车。系统总体结构图如图2-1所示。2.1.1整车识别由于汽车的轴数相差甚大，有2轴、4轴、6轴和8轴等，因此如何判定一辆车已测重完毕即整车识别问题是自动收费的一个关键问题，其关键是找到一套能跟踪所测车辆从进入检测区至开出检测区全过程的系统。整车识别的难点是识别间距很小的两车、拖车和高速运动车[18]。常用的检测仪器有以下3类。1．感应线圈传感器其工作原理是检测线圈的磁通变化。这种方法的优点是价格低廉，但是缺点也是致命的：第一，路面受损。线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，埋置线圈的切缝软化了路面，使路面损坏。第二，气候敏感。感应线圈易受到冰冻、盐碱的影响。第三，寿命短。感应线圈寿命一般为二年，之后要破坏路面，重新铺设。第四，误动作以及反应迟缓。当两辆车靠得很近时，感应线圈有时只产生1次感应动作；当一辆长车中间有较大空隙时，例如拖车，感应线圈会产生2次感应动作：当车的底盘太高时，感应动作迟缓；当车速较高时，感应器不响应。感应线圈很容易产生误动作以及反应迟缓，造成测量数据混乱或不及时，因此无法作为本系统的整车识别器[19]。2．超声波车辆检测器据声波的传播和反射原理，通过对发射波和反射波的时差测量实现位移测量的设备。声波在空气中的传播速度为340m/s，因此其反射相对速度为170m/s，由此可根据反射波和发射波的时差计算出反射物距探头的距离。超声波检测车辆速度快，但如果声波密集在某一固定地方，又聚集很长的时间的话，就会有热效应，这种热效应达到一定程度时，可能会对人体组织产生不良的影响，影响细胞内的物质，包括染色体。3．红外车辆分离器使用红外车辆分离器(如MINI-ARRAY)可以避免以上的缺点。分离器有收发器各一，有两排红外发送接收管，各安装在车道一边。当光被阻断时，说明有车通过。当接收器接收到红外光时，说明一辆车通过完毕。这就是整车识别。由于本系统的分辨率很小，最小分辨率为9.5mm，因此可以检测出拖车的挂钩，从而识别出拖车。本系统每55ms发送一束检测红外光，1ms的处理时间。车以时速60公里通过检测台，56ms行驶长度为0.93m。因此，只要两车间距超过0.93米，车速不大于60公里，就能将其分辨出来。事实上，通过收费站，在车拥挤时，车速只有五六公里，因此，两车间距只要在10cm以上，就可以从容识别了。整车识别在算法上也有技巧，至少要求150mm高的光路被挡住后控制器才有输出，这一性能可能使系统不受落下的雨滴、雪花、污泥以及飞入检测区域的鸟或昆虫的影响，拖钩检测也是由上面这个检测性能来实现的；挡住至少150mm高的光路后才有输出，而只有当所有光路导通后，输出才关断。车辆进入检测区域后，首先车头挡住的光束尺寸肯定高于150mm，此时控制器输出动作，如果带一个拖车的话，拖钩肯定会挡住至少1条光束，那么光幕就会一直保持输出动作的状态。对于红外检测而言，雨、雾、灰尘和强阳光是很致命。测量光幕系统应具有高过量增益，以适应雨、雪和灰尘等环境。热防护罩可用于环境温度为-25℃到70℃，相对湿度95％条件下工作。从性能价格上来看，线圈最便宜但性能最差，不适合安装在公路上。红外检测性能和使用均很方便，但价格较高，适合安装在公路上。2.1.2轮轴识别与车速度检测对载重汽车的类型判定，根据交通部2000年2号令《超限运输车辆行驶公路管理规定》，轴载质量如表2-1所示。表2-1轴载质量Table2-1Axleloadmass轴组类型轮轴类型编号图解限定值（Kg）单轴每侧单轮胎16000单轴每侧双轮胎210000双联轴每侧单轮胎310000双联轴每侧一单轮胎一双轮胎414000双联轴每侧双轮胎518000三联轴每侧单轮胎612000三联轴每侧双轮胎722000以载重货车为例，其轮胎的断面宽在28.33cm之间，每侧双轮胎，轮胎间距大于10cm，这就给轮胎识别创造条件。在秤台顺车行方向下方设置轮胎判别器，其结构和原理如图2-2所示。轮胎识别原理如下：1.轮胎识别器在通道中心线一侧的路面上装置13只~20只（每只间隔10cm）压敏传感器，每个传感器的输出与轮胎判别器的装置相连，当车辆通过时轮胎与地面接触部位的数量可以由传感器检出，当车轮压到该感应器时，产生数据1，否则产生数据0。控制器读取该数据，有几个连续的1，为一个轮胎，连续的1越多，轮胎就越宽。标准检测情形如下：双轮胎：001101100000单轮胎：0011000000002.车速检测轮胎识别器A和测重台B的距离是固定的(如图2-2所示)，由于A、B两点的距离不足1m，可以认车是匀速通过，因此车通过轮胎识别器和测重台的时间t便可检测车速：t。3.车轴组检测通过车速v和轮胎识别器相邻信号时间来判断单轴、双轴或三联轴。如图2-4所示。A、B、C、D4个检测信号，时间差是，由、、(2-1)再由距离d大于设定值，便可判断A、B为单轴C、D为双联轴。综合运用红外整车分离器功能，来跟踪确认所测车辆从进入检测区至开出检测区全过程，并在所测车辆进入检测区时和开出检测区时及时向控制器传输中断信号，使控制器根据整车识别器发出的信号自动判断，汇总加权计算所测车辆的总重量。