本文介紹了動態(tài)稱重在公路收費系統(tǒng)中的實際應用。本系統(tǒng)以基于單片機AD7714的動態(tài)地磅為核心,采用雙CPU結構，數(shù)據(jù)管理單元采用上位機、下位機分級管理，輔之一些必不可少的設備構成一 套完整的計重收費系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效地提高了系統(tǒng)的響應時間和穩(wěn)定性。

0.引言

動態(tài)地磅也稱動態(tài)軸重儀,是對行駛中的 車輛稱重的一種衡器，在公路計重收費系統(tǒng)中用 于對車輛超限進行檢測和對車輛計重。本文介紹 的計重收費系統(tǒng)已在實際中應用。本系統(tǒng)適用于 各種運輸車輛的檢測，特別適用于公路車流量大、 需要全天候檢測的地方。本系統(tǒng)既可建站專人管 理，也可實現(xiàn)無人自動檢測，可滿足不同客戶及各 種條件。系統(tǒng)采用模塊化結構設計，易于擴展、收 縮。主要模塊包括檢測單元、信號采集處理、變送 單元(單片機）、數(shù)據(jù)管理單元（微機）、輔助單元 (顯示、打印）等。數(shù)據(jù)管理單元采用上位機、下 位機分級管理，同時下位機具有上位機主要功能， 增強系統(tǒng)的容錯能力。信號采集處理、變送單元 (單片機)采用目前先進的模擬信號處理技術，采 用雙CPU結構，有效地提高了系統(tǒng)的響應時間和 穩(wěn)定性。

1.計重收費系統(tǒng)構成及功能

計重收費系統(tǒng)構成如圖1所示，其各部分的 功能如下：

①動態(tài)地磅臺面采用上翻式結構，具有 防水、防潮作用，設于距離收費窗口約30m左右 (最長的車輛長度）的路面，用于動態(tài)檢測車輛各 軸軸重U,)、總重(M)、軸數(shù)（a)以及車輛第一車 軸到達時間（〃<1)、最后車軸離開時間（W2 )等。 臺面尺寸為3 600mm x 760mm x 198mm，傳感器 (4個)采用電阻應變式、精度為±0.2%c、靈敏度 為3mV/V的壓力傳感器。

②汽車收尾識別器位于動態(tài)地磅臺面 后方20cm處，用于檢測車輛車頭高度、到達時間 U1)、離開時間U2)，高度為1 800mm。采用收 發(fā)式紅外線陣列進行面檢測,接收和發(fā)射均經(jīng)過 聚光處理且為雙備份，系統(tǒng)能自動檢測到每一個 接收、發(fā)射點的工作情況，當檢測到有不正常工作 時，系統(tǒng)自動調整發(fā)送功率或接收點的工作狀態(tài) 來修復故障。修復失敗時由系統(tǒng)自動切換備用 點，即使有不相鄰的數(shù)個檢測點不能使用也不影 響系統(tǒng)正常運行。這些措施可以保證系統(tǒng)在惡劣 的環(huán)境下能正常、長期運行。紅外線汽車收尾識 別器能夠檢測到面內直徑不小于8cm的桿體。 有些書中介紹用環(huán)形線圈來檢測車輛的收尾，事 實證明不但不能解決拖掛車的收尾問題，且無法 識別相距較近的兩輛車；這種介紹只具有理論性， 不能用于實際系統(tǒng)中。

③速度識別器位于汽車收尾識別器前 方2m處，高度為800mm，用于檢測車輛到達時 間（pt1)、離開時間（Pt2)以及根據(jù)收尾識別器 檢測到的到達時間計算出車輛通過動態(tài)地磅臺面時的速度（V)。有些書中介紹用環(huán)形線 圈來檢測車輛的速度，事實證明由于車輛底盤 結構和高度不同，又是在小范圍內檢測車輛的 速度，所以其精度極差；這種介紹也只具有理 論性，不能用于實際系統(tǒng)中。

