1、长春理工大学本科毕业设计本科生毕业设计基于 FIR 算法的汽车动态称重系统的理论研究Theoretical Research of FIR Algorithm-Basedin Vehicle Dynamic Weighing Systems学 生 姓 名专 业学 号指 导 教 师学 院长春理工大学本科毕业设计毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或
2、以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文） ，可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月日长春理工大学本科毕业设计I摘要交通运输业的发展无疑对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是号称公路隐形杀手的营运车辆超
3、载现象屡禁不止，其危害是多方面的：加速损坏公路路面，增加公路养护成本；使国家税费大量流失；造成交通事故频繁发生；严重的环境污染；加速车辆的损坏。因此加强公路运输的管理、保障行车安全等问题也显得日趋重要。车辆动态称重，即在非停车的运动状态下的称重，与停车状态下的静态称重相比，其主要特点是节省时间，效率高，使得称重时不至于造成对正常交通的干扰。汽车动态称重是加强公路超限运输、强制实施超限法规等管理现代化、科学化的技术条件。动态车辆称重系统的研究对于保护公路的正常使用有着重要的经济意义和社会价值。关键字：动态称重 称重本体 FPGA FIR 单片机长春理工大学本科毕业设计IIABSTRACTThe
4、development of communication and transportation industry has undoubtedly played an active role in the construction of national economy. However, the overloading of trucking vehicles, which is known as stealthy killers of the highway, remains incessant in despite of repeated prohibition. Harms create
5、d by overloading are of manifolds, accelerating road damage, increasing road maintenance cost, leading to substantial run off of taxation and toll fee, bringing about frequent occurrence of traffic accidents, seriously polluting the environment, speeding up vehicle wear-off etc. So that it becomes m
6、ore and more important to reinforce control over road transportation. Dynamic weighing, i.e. weighing the vehicle on its moving state, with the characteristic of higher efficiency and time-saving, avoids the disturbance to the traffic in the weighing process, as compared with static weighing. Vehicl
7、e dynamic weighing is the technical precondition to the modernized and scientific management of reinforcing overloading control and forcing overloading control regulations. And the study of dynamic weighing system is of economic significance and social value in assurance of appropriate use of the ro
8、ads.KEY WORDS: dynamic weighing; Weighing noumenon; FPGA; FIR; single chip microprocessor 长春理工大学本科毕业设计I目录摘要 .IABSTRACT.II第 1 章 前言 .11.1 选题背景及意义 .11.2 动态称重概述 .11.3 动态车辆称重系统国内外研究现状 .21.4 几种动态测试方式及系统 .3第 2 章 硬件系统介绍 .52.1 整体设计介绍 .52.2 FPGA 概述 .62.3 放大滤波电路设计 .82.4 A/D 采集电路设计 .112.5 显示电路设计 .132.6 通讯电路设计 .