2.2称重模型建立2.2.1力学模型为便于数学求解，将车身视为支撑在弹簧上的刚性板。由于称重过程中台面垂向位移远小于汽车前后轴距，可以忽略车体转动的影响[20]。汽车—秤台系统可简化为图2-5所示的力学模型。其系统振动方程为：(2-2)式中，，，，、—秤台与汽车质量，、—秤台和汽车支承系的弹性系数，、—秤台和汽车的阻尼系数，、—秤台面和汽车的垂向位移，G—冲击载荷。为了简化式(2-2)的解偶过程，忽略C，即假设系统阻尼为零，得到两个独立的振动方程，能量主要集中于第一模态中[21]，其方程为：(2-3)式中——广义位移坐标，、是与有关的函数，其中(2-4)式中，当时，曲线如图2-6所示。由图2-6可知，当时，，汽车衡的力学模型将是一单自由度有限振动微分方程：即当秤台的弹性系数大于汽车的弹性系数时，振动主要表现为汽车的振动，此时秤台垂向振动影响可忽略不计。据此，重构动态(2-5)式中——汽车垂向位移，——汽车质量，——汽车结构的弹性系数和阻尼系数，G——车重。2.2.2测量系统的传递函数由式(2-5)进行拉普拉斯变换，得到输入与输出的传递函数：(2-6)式中——无阻尼自振频率，。系统的截止频率为：(2-7)以运输超载最多的货运车辆为例，要求货车板簧设计时的弹性系数取值范围，，而为了保持公路路面的正常使用寿命，要求汽车轴重质量不大于，代入式(2-7)计算，得汽车振动的最大频率不超过20Hz。为了提高测量的准确度，将车身垂直振动截止频率定为。根据采样定理，最小采样频率，本系统的采样频率。2.2.3传递函数离散化的离散化传递函数动态汽车衡的传递函数如图2-7所示，系统的输入为汽车的轴重阶跃信号。动态汽车衡的输出经过AD采样后，传感器的输出变化量为一离散量。为能得到输出跟输入之间，我们将系统输入视为阶跃信号经零阶采样保持电路之后得到的离散信号量[22]。零阶保持环节输出与连续输入信号之间的关系为：(2-8)其拉氏变换为，为采样间隔。加入零阶保持环节后，图2-7形式转化成图2-8，即经零阶保持环节后的传递函数为：假定系统的初始条件都为0，我们可以将系统的传递函数作Z变换[23]，即：(2-10)式中由式(2-10)知，Z变换之后系统的传递函数具有如下形式：(2-11)即：(2-12)为系统参数，由测量结果识别，由此得到系统的差分方程：(2-13)式中——阶跃输入，当时有，由于汽车垂向位移与传感器输出信号成正比，因此：(2-14)2.2.4信号分析及算法由以上模型分析可知，根据测量数据可以推算车辆载荷，然而实际测量中，测量环节不可避免地引入了测量噪声，如电源电压波动、元器件噪声、量化误差及外界干扰等，使式(2-13)取得以下形式(2-15)为测量环节引入的误差，通常假设为白噪声，用最小二乘法估计模型参数，使最小，从而实现抑制噪声的目的。式中——待定参数向量；＝；——单位矩阵；——测量数据构成的数据向量。将离散化二阶系统方程运用于动态汽车衡。实现流程如下：系统根据实测的数据序列，用最小二乘法估计离散化式(2-14)中的参数，据此递推计算系统的输入，为离散化的汽车重量序列，计算系统的输入序列取均值得到汽车的重量值。2.3本章小结在本章中，首先详细介绍了整车识别的方法与过程，以及轮轴的识别和车速检测的方法。然后对汽车称重的力学模型进行了分析，推导出其二阶系统的传递函数，进而得出车重与传感器输出电压之间关系的数学方程。第3章系统硬件设计3.1系统概述硬件是整个系统的基础，有了性能高的硬件才能发挥出程序的性能，因此硬件设计很关键。在本文的系统中，包括动态称重模块，车牌识别模块，控制管理模块。动态称重模块包括红外车辆分离器、传感器、AD转换器和DSP数据采集处理部分；车牌识别模块包括CCD摄像机、DSP处理模块等，控制管理模块包括人机界面、显示、相应的控制输入输出和信息管理系统。本文中主要设计两部分：一是DSP组成的车重数据采集和处理模块；另一部分是ARM组成控制模块，在其上嵌入操作系统，进行相应的控制和信息管理。系统的框图如图3-1所示，具体的在下面进行详细叙述。3.2数据采集与处理模块数据采集与处理包括动态称重模块和车牌识别模块，本系统中主要对动态称重模块进行详细阐述，对车牌识别模块使用现有的模块，不对其进行说明。动态称重模块主要由TMS320DM642核心处理部分、传感器、放大电路和A/D转换器组成。在系统中我们采用的是TMS320DM642，它是专用于数字媒体应用的高性能32位定点DSP，工作主频最高达720MHz，处理性能可达5760MIPS。3.2.1TMS320DM642概述TMS320DM642（以下简称DM642）是美国德州仪器公司(TI)推出的一款面向数字多媒体应用的DSP，采用TI的第二代高级超长指令字结构(VelociTI)，使得在一个指令周期能够并行处理多条指令。DM642采用两级缓存结构：第一级包括相互独立的L1P(16KB)和L1D(16KB)，只能作为高速缓存使用；第二级L2(256KB)是一个统一的程序/数据空间，可整体作为SRAM映射到存储空间，也可整体作为第二级Cache，或是二者按比例的一种组合来使用，容量较大的两级缓存和EDMA通道是DM642高性能的体现之一，若能合理使用和管理，将能大幅度提高程序的运行性能[24][25]。