研制了一種適用于高速公路計(jì)重收費(fèi)或治理超載車輛的動態(tài)地磅。采用特殊的力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了 稱重板動態(tài)測量的精度，并將無線傳輸技術(shù)應(yīng)用于測量數(shù)據(jù)的近程傳輸，克服了野外工作煩瑣的遠(yuǎn)距離布線施工，利用GPRS功能實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控、診斷和維護(hù)功能。

1.前言

自90年代始，我國高速公路的建設(shè)進(jìn)入了高速發(fā)展期，由于管理上不成熟和缺少管理上必備的硬件設(shè) 備，缺少約束的市場化，眾多運(yùn)輸業(yè)者片面追求利潤，致使運(yùn)輸車輛嚴(yán)重超載，造成大量安全事故和道路早期 的損壞，給國家和人民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對超限車輛進(jìn)行載重監(jiān)測具有重要意義。近日，按照交 通部等七部委的文件，軸重秤將被廣泛用于公路運(yùn)輸，作為車輛計(jì)重收費(fèi)的結(jié)算依據(jù)。但從試點(diǎn)運(yùn)用情況看 產(chǎn)品普遍存在動態(tài)計(jì)量誤差偏大，穩(wěn)定性差，使用壽命短，維護(hù)響應(yīng)慢，成本高，影響公路車流量，流轉(zhuǎn)效率等 問題，為此動態(tài)地磅即成為適應(yīng)高速公路事業(yè)飛速發(fā)展的必要監(jiān)測設(shè)備。

2.無線數(shù)字動態(tài)輪重儀設(shè)計(jì)方案

2.1設(shè)計(jì)思想

針對目前公路上計(jì)重收費(fèi)試點(diǎn)的應(yīng)用情況，稱重設(shè)備的計(jì)量準(zhǔn)確度以及產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性和一致性，產(chǎn) 品壽命、可維護(hù)性都是我們改進(jìn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

?計(jì)量準(zhǔn)確度，是強(qiáng)調(diào)高速測量條件下要求計(jì)量準(zhǔn)確。為了提高交通流量，不宜采用靜止平衡狀態(tài)下的稱重方法,而是對以一定速度行駛中的車輛稱重。

?產(chǎn)品性能,強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下,經(jīng)常過載和高頻率反復(fù)加載的條件下的疲勞穩(wěn)定性,性能一致性和增 長使用壽命。

?可維護(hù)性,是強(qiáng)調(diào)在不封閉、不阻斷交通流量的條件下,易于定位故障和排除故障的能力。

因此,無線數(shù)字動態(tài)輪重儀的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則是1個(gè)基本點(diǎn),4個(gè)重點(diǎn)。

1個(gè)基本點(diǎn)：以滿足國家科技部項(xiàng)目申報(bào)書的技術(shù)要求為前提,立足現(xiàn)有的質(zhì)量較好產(chǎn)品和現(xiàn)用的有效 技術(shù),力求技術(shù)有所進(jìn)步。

4個(gè)重點(diǎn):準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、壽命和可維護(hù)性。

2.2設(shè)計(jì)方案

無線數(shù)字動態(tài)輪重儀由稱重板、儀表和無線數(shù)字傳輸3個(gè)模塊組成。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2.2.1 稱重板

稱重板釆用的材質(zhì)是經(jīng)過強(qiáng)化處理的高強(qiáng)度鋁基合金。它是一個(gè)大型的力傳感器,其內(nèi)部粘貼十組由 電阻應(yīng)變片、補(bǔ)償片構(gòu)成的應(yīng)變測量電橋(惠斯登電橋），全并聯(lián)后通過銅電纜將應(yīng)變電壓引出送往儀表(控 制柜）。滿量程應(yīng)變電壓一般在20 mV?30 mV以下,該信號送往儀表的A/D轉(zhuǎn)換器作進(jìn)一步處理。