9、14第 3 章 软件设计 .173.1 FPGA 软件设计 .173.2 FIR 算法实现 .183.3 单片机软件设计 .253.3.1 动态称重仪表的数学模型 .253.3.2 单片机软件流程图 .25第 4 章 结论 .27第 5 章 展望和不足 .28参考文献 .29致 谢 .1长春理工大学本科毕业设计1第 1 章 前言1.1 选题背景及意义随着经济的发展和科技的进步，现代交通运输业飞速发展。近几年来我国对公路基础设施特别是高速公路建设的力度逐年加大，全国公路建设完成投资日益增加。交通运输业的发展无疑对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是号称公路隐形杀手的营运车辆超载现象屡禁不止，其
10、危害是多方面的 1。主要表现在：加速损坏公路路面，增加公路养护成本；使国家税费大量流失；造成交通事故频繁发生；严重的环境污染；加速车辆的损坏等几个方面。因此加强公路运输的管理、保障行车安全等问题也显得日趋重要。依据交通部对车辆轴类型及轴载质量的标准，我们准备对满足我国管理规范要求的全自动车辆动态称重超限管理系统进行实验性研究，为交通部门实施有效的超限管理提供了强有力的手段。鉴于国内车辆超载、超限的严重性，公路交通管理相关部门急于收集当前公路上行驶的车辆车型组成、轴载谱和超重程度、分析超重车辆对路面的损害影响程度，以便估算公路交通部门需为此增加的建设投资，并制定相应的管理措施和法规，为公路运营部
11、门按车重收费提供有效技术手段。同时提高动态称重的精度，提高称重时车辆通过速度、降低称重系统的成本仍是一个未能解决的问题，国内外一直都在探索一种全新型的动态称重方案。如何设计出速度快、抗干扰能力强、准确度高的新型全自动汽车动态称重超限管理系统，对交通部门有效地实施超限管理，保证行车安全、延长公路的使用寿命、降低公路养护的成本、减少环境污染等方面有着显著的社会效益和经济效益。1.2 动态称重概述车辆动态称重，即在非停车的运动状态下的称重。与停车状态下的静态称重相比，其主要特点是节省时间，效率高，使得称重时不至于造成对正常交通的干扰。这对公路建设与管理有着极为重要的意义，同时对车辆运输现代化管理也有
12、较大的促进作用。目前较为流行的是轴重称量轴重仪，即分别测出车辆各轴的轴重量，再由测量系统计算出整车重量。在静态称重时，车辆的轮胎平稳地作用于轴重仪称台上，无任何其它外力干扰，能反映真实轴重。因此可以实现高精度测量。动态称重时，车辆以一定速度通过轴重仪测量平台，不仅轮胎对平台的作用时间长春理工大学本科毕业设计2很短（在几百毫秒以内） ，而且作用在平台上的力除真实轴重外，还有许多因素产生的干扰力，如：车速、车辆自身谐振、路面激励、轮胎驱动力等。可以说真实轴重被淹没在各种干扰力中，给动态称重实现高精度测量造成很大困难。因此，在外界随机不确定的干扰力作用下如何准确测量真实轴重，就成了动态轴重测试系统的
13、技术难点和关键。就所存在的干扰进行整理、分析综合，从动态测试系统的整体角度探讨能减小或消除这些干扰力影响程度的措施和测试方式，无疑有助于高精度动态称重技术的进步及测试系统的发展 1。1.3 动态车辆称重系统国内外研究现状在 20 世纪 60 年代末 70 年代初，国外开始研究高速公路动态车辆称重系统以防止车辆超载对路面所造成的损坏，我国则起步较晚，开始于 80 年代初期 2。1974 年，法国取得了一项压电缆动态汽车称重器 Vibracoax 的专利。1988 年，英国研制出了性能优于 Vibracoax 的新型压电称重传感器 Vibetek5。1992 年，由欧洲高速公路系统研究实验室联盟(
14、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上行驶的汽车进行动态载荷监控的相关问题，其中最重要的是在瑞士进行为期 30 个月的 WIM 系统实际应用测试。1994 年，欧盟开始进行 WAVE(weighing in motion of axleand vehicles for Europe)计划即著名的 CET(cold environment test)测试。结果表明德国 PAT、美国 Mikros 等在测量性能方面处于领先水平。2000 年 ITS 年会上展出由美国 MSI 公司开发的共聚物压电轴传感器，可以同时测量车
15、速、车轴数、轴距及车型分类、动态称重。为了规范世界上的动态称重系统，1990 年德克萨斯大学的学者起草了 ASTME131890 标准 3。1）目前，国外汽车动态称重系统的研究以美国和德国水平较高，德国 PAT 公司生产的产品精度已达到3% 4。2）我国高等级公路的发展较国外晚，但超载现象特别严重，尤其是矿产资源富有地区。我国于 20 世纪 80 年代出现了带基坑和无基坑两种电子汽车衡 5，1994 年一种动、静态两用电子轨道衡 6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子一身，较好地解决了检测精度与汽车通过速度之间的矛盾。作为国家“八五” 重点科技项目，交通部重庆公路科学研究