此外DM642具有丰富的外围设备接口，包括3个可配双通道视频端口VideoPort，其中每个VideoPort又分成A和B两个通道[26]，A/B通道可分别处理一路视频采集，因此DM642最多可以处理6路视频采集数据（不带音频），另外还包括64bit的外部内存接口(EMIF)、10/100Mbps以太网MAC和多通道音频串行端口(McASP)以及66MHz32bit的PCI接口。DM642的基本系统由DM642和外扩的存储器以及外设组成，而外扩的存储器和外设均通过DM642的外部存储器接口(EMIF)进行扩展，DM642基本系统所必须的外扩资源包括：SDRAM(4M×64-位)，用于存放程序和缓存数字、视频/音频数据；FLASH(4M×8-位)，用于存放固化程序，以便进行ROM引导；UART(2×8×8-位)，扩展2个异步串口(RS232/RS422/RS485)；板上寄存器(8×8-位)，由若干个8位状态/控制寄存器组成；硬盘接口(16×16-位)，用于本地大容量存储接口。由上可知DM642非常适用于VoIP、数字视频服务器、多通道数字视频录像机(DVR)、多通道数字视频监控等应用，提供高质量的视频编/解码解决方案。TMS320DM642外部地址总线只有A[22:31]，总共20根，所以子空间最大的寻址范围为1M×8位。核心板上子空间除了分配给Flash以外，还分配给状态/控制寄存器、UARTA、UARTB等资源使用，其中Flash只占据子空间的前一半的寻址空间，即最大的可寻址范围为512K×8位，而Flash的设计容量为4M×8位，所以为了寻址到Flash所有的地址空间，在核心板上采用分页技术来实现对Flash的访问，即将整个4M×8位的Flash分成8个512K×8位的页，而页地址PA21、PA20、PA19则由页地址寄存器提供。3.2.2网络接口TMS320DM642中的PCI接口、HPI接口和以太网MAC接口管脚是复用的。它们的功能选择和配置是在上电复位时通过检测TMS320DM642上的特殊引脚(PCI_EN、MAC_EN、HD5、PCI_EEAI)的状态来实现的。通过把管脚MAC_EN拉高，PCI_EN拉低配置成16位HPI接口和以太网接口的模式。TMS320DM642的网络接口由EMAC(10/100Mb/sEthernetMAC)与MDIO(ManagementDataInput/Output)两部分组成的。其中EMAC为网路的数据通路，MDIO为EMAC的状态及控制接口[28][29]。1．网络接口的简介TMS320DM642的网络接口主要用来支持物理层的网络器件(PHY)与DSP的连接。其中EMAC控制PHY与DSP之间的数据包的交换，MDIO控制PHY的配置与状态的监测。网络接口主要功能有：符合IEEE802.3协议；支持传媒无关接口(MII)；8个独立的发送与接收通路；同步的10/100Mbit的数据操作；广播及多帧的传送。2．PHY设备的连接图3-2为PHY设备与网络接口的框图。在DM642系统中用Broadcom公司的BCM5221作为10/100Base-TX以太网收发器，BCM5221的MII接口与DM642的MII接口对接。DM642的MII不支持TXER，它通过求反发送帧CRC来指出网络错误，所以BCM5221上的TXER引脚直接接为无效。需要注意的是，数据经过BCM5221后的两组差分信号线在PCB布线的时候应尽量平行走线，避开高频干扰源，以保证舆信号的正确率。DM642中只采用10/100Base-TX方式，所以BCM5221的SD+和SD-引脚悬空。而TD+、TD-、RD+和RD-信号则经Pulse公司的H11021:1变压器变换成TX+、TX-、RX+和RX-信号，接口到RJ45连接器上。RJ45连接器选用AMP公司的406549-1，其上带2个LED指示灯，右边的LED为绿色，用作指示连接状态，左边的为黄色，正常情况下，用来指示数据传输。3．EMAC的数据包在以太网络中，数据是以网络帧的方式进行传送的。其格式如表3-1所示。表3-1以太网数据包格式Table3-1Ethernetframe7166246-15004PreambleSFDDestinationSourceLenDataFCS从上面可以看出一个以太网数据包包括以下几个部分：Preamble：引导位；SFD：分隔符；Destination：目的地址；Source：源地址；Len数据的长度；Data：最长为1500个数据；FCS：帧校验。其中加粗的部分称为以太网的数据包，在EMAC经过EDMA后得到的内容为以太网的数据包，即粗框内的结构。因此，在编程时，不用关心粗框外的数据。网络接口主要用来进行大量的数据传输或与以太网接口。3.2.3ATA硬盘ATA(AdvancedTechnologyAttachment)，是一个流行的存储设备接口，被广泛应用于PC机上，用于主机与硬盘、光盘和可移动储存设备等设备接口。在DM642系统中实现了ATA协议的PIO4方式，可以挂接硬盘等大容量的存贮设备，完成对大量数据的保存与检索。