這種稱重板類屬彎板式結(jié)構(gòu),它的主要特點(diǎn)是對于側(cè)向力不敏感有利于減少動態(tài)稱重誤差、安裝工程量 小、故障率低、可靠性高、使用壽命長。由于受到我國制造條件限制,首批國產(chǎn)動態(tài)計(jì)重衡都沒有能力釆用彎 板式稱重板。市場上德國派特公司以此類產(chǎn)品稱雄中國,價(jià)格奇貴,但是使用效果較好。我們的設(shè)計(jì)巧妙地 把易于制造的2塊小尺寸便攜式彎板拼接起來用1個(gè)鋼結(jié)構(gòu)支架將之固定在一起,形成一個(gè)整體稱重板,是 一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。目前彎板式動態(tài)稱重儀已成為需求熱點(diǎn),我們的設(shè)計(jì)緊緊扣住了技術(shù)進(jìn)步和市場需求熱點(diǎn)并 且顧及本土量產(chǎn)的技術(shù)可能性。

稱重板主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2.2.2儀表

儀表接收來自稱重板的應(yīng)變電信號,輸入信號范圍-15 mV?+30 mV。

本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一是釆用美國AD公司的高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7750 ,內(nèi)置數(shù)字濾波器帶信號調(diào)理電路 的16位A/D轉(zhuǎn)換器件。該器件可直接接受來自傳感器的低電壓。內(nèi)置的FPGA將不同幅值的輸入信號放 大到接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Σ-△轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)16位無丟失代碼性能。數(shù)字濾波發(fā) 生在模數(shù)轉(zhuǎn)換之后,內(nèi)嵌的數(shù)字低通濾波器,它能消除模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的噪音,對于50 Hz的工頻干擾 有大于100 dB的抑制，同時(shí)便于用戶編程截止頻率和輸出更新率。我們的設(shè)計(jì)非常緊湊,所有的信號處理 電路全部釆用數(shù)字信號處理技術(shù),因此在極其惡劣的環(huán)境條件下仍能保證良好的性能指標(biāo)和長時(shí)間的穩(wěn)定 性，電路可靠性很高。

應(yīng)變電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號以后,被讀入微處理器進(jìn)行數(shù)字信號處理。

車輛在路基上運(yùn)行是一個(gè)復(fù)雜的車輛動力學(xué)問題。如汽車在公路上的運(yùn)行,它對路基的作用力,除了質(zhì) 量產(chǎn)生的重力之外,還有很多為振動所產(chǎn)生的附加力,其方向多維而大小隨機(jī),作為衡器是不需要這些不良 數(shù)據(jù)的,應(yīng)視為干擾加以排除。

路面狀況和計(jì)重設(shè)備安裝質(zhì)量與干擾強(qiáng)弱相關(guān),即使精心設(shè)計(jì)施工,行進(jìn)車輛也會有10 %左右的振動 分量,而駛上稱臺所激起的過沖又常常大于上述數(shù)值。更有甚者,存心不良的司機(jī)在稱臺上故意加減速、剎車或扭動車輪以制造人為誤差，這樣增加了提高動態(tài)稱量精度的技術(shù)難度。

所以本設(shè)計(jì)著重于解決這個(gè)技術(shù)關(guān)鍵問題，除了采用彎板式稱重板之外，適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號處理方法就非 常重要。本設(shè)計(jì)研究了一種雙梯形法。

儀表運(yùn)算的結(jié)果直接顯示在面板上，同時(shí)通過RS232 (或RS232 + RF模塊）向上位機(jī)輸出，便于海量存 儲資料供查詢和打印各式報(bào)表。

儀表還有設(shè)備工況自檢和報(bào)警功能等，同樣可以面板顯示和通過RS232向上位機(jī)輸出。上位機(jī)則可以 通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

儀表主要技術(shù)參數(shù)見表2。

2.2.3無線數(shù)字傳輸模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸是本設(shè)計(jì)又一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

當(dāng)儀表與上位機(jī)離開30 m以上時(shí)(RS232)或鋪設(shè)信號電纜不方便時(shí)，可以改用RF無線信道向上位機(jī)傳 送重量等數(shù)據(jù)。

當(dāng)需要在全國范圍內(nèi)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，可以啟用GPRS信道。此方式對于遠(yuǎn)程監(jiān)控和維修分散于全國各地 的設(shè)備，由于響應(yīng)及時(shí)，省錢省力優(yōu)點(diǎn)明顯。