④下位機用于對汽車收尾識別器和速度 識別器的紅外陣列的控制、檢測、修復、備用點切 換，對動態(tài)地磅中的壓力傳感器輸出的模擬信 號進行預處理放大和A/D轉換。紅外陣列的控 制、檢測、修復、備用點切換用一塊單片機進行，采 用并行總線和每一接收和發(fā)送點連接，發(fā)送點用 38kHz可控發(fā)送功率的紅外發(fā)射管，接收點用集 成化的紅外接收模塊。系統(tǒng)根據(jù)接收到的發(fā)送脈 沖數(shù)來斷定是否有物體遮擋紅外線路，接收、發(fā)送 點是否有故障等，并采用交叉發(fā)送和接收工作，這 樣有個別點不工作也不影響系統(tǒng)正常運行。對壓 力傳感器輸出的模擬信號進行預處理放大和A/ D轉換也用一塊單片機進行。本系統(tǒng)采用美國 Analog Devices 公司推出的 24Bit AD7714 芯片 (ADC家族AD771X系列中的新品，適用于低頻、 高精度轉換）。該芯片具有完整的模擬前端，可 以直接測量傳感器輸出的直流微弱信號,轉換精 度達到24位無誤碼。采用三線串行口與單片機 聯(lián)接，通過軟件編程對輸人通道作出設置。該芯 片具有自校準、系統(tǒng)校準和背景校準功能，可以消 除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。因 篇幅有限，有關AD7714的各種工作模式、校準操 作等未能詳細介紹，可參閱Analog Devices公司 的AD7714數(shù)據(jù)手冊。

⑤綜合顯示器置于收費島面上，司機能看 清顯示器上的數(shù)據(jù)。能顯示收費車輛的車型、應 收金額和通行信號燈。司機按顯示的金額交納通 行費，并按通行信號燈的指示行駛。

⑥自動欄桿司機交費結束自動抬起放行， 通過欄桿后自動落下。

⑦上位機接收來自下位機信號和數(shù)據(jù)，計 算出車輛總重和通行速度，車輛總重乘以通行速 度影響系數(shù)(P)為車輛實際重量，再根據(jù)收費標 準計算出應收金額，送綜合顯示器顯示，并控制欄 桿。同時根據(jù)下位機送來的數(shù)據(jù)計算車輛的車頭 高度、車軸數(shù)、車輛長度(I)、車軸距離（Z)等車輛 特征來判定車輛標載重，和實際載重比較后就能 知道該車是否超限。計算公式為：

2.數(shù)據(jù)處理與軟件設計方法

當計重區(qū)內（收費窗口到收尾檢測面之間的 區(qū)域）沒有車輛時，紅外陣列進行自檢，從發(fā)現(xiàn)故 障到修復一般只需3分鐘的時間。當長時間（10 分鐘）沒有車輛進人時，紅外陣列進人睡眠節(jié)能 狀態(tài)；當有車輛進人時，自動激活運行。

當收尾檢測器檢測到車輛進人計重區(qū)時，下位 機的收尾檢測器控制單元輸出高電平并記錄時間， 根據(jù)擋住最高點的紅外頭計算出車輛高度，同時 A/D以200次/秒的速率采樣、轉換數(shù)據(jù)。第一個 車軸進人稱臺時記錄到達時間，并將車軸在稱臺上 的時間段內的數(shù)據(jù)存儲，車軸離開稱臺時記錄時間 并對所存儲的計重進行處理得出軸重并存儲。重 復這個過程直到車輛離開收尾檢測器，最后一次車 軸到達稱臺的時間為車輛的末軸到達時間。車輛 離開收尾檢測器時，記錄離開時間，收尾檢測器控 制單元輸出低電平，同時A/D停止采樣、轉換數(shù) 據(jù)。上述的這些數(shù)據(jù)在車輛離開收尾檢測時通過 RS -232串行口送上位機進行處理，當斷定車輛載 重超限時報警，由有關人員另行處理。

由于計重區(qū)范圍較大，上位機的軟件編程應 考慮到有多輛車進人區(qū)域的情況，故應在上位機 的屏幕上顯示當前車輛的收費信息，以及收費區(qū) 內所有車輛的收費信息。當前車輛收費結束后， 第二輛自動上升為當前車輛，還要考慮到當車輛 長久停在稱臺時（時間大于10s)，則此輛車的速 度影響系數(shù)應以0速度計算（實踐證明其誤差率 小于0.1 %，能夠滿足要求）。

3.結束語

本文僅著重介紹了計重部分的內容,在具體 的收費過程中還需要配合圖像監(jiān)控、對講監(jiān)聽以 及系統(tǒng)網(wǎng)絡才能形成一套完整的公路收費系統(tǒng)。 有關公路收費系統(tǒng)的內容請參照其他資料。

本計重系統(tǒng)在設計過程中充分考慮了系統(tǒng)的 環(huán)境適應性、穩(wěn)定性、抗干擾性、自適應性。所研 制的系統(tǒng)正應用于公路收費現(xiàn)場，運行良好，證明 設計方案是正確的。