ATA接口标准由INCITS(InterNationalCommitteeonInformationTechnologyStandards，国际信息技术标准化委员会)下属的T13技术委员会管理和制定。为主机与储存设备实现连接定义一组标准化的总线，并规定了该总线的电气和机械特性，即ATA接口标准的物理层。为主机与储存设备之间进行有效的数据交换定义一组传输和命令协议，即ATA接口的传输层。它是一16位并行总线，支持PIO和多字DMA传输协议。ATAPI(ATAPacketInterface)为ATA分组数据接口。它是在储存设备端增加的数据分组交换协议，目的是为了有效地解决带复杂参数的命令的交换，以方便与各种储存设备相连，如硬盘、光盘、可移动储存设备等等。ATA总线连接的主机与存储设备之间的数据交换，其原理如下：首先，按ATA标准规定，对存储设备介质的读/写操作不是直接由主机通过ATA总线完成，而是由集成在存储设备上的控制器完成，主机只是通过ATA总线与存储设备上的控制器进行通信。对于主机来说，主机与存储设备控制器的通信是通过一组标准化了的寄存器和数据口进行的，主机直接操作这组寄存器和数据口，将命令参数和操作命令码写入寄存器中，而存储设备上的控制器则对这些命令参数和操作命令码进行解释，完成对存储设备的实际读/写和控制操作。其次，ATA标准规定存储设备上的控制器必须实现一组标准化了的寄存器和数据口，还规定了对这组寄存器和数据口进行操作的一组信号及其时序，即规定了ATA标准的物理层。最后，ATA标准规定存储设备上的控制器必须实现或可选实现的命令集，以及主机与设备之间进行交互的命令序列的先后顺序和命令码及相应的命令参数的定义，即ATA标准的传输层。DM642的子空间被配置为16位异步静态存储器接口，分配给外扩的ATA标准硬盘接口，以PIO方式来实现硬盘的读/写操作。ATA有2个片选空间CS0和CS1，每个空间占用8个16位存储单元，ATA在子空间的具体定位如表3-2。表3-2ATA地址Table3-2ATAadress串口字节地址ATA_CS00xA0000000~0xA0000007ATA_CS10xA0000010~0xA0000017ATA硬盘接口主要用于大量的监测数据的存储。3.2.4实时时钟DM642系统中配置有X1226实时时钟，可以产生年、月、日、星期、时、分、秒等实时时间信息，还有512×8位的EEPROM，可以用来存储存定值。因而适合用于监控系统的记录。X1226是主实时时钟RTC＋串行EEPROM，采用串行IIC总线与DSP连接。通过IIC总线，DM642可以访问X1226内部2个部分，一部分为CCR（时钟、控制器），别一部分为EEPROM的512×8位存储单元。这二部分被作为2个IIC总线从设备对待，对应二个IIC从设备地址。CCR包含29个8-位寄存器，以0x00~0x3F地址进行寻址；EEPROM则有512×8位存储单元，以0x000~0x1FF地址进行寻址。DM642通过IIC1与X1226连接。其中DM642做为主设备，X1226做主从设备。X1226的两个部分使用两个不同的IIC地址，分别是：CCR的IIC地址为：0x67；Array的IIC地址为：0x57。3.3传感器3.3.1传感器的选择传感器是检测系统的重要的一环，外界的模拟信号经过传感器转换成电信号，进入A/D转换器。只有传感器的性能好，不受外界环境（如温度、电磁等）的影响，才能得到可靠、真实的数据，使系统性能更好。目前在车辆动态称重系统中比较常用的动态称重传感器主要有弯板、压电传感器、单传感器及光纤传感器[31][32][33]。弯板弯板动态称重系统是利用下方粘结有应变传感器的金属板进行测量。当车辆通过弯板时，系统测量出应变传感器产生的应变力由此计算出动态重量值，然后利用测量出的动态重量值预测出车辆的真实轴重。利用弯板进行测量，测量准确度一般为±5%（整车重量的相对百分比误差）。基于弯板的汽车衡有固定式和便携式两种，一般情况下，便携式只适合测量低速行驶时的车辆。压电传感器压电式动态称重系统利用检测由车辆轴重引起的压电传感器的电压变化，测量出车辆的轴重值。当车辆通过压电传感器时，系统测量出传感器产生的电荷，由此计算出动态重量值，然后利用测量出的动态重量值预测出车辆的真实轴重。单传感器单传感器动态称重系统利用一个称重传感器测量车辆的轴重值，一般来说，安装此种汽车衡需要挖设比较深的基坑，通常测量准确度为±3％。光纤传感器当车辆通过光纤传感器时，系统测量出光纤内反射光强度的改变，由此计算出动态重量值，然后利用测量出的动态重量值预测出车辆的真实轴重。基于光纤传感器的汽车衡有固定式和便携式两种方式。光纤传感器在车辆动态称重中具有广泛的应用前景。光纤传感器与其他类型的传感器相比具有若干优点：它不受电磁干扰(包括光照射)和路面振动的影响、尺寸小、质量轻、低功耗，能够在较为恶劣的环境下使用，并且其响应频率相当高。因此，在动态测量中是比较理想的传感器。3.3.2光纤压力传感器原理光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术。