儀表還具備輪胎識別器信號處理，車輛分隔器信號處理的功能。當(dāng)本系統(tǒng)加上輪胎識別器和車輛識別 器等其他設(shè)備時(shí)才能完整地進(jìn)行自動計(jì)重收費(fèi)。

3.無線數(shù)字動態(tài)地磅的應(yīng)用-一計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)

無線數(shù)字動態(tài)輪重儀收費(fèi)系統(tǒng)主要由埋入式一體化稱重板(2塊)、紅外線光幕分離器、輪胎識別器、室 外控制柜(內(nèi)含無線數(shù)字傳輸功能)等組成，其工作原理見圖2。

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

3.1.1彎板式稱重臺

埋入式一體化動靜態(tài)稱重板是把稱重傳感器和秤臺結(jié)合在一起的特殊測力傳感器，不同于目前高速公 路上使用的懸掛式軸重稱臺。應(yīng)用特殊的電阻應(yīng)變片和應(yīng)變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了重量測量的精確性，同時(shí)為保 證在室外惡劣環(huán)境中的使用，釆用了全焊接密封結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)無機(jī)械傳力部件的聯(lián)結(jié)，保證了稱重板的可靠性 和穩(wěn)定性，并提高了稱重計(jì)量的動態(tài)響應(yīng)性能。秤臺安裝位置垂直于行車方向并列平行安裝2塊稱重板(見 圖3)，其主要技術(shù)參數(shù)見表3。

3.1.2紅外線光幕分離器

紅外線光幕分離器能夠?qū)B續(xù)行駛的車輛進(jìn)行自動分離。安裝于車道兩側(cè)（見圖3)，通過紅外線同步 掃描給系統(tǒng)提供車輛通過的開始與結(jié)束信號，保證稱重?cái)?shù)據(jù)與車輛一一對應(yīng)。其主要技術(shù)參數(shù)見表4。 

3.1.3輪胎識別器

輪胎識別器由一組壓力傳感器組成，檢測單邊輪胎型號及輪軸個(gè)數(shù)。安裝時(shí)平行于稱重板并置于稱重 板前端(見圖3)。其主要技術(shù)參數(shù)見表5。

3.1.4控制柜

控制柜安裝于靠近稱重板車道外側(cè)，內(nèi)置的控制器由一體化的電子稱重模塊、車速計(jì)、輪胎識別器、數(shù)字 動態(tài)測量模塊、無線信號發(fā)射模塊以及供電電源和計(jì)算機(jī)稱量數(shù)據(jù)分析軟件等組成。車輪作用下，承載臺變 形的微小信號經(jīng)前置放大器同步放大，再經(jīng)過濾波，高速A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，連同車速、輪胎識別器信 號一起進(jìn)入微處理器通過軟件分析系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)，并形成稱重測量數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)報(bào)表，數(shù)據(jù)同步送入發(fā)射器 模塊，以特定頻率用無線數(shù)字方式發(fā)送出去。其主要技術(shù)參數(shù)見表6。

3.1.5無線通訊

3.1.5.1無線通訊模塊特性及參數(shù)

?微功率發(fā)射:最大發(fā)射功率為10 mW。

?工作頻率在ISM頻道，無需申請頻點(diǎn)。載頻頻率430 MHz，也可提供315/868/915 MHz載頻。

?傳輸距離遠(yuǎn):在視距情況下，可靠傳輸距離<300 m(BER =10-3)。

?透明的數(shù)據(jù)傳輸:提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議。自動過濾掉空中產(chǎn)生 的噪音信號及假數(shù)據(jù)(所發(fā)即所收）。

?多信道:根據(jù)用戶需要可擴(kuò)展多個(gè)信道，滿足用戶多種通信組合方式。

3 種接 口 方式:TIL 電平 VART 接 口、RS~232、RS~485 接 口。

?接口波特率為57 600 b/s，格式為8N1/8E1用戶自定義。

?智能數(shù)據(jù)控制:用戶無需編制多余的程序，只要從接口收/發(fā)數(shù)據(jù)即可，空中收/發(fā)轉(zhuǎn)換，控制等操作， 模塊能夠自動完成。