16、所研制了一种固定式动态汽车称重系统 7，该系统轴重误差小于10%，置信度为 95%。3）汽车动态称重技术在现实中的应用。发达国家在公路骨干网上普遍设立了车辆动态称重检测设备，对汽车超载现象实施严格管理。目前，国内还没有一家企业能够自主生产汽车动态称重仪，其关键总成或配件依靠进口。本课题主要对动态车辆称重系统进行深入的分析和研究以解决其关键问题。长春理工大学本科毕业设计31.4 几种动态测试方式及系统动态称重时，车辆以一定速度通过轴重仪测量平台，不仅轮胎对平台的作用时间很短（在几百毫秒以内） ，而且作用在平台上的力除真实轴重外，还有许多因素产生的干扰力，如：车速、车辆自身谐振、路面激励、轮胎驱动
17、力等。可以说真实轴重被淹没在各种干扰力中，给动态称重实现高精度测量造成很大困难。因此，在外界随机不确定的干扰力作用下如何准确测量真实轴重，就成了动态轴重测试系统的技术难点和关键。就所存在的干扰进行整理、分析综合，从动态测试系统的整体角度探讨能减小或消除这些干扰力影响程度的措施和测试方式，无疑有助于高精度动态称重技术的进步及测试系统的发展 89。1.4.1 算术平均测试系统所谓算术平均，即对传感器输出信号进行多次快速数据采集，然后取算术平均值作为测试结果，以滤除随机误差。该测试系统基于高速 A/D 转换器与单片机数据采集处理功能。当车轮通过称台时，单片机在称重时区段内通过高速 A/D 转换器对传
18、感器输出信号进行自动快速采集，并将多次采集的数据进行预处理和存储，然后取算术平均，其结果认为是在动态下测试的轴重。从理论上来讲，该系统应能保证一定的测量精度。但是，在实际操作中，会受到若干条件限制（如称量时间较短、模数转换不够快） ，致使车辆通过速度上限与称量精度相矛盾。而且，由于称台较短，称重时间有限，所采集的数据不可能足够的达到精确平均值，有相当的偏差。因此，依此测试方式研制的轴重仪比较适合于静态称重或低速准动态称重（限速称重） 。1.4.2 位移积分测试系统由于干扰因素的存在，使行驶车辆在某些固有频率下震动。当车辆通过称台时对称台的作用力波形将由两部分组成，即与轴重成正比的静态分量和由各
19、种谐波成分组成的动态分量（如图 1-1 所示） 。80 年代，日本提出了一种位移积分法的测试方式，较好的解决了滤除动态分量干扰问题，大大提高了动态轴重称量精度。其原理大致是：将称重系统的输出信号对一小段位移沿(L 1)其长度（ L）积分，L 1 的两端是通过对称的前后排传感器的输出进行比较给定的。图 1-1 示出了称重的典型波形，图中阴影部分面积用于该测试方式中的计算，以得到接近于轴重的静态分量，消除动态分量。动态分量在积分区间被比较理想的平均了，使车辆震荡造成的干扰影响很小。由于积分是对前后排传感器的输出做出的比较后划分的位移区段进行的，因此即使车辆在较高车速下行使，仍能保证有较高的测试精度
20、。但这需要大量的数据才能保证其精度，其实现起来比较麻烦，这也是目前动态称重系统在提高汽车通过速度时，精度无长春理工大学本科毕业设计4法保证的关键所在。 L1t图 1-1 轴重的典型波形1.4.3 FIR 数字滤波测试系统本文在参考了以上几种方法以后，提出了一种 FIR 数字滤波方法，这种方法具有滤波效果好滤波参数修改方便而且容易实现等优点。由于 FIR 算法的运算量比较大，如果单纯用单片机来实现很难做到实时处理，所以我们用 FPGA 来实现 FIR 算法，单片机用来做一些辅助工作。长春理工大学本科毕业设计5第 2 章 硬件系统介绍2.1 整体设计介绍由于传感器输出为毫伏级差动信号所以放大器必须
21、为差动。在现场干扰比较严重，其中有传感器本身的干扰，其中共模干扰部分通过差动放大电路可以有效的消除，而串模干扰必须通过低通滤波消除，此时就得考虑滤波电容的大小。如果电容选择的大一些可以有效的消除串模干扰，但是同时滤波电路的输出信号会有一个比较大延迟，对汽车重量的实时测量来说这是不允许的。如果选用的电容比较小，虽然可以保证实时性但 却不能有效虑除干扰信号。所以电容大小的选择必须折中考虑。虽然有一部分干扰信号不能虑除但是可以通过软件滤波实现，比如可以通过平均值方法或者用自适应方法，这就需要 CPU 有足够的速度来保证计算的实时性，但是这种 CPU 往往价格比较高昂，所以仍然选用通用微处理器 89C
22、51。为了保证信号处理的实时性，我们用硬件完成滤波算法。本设计选用 Altera 公司的 FLEX10K10 器件，它具有速度快操作简单等特点。我们用 FPGA 器件实现数字滤波 FIR 算法。同时 FLEX10K10 器件还担任着一些简单逻辑电路设计的任务。其中处理完的数据通过单片机的串口传送到上位机，并且这个串口还用于数码管的显示，而串口切换是由 FPGA 完成的。图 2-1 设计整体框图由于本文选用的 A/D1674 芯片转换时间只有 10s，而所设计的电路是每隔 20s启动转换一次，所以有足够的时间完成模数转换。汽车轴重台的宽度为 40cm，汽车通过轴重台的最大速度为 15km/h，这
23、样可以求出汽车通过的最短时间为 0.096s。在这段时间里可以采集 4800 个数据。由于前 30ms 是传感器的反应时间，除去这部分数据，将剩下的数据进行 FIR 数字滤波后，噪声被有效的抑制。为了进一步的平滑波形，每 8 个数据做一次平均，这样就消弱了由于汽车高速通过轴重台时由于颠簸产生的尖峰信号。FPGA 的每次滤波包含有 FIR 运算和 8 个数据的平均值运算。FPGA 每完成一次滤波就会向单片机发一个中断请求，此时单片机读取滤波后的数据。由于选用的 A/D 是 12 位，而单片机 89C51 是 8 位的，所以经过处理后的数据必须分两次读入。第一次读入低八位，第二次读入高 4 位，然后对数据处