当这种外界信号为压力时，即构成光纤压力传感器。光纤压力传感器作为一种新型的传感器，与传统的压力传感器相比体积小、重量轻，具有电绝缘性、不受电磁干扰、可用于易燃易爆的环境中等优点，另外还可以构成光纤分布式压力传感器，对桥梁、大坝等进行健康状况的实时监测[34]。光纤压力传感器的研究在国外始于20世纪70年代初，当时研制出一种用于血管压力测量的微型光纤压力传感器，之后许多研究工作都集中于工程应用中。到了20世纪80年代，出现了利用紧贴膜片的叶片或光阀的运动来调制光强的光纤压力传感器和靠膜片挤压光纤使其传输特性发生变化而制成的光纤压力传感器，其传感器的精度一般为±3.0%左右，线性度可达±1.5%。进入20世纪90年代，更多光纤压力传感器进入商品化阶段，精度和灵敏度也不断增加，如采用光纤法布珀罗干涉法的光纤压力传感器，它的精度达到±1.0%，线性度达到±0.5%[36]。根据光纤在测试系统中的应用，光纤压力传感器可分为功能型光纤压力传感器和非功能型光纤压力传感器两种，功能型光纤压力传感器是在外界压力作用下对光纤自身的某些光学特性（强度，相位等）进行调制，调制区在光纤之内，光纤同时具有“感知”和“传输”两种功能，因此又称为内调制光纤压力传感器或者传感型光纤压力传感器。非功能型光纤压力传感器是借助其他光学敏感元件来完成传感功能，调制区在光纤之外，光纤在系统中只起传输作用，因此称之为外调制光纤压力传感器，或者传光型光纤压力传感器。在光纤中传输的光波可用如下方程描述：(3-1)式中——光波的振幅；——频率；——初相角公式(3-1)中包含五个参量即强度，频率，波长()，相位()和偏振态。如果在压力的作用下，光的强度发生改变，则称此光纤压力传感器为强度调制光纤压力传感器，光的频率发生改变称为频率调制光纤压力传感器，依次类推还有波长调制光纤压力传感器，相位调制光纤压力传感器和偏振调制光纤压力传感器，除此之外还有光纤分布调制式压力传感器。强度调制光纤压力传感器的基本原理是将一强度恒定的光源发出的光注入传感元件，该元件在外力场作用下，使光强发生变化，输出光强的大小与待测压力成一定关系，通过测量光的强度可得到待测压力值。3.4数模转换器本系统采用美国AnalogDevices公司推出的24位模数转换器AD7714。该芯片具有完整的模拟前端，可以直接测量传感器输出的直流微弱信号，转换精度达到24位无误码。采用三线串行口与DSP联接，通过软件编程对输入通道作出设置。该芯片具有自校准、系统校准和背景校准功能，可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响[35]。AD7714是适用于低频测量应用的完整模拟前端。器件直接从传感器接受低电平信号并输出串行数字。它使用和_差(sigma-delta)转换技术以实现高达24位的无误码性能。输入信号加至专有的基于模拟调制器、具有可编程增益的前端。调制器的输出由片内数字滤波器处理。通过片内控制寄存器可对此数字滤波器的第1个凹口编程，允许调整滤波器的截止频率和稳定时间。AD7714的特点是具有3个差分模拟输入（它也可以配置为5个准差分模拟输入）以及差分基准输入。它用单电源(+3V或+5V)工作。因此对于包括多达5个通道的系统，AD7714可实现所有信号调理和转换。AD7714可理想地用于智能化的、基于微控制器或DSP的系统。其特点是具有可配置作3线运用的串行接口。用串行口通过软件可对增益设定、信号极性和通道选择作出配置。AD7714提供自校准、系统校准和背景校准选项并允许用户读写片内校准寄存器。3.5控制模块控制模块主要是以ARM(PXA270)为核心的，外扩USB接口、以太网接口、触摸屏接口等。USB接口主要接从设备，如打印机、键盘等，打印或输入数据；以太网主要用与网络传输数据；触摸屏方便使用人员的操作，进行相应的显示。在ARM上嵌入WindowsCE操作系统，建立相应的信息管理系统、人机界面，完成相应的控制工作。3.5.1PXA270核心板核心板上的资源主要有基于IntelXScale架构内核的嵌入式处理器PXA270，内部集成iwmmx指令[36][37]，加速处理器对多媒体数据的处理速度。系统稳定工作在520MHz主频；64MBSDRAM，16MBNORFlash，64MBNANDFlash。目前市场上的Flash从结构上大体可以分为AND、NAND、NOR和DiNOR等几种。其中NOR和DiNOR的特点为相对电压低、随机读取快、功耗低、稳定性高，而NAND和AND的特点为容量大、回写速度快、芯片面积小。现在，NOR和NANDFLASH的应用最为广泛，除了在嵌入式设备上得到广泛的应用外，在CompactFlash、SecureDigital、PCCards、MMC存储卡以及USB闪盘存储器市场都都占用较大的份额。NOR的特点是可在芯片内执行，这样应该程序可以直接在flash内存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，但写入和探险速度较低。而NAND结构能提供极高的单元密度，并且写入和擦除的速度也很快，是高数据存储密度的最佳选择。这两种结构性能上的异同步如下：NOR的读速度比NAND稍快一些；NAND的写入速度比NOR快很多；NAND的擦除速度远比NOR快；NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路也更加简单；NAND闪存中每个块的最大擦写次数是百万次，而NOR的擦写次数是十万次。此外，NAND的实际应用方式要比NOR复杂得多。NOR可以直接使用，并在上面直接运行代码。而NAND需要I/O接口，因此使用时需要驱动程序。不过当今流行的操作系统对NANDFlash都有支持。由于以上Flash的特性决定了，在嵌入式设备中，我们一般会把只读属性的映象文件，如启动引导程序、内核、文件系统文件存放在NORFlash中，而把一些读写类的文件，如用户应用程序等存放在NANDFlash中。出于成本的考虑，选用低容量昂贵的NORFlash存储启动引导程序和内核，而把文件系统存放在NANDFlash中。在核心板上，用两片HY57V561620构成64M的SDRAM，用作系统内存，同时在nCS0连接了一片16MNORFLASH，用于存放引导程序和操作系统内核。在nCS1连接了一片64MNANDFLASH，用于存放文件系统和应用程序，做海量存储使用。3.5.2触摸屏接口触摸屏按其工作原理的不同分为表面声波屏、电容屏、电阻屏和红外屏几种[38]。电阻触摸屏是一种对外界完全隔离的下作环境，不怕灰尘和水汽，它可以用任何物体来触摸，可以用来写字画画，比较适合下业控制领域使用，并且具备轻、薄、功耗低的特性，本系统用的是电阻屏。UCB1400是一款特殊的芯片，其主要功能是用作立体式音频解码器，另外它还有触摸屏接口和电源管理接口。在系统的板上主要用作XscaleAC处理单元的接口电路和触摸屏的数模转换电路。触摸屏接口可直接连接四线制触摸屏。其内建10位A/D转换，提供读取触摸屏和电源管理参数的能力。10个通用I/O引脚可向系统提供可编程输入输出。在应用的过程中，存在着飞点。所谓的飞点[40]，是指由于触摸屏的电气噪声和机械误差影响A/D转换的输入电压使转换后的坐标值偏离了实际笔触点的位置。在触摸屏中，由于AD转换器的前端电路具有高输入阻抗，因此特别容易受到电气噪声的影响。在硬件电路中，需要对带有触摸屏控制器的电路小心布局。通常在AD转换器输入端增加低通滤波器来减小各种噪声。此外还需要在程序中使用一定的方法去除飞点。在本系统中，去除飞点的操作过程是：对同一个笔触点进行3次数据读取，如果其中最大值和最小值之间的差异大于50时，则认为此点为飞点，应舍弃。如果差异不大，则取中间值作为该点的坐标值。3.5.3IDE电路IDE即IntegratedDriveElectronics，它的本意是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，我们常说的IDE接口，也叫ATA(AdvancedTechnologyAttachment)接口。3.5.4USB概述HID全称为“HumanInterfaceDevices”人机交互设备。通过人机交互设备来方便使用者控制操作系统。典型的HID设备包括：键盘、位置标定设备（鼠标、跟踪球、游戏操纵杆等）和面板控制设备（旋钮、开关、按钮和滑块等等）。这些控制可以应用于：电话、VCR远程控制、游戏等领域中。例如：数据手套、调节阀、舵轮等。USB全称是“UniversalSerialBus”，意为“通用串行总线”，由Compaq、DEC、IBM、Intel、NEC、微软以及NorthernTelecom等公司于1994年11月共同提出的，主要目的就是为了解决接口标准太多的弊端。USB使用一个4针插头作为标准插头，采用菊花瓣形式把所有外设连接起来，最多可连接127个外设。它采用串行方式传输数据，支持多数据流和多个设备并行操作，允许外设热插拔。USB有两个规范，USB1.1和USB2.0。USB1.1的高速方式的传输速率为12Mbps，低速方式的传输速率为1.5Mbps。USB2.0规范是由USB1.1规范演变而来的。它的传输速率达到了480Mbps，折算为MB为60MB/s，足以满足大多数外设的速率要求。USB2.0中的“增强主机控制器接口”(EHCI)定义了一个与USB1.1相兼容的架构。它可以用USB2.0的驱动程序驱动USB1.1设备。3.6ARM与DSP接口设计主机并行接口(HPI)是一个并行端口，主处理器通过它可以直接访问CPU存储空间。主机器件对接口具有主动控制权，这样就增加了访问的容易度。主机和CPU可以通过内部或外部存储器交换信息，还可以直接访问存储器映射的外设。HPI与CPU存储空间的互连是通过DMA或增强的DMA(EDMA)控制器实现的。主机和CPU都可以对HPI控制(HPIC)寄存器进行访问。通过使用外部数据和接口控制信号，主机可以访问HPI地址(HPIA)寄存器、HPI数据(HPID)寄存器和HPIC[41][42]。3.7本章小结硬件是整个系统的基础，本章对硬件从整体结构上进行了说明，其中主要包括动态称重模块和控制模块的建立。在动态称重模块中，对传感器的选择、AD的应用、数据处理模块进行了详细的设计，并设计了数据传输接口、数据据存储接口等，作为高速传输数据和存储大量数据使用。在控制模块中，对其核心板上的资源进行了设计，扩展了人机接口、存储接口等，以便嵌入WindowsCE操作系统，这为下一步软件设计奠定了良好的基础。第4章软件设计与试验结果分析通过前几章的叙述，建立了整个系统的工作平台，设计了系统的硬件，但是仅有这些是不够的，还要编写相应的软件来驱动硬件，使之工作。对于整个系统进行相应的试验，并分析试验结果，对本系统的性能进行评估。在本系统中，软件主要有以下几个部分：整个平台的工作流程；控制模块上的信息管理系统。在控制模块上，在PXA270中嵌入WindowsCE操作系统，用PlatformBuilder(PB)对WindowsCE内核进行裁剪和定制，用EmbeddedVisualC++(EVC)编写相应的信息管理系统；动态称重的算法实现软件和AD转换器工作流程。4.1系统工作流程采用的IntelXScale架构的PXA270可以嵌入Linux、Wince等操作系统，在本设计中，使用的是Wince操作系统[43]。WindowsCE是一个具有抢先式多任务功能，并且有强大通信能力的嵌入式操作系统。也是微软公司专门为移动设备和消费类电子产品、嵌入式应用等非PC领域而全新设计的操作系统产品，因此根据其应用环境的特点，WindowsCE被设计成具有高度模块化、良好实时性、强大通信能力、支持多种CPU的嵌入式操作系统。PlatformBuilder是为基于微软WindowsCE操作系统定制嵌入式平台而提供的集成开发环境(IDE)。它提供了所有进行设计、创建、编译、测试和调试WindowsCE平台的工具[44]。它运行在Windows下，程序设计人员可以通过它来设计和定制内核、选择系统的特性，然后进行编译和调试。还可以利用它来进行驱动程序的开发和应用程序的开发等。也就是说，可以能过PlatformBuilder对WindowsCE的系统结构进行裁剪，对于一些不必要的组件（如自动取款机中的媒体播放功能等）可以不必添加到定制的内核里，而对于一些必须的组件则可以通过这个工具灵活的进行添加。在本系统中，整个工作流程如图4-1所示。整个流程的实现是在前面设计的系统平台和硬件的基础上，通过在WindowsCE上编程来实现的。操作系统内核裁剪与定制是用PlatformBuilder来实现的，用其编写硬件的驱动程序，然后整合成模块，定制进WindowsCE中，使硬件工作。4.2信息管理系统WindowsCE操作系统是基于Win32API的，因此WindowsCE下的应用程序开发与在WindowsXP下进行程序设计是类似的。EmbeddedVisualC++(EVC)提供了开发WindowsCE应用程序的集成开发环境与工具，可以很好的帮助我们创建、编译与调试编写的应用程序。在本系统中，信息管理系统的软件就是用EVC来编写的。4.3称重模块软件称重模块软件主要包括称重算法的实现和AD转换器的软件。将2.2节得出的离散化二阶系统方程运用于本系统中，实现流程如下：系统根据实测的数据序列，用最小二乘法估计离散化式(2-14)中的参数，据此递推计算系统的输入，为离散化的汽车重量序列，计算系统的输入序列取均值得到汽车的重量值。4.4称重算法试验结果4.4.1动载质量标准质量标准一般是指砝码，用其对各种非自动衡器进行检测，这是大家比较熟悉的。它是借助于放置在秤台上的砝码的已知质量，与秤的示值比较，从而找到误差，达到质量传递、准确一致的目的。然而采用这种方法对动态称重性能进行检测却是无能为力、难以胜任的。因为标准砝码只能在静止状态下对衡器进行检测，无法模拟反映出运动状态下的被称物体与衡器接触通过时因振动、冲击带来的影响。为不脱离实际，体现出汽车动态称重系统的本质技术性能指标，不违背检测的真正价值，动态质量标准的建立正被提到议事日程。目前通用的几种典型的动态质量标准如下：以适当的汽车车体结构为基础，经重新设计或改造，再配备一定数量的祛码、起吊机构、车速表、油耗表等，将其直接开到现场，就能完成检测任务。这种动态质量标准由于是专门制作，所以具有精度高、工作效率高、可靠性好、使用方便等优点。其不足之处是，建立是需要投入较多的资金。充分利用现有的检衡车，改善运动性能，装配有关检测仪表，考核空车重量变化的影响因素，以及采取相应措施，保证作为动态质量标准使用时达到应有的准确度。临时动态质量标准形式。这是一种在当地找不到而现场又急需检测时采用的一种形式，它首先应具备如下基本条件：第一，有砝码，其质量允差要符合要求，合计质量值不少于被检衡器的二分之一最大称量值；第二，有台合格的衡器，其静态称量范围、各称量点的重复性、准确度等技术指标不能超差；第三，有辆适宜的汽车，其空车重量、载货重量、车体尺寸等有代表性。本文试验动载质量标准采用标准砝码、电动小汽车。空载小汽车和干电池的重量通过分辨率为0.01g的电子秤标定，其重量为951.78g，通过不同的砝码组合来改变动载的质量。小车行驶速度按匀速计算，其具体数值根据承载板宽度和称重时间来确定。4.4.2试验结果及分析对试验结果分析的目的是确定稳重系统称重示值与动载质量标准之间之差，评估称重系统产生的数据和技术需求参数之间的一致性（本文参照ASTME1318-94标准）。试验结果按相对误差和给定精度下的可靠度进行分析。计算公式如下：(4-1)式中——相对误差；——称重系统产生的整车质量；——标准动载质量。式(4-2)确定符合某一给定精度时的可靠度：(4-2)式中——给定精度下的可靠度；N——所有被观测数据的总数目；n——没有超出给定精度的数据项数目。4.4.3称重系统的静态标定静态标定的目的是确定称重系统产生的数字和质量的关系。其方法是将不同质量的砝码放置在承载板靠近后缘的位置，每一质量的砝码进行6次测量，记录试验结果，然后计算每一个砝码检测数据的均值，其结果如表4-1。表4-1静态标定试验数据Table4-1Staticdemacatetestdata砝码重(g)称重系统输出重量均值123456725.9515.18515.18500.2485.63485.43487.62498.2579.5391.04390.27392.03392.8393.64392.21392362.5245.96245.95245.25246.34245.55246.24245.9290196.03195.84195.87196.16197.03196.15196.214598.7998.6199.1799.4899.7599.2399.2计算满足均值和砝码质量为等式的超定方程组的最小二乘意义上的解，该解即为称重系统标定的系数。即解如下方程组：(4-3)得到。4.5本章小结本章主要对系统的工作流程、超载的信息管理系统、称重算法的实现和AD的工作流程的软件进行了讨论与设计，结合硬件，通过软件实现了系统的运行。并对系统进行试验，对所得结果进行了分析，验证了本文所设计的系统的可行性、先进性和性能高等特点。结论近二十年来，为了实现公路超载运输的科学管理，国际上多数国家，都很重视研究、试制、安装检测公路行驶车辆的动态情况的设备。许多国家，己经在本国的公路网内、在行驶公路超载运输车辆较多的路段，安装了运输车辆动态称量设备。有的国家，还在集中力量研究、试制、改进和生产、安装检测、记录通行公路车辆轴数、轴距、轴载质量、总质量、车辆类别等项目的车辆检测系统，为公路超载运输车辆的监督检测和管理，提供科学依据。在国内，虽然有关部门进行了多种动态称重系统的设计与开发，但是其性能并没有得到多大的改善，究其原因是系统设计时仍沿用传统静态秤的设计方法进行设计、采用简单的数字滤波处理；没能对称重的计量方法和信号处理方法进行深入的研究，严格的讲该产品只能算是准动态称重系统。测量正常行驶的车辆的重量时，由于称重信号中包含低频随机干扰，且采样得到的信号太短，无法采集到稳定后的称重信号。因此必须寻找新的称重计量方法和数据处理方法。本文围绕着解决这些问题，从车辆受力的分析入手，建立了汽车的力学二阶系统模型，并通过数字仿真和模型试验确定其实用性。在些基础上，构建了DSP和ARM相结合的检测系统。系统中，一部分使用光纤传感器接收压力信号，避免了受外界环境、电磁干扰等的影响，使信号得以保真。使用高精度的AD转换器AD7714，配合DSPTMS320DM642实现数据的高速采集与处理，满足了汽车动态称重的实时性的要求，使称重精度得以保证和提高。另一部分使用ARM(PXA270)设计的控制管理模块接收DSP传过来的称重数据，在其上完成了相应的管理系统的构建、控制、显示和输入控制命令等任务。采用了实时的嵌入式操作系统WindowsCE，使系统可以在多线程下工作，并能及时响应系统的各种请求。在本文中完成了对称重算法、信息管理系统和工作流程等软件的设计与编写，使整个系统得以更好的运行。最后对整个系统进行了试验并对试验结果进行了误差分析，系统的称重精度可以达到±4%，与ASTME1318-94标准给出的=3\*ROMANIII类动态称重系统的精度±6%（相应的置信度95%）相比，系统的性能得到提高。本文进一步的工作是在实际中进行测试并应用。致谢本论文的选题、课题的研究及论文撰写工作是在导师王鑫的悉心指导下完成的。在我攻读学士学位期间，王鑫老师待人热情诚恳，其谦虚严谨的治学态度、渊博的知识、敏锐的思维、对新事物的接受能力和对学术前沿深邃的洞察力，深深的影响和激励着我，是我一生学习的榜样。在王老师的指导下，我不仅在学术上有所收获，而且逐步培养了自己独立分析问题和解决问题的能力。王鑫老师高尚的思想品格、诲人不倦的工作热情和求真务实的敬业精神是我以后道路上永远的楷模。在此，向我的恩师表示崇高的敬意和衷心的感谢！最后，感谢在论文的撰写中，给予我帮助的同学们，感谢他们为本文的研究工作所付出的辛勤劳动!由于本人水平有限，在论文中难免有不足之处，恳请各位老师批评指正。参考文献[1]贺曙新．车辆动态称重技术的历史、现状与展望．中外公路，2004，12(6)：104~106[2]国务院全国治理车辆超限超载领导工作小组．全国治理车辆超限超载工作简报，2004(1)．[3]刘汉平,王健刚,陈冰泉.汽车的运动速度对动态称重结果的影响.中外