?低功耗及休眠功能:接收電流< 10 mA，發(fā)射電流<30 mA，休眠電流<50 uA。 ?高可靠性:體積小、重量輕，外圍電路少，可靠性高，故障率低。

3. 1.5.2 GPRS模塊特性及參數(shù)

9 V寬電源供電和SMA天線接口，用戶無需提供其他外圍電路即可通過RS~232輕松實(shí)現(xiàn)與Internet的 數(shù)據(jù)互聯(lián)。

DB9形式串口 ；其中可以根據(jù)客戶的要求來選擇如RS~232，RS-485等類型。

?產(chǎn)品體積小巧，設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮不同環(huán)境下的應(yīng)用，避免了各種內(nèi)因造成的工作隱患。

?既可作嵌入式使用，也可外置使用。ElPro-201外置產(chǎn)品外形尺寸為75 *50 * 16 mm，重量200 g(oz.)。

?外殼采用冷軋板，堅(jiān)固耐用。可以有效地抵御各種惡劣環(huán)境;抗強(qiáng)電磁干擾;高溫散熱能力極強(qiáng);加上 性能優(yōu)異的電源伺服電路，可以最大限度地保證在變電站設(shè)備監(jiān)控、工廠車間設(shè)備監(jiān)控等環(huán)境中正常使用。

?內(nèi)部由三部分構(gòu)成：GPRS模塊、電源部分、外部接口部分。電源部為GPRS模塊提供合適的電源； GPRS模塊負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)通訊;外部接口部分包括1個(gè)DB9接口、SMA天線接口、SM卡座接口、電源頭接 口、復(fù)位孔。

?工作溫度：-30 ℃?+60 ℃;濕度范圍：<90 %。

?在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了用戶使用的簡便性，提供了常見的DB9接口。用戶可以通過ITL電平或者標(biāo) 準(zhǔn)RS232接口以及RS485接口與之相連。主機(jī)系統(tǒng)只要存在串行通訊接口（RS232)，它就可以使用所帶來 的強(qiáng)大通訊功能。

通信參數(shù)都通過軟件設(shè)置(AT指令集)實(shí)現(xiàn)。

無線數(shù)字動態(tài)輪重儀計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)特點(diǎn)

針對市場上動態(tài)汽車衡的現(xiàn)存缺陷，無線數(shù)字動態(tài)輪重儀計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)采取了新的技術(shù)措施，賦予新的 技術(shù)特點(diǎn)，達(dá)到了改善性能的目標(biāo)。

?采用埋入式一體化輪重左、右雙秤臺，全焊接密封結(jié)構(gòu)。主要優(yōu)點(diǎn)是排除側(cè)向力的干擾及簡化結(jié)構(gòu)和 安裝工程，同時(shí)增加系統(tǒng)組態(tài)靈活性。

?采用數(shù)字式信號傳輸。主要優(yōu)點(diǎn)是A/D變換器可以非常緊靠傳感器的模擬信號輸出，使信號失真和 衰減最小，有利于提高稱重精度。采用RS485總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)稱重?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳送，抗干擾能力強(qiáng)。而且對 非線性、滯后、蠕變、溫度性能等參數(shù)自動補(bǔ)償。便于采用更有效的信號處理技術(shù)提高測量精度。偏載（四 角)校準(zhǔn)可以一次完成。

?儀表采用高性能片上集成系統(tǒng)。主要優(yōu)點(diǎn)是，提高系統(tǒng)可靠性，便于采用多種較復(fù)雜的數(shù)字信號處理 技術(shù)，提高動態(tài)快速稱重的準(zhǔn)確度。

?秤體與儀表之間通信采用可切換的有線和無線數(shù)據(jù)傳輸。主要優(yōu)點(diǎn)是減低傳輸干擾，降低誤差和防 止雷擊損害。

?配備無線遠(yuǎn)程診斷功能。主要優(yōu)點(diǎn)是對廣域安裝分布的設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高售后 維護(hù)質(zhì)量，鞏固市場。

4.試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)無線數(shù)字動態(tài)輪重儀性能指標(biāo)要求，我們對樣機(jī)作了以下方面的試驗(yàn)并作了詳細(xì)的試驗(yàn)記錄。

?被檢車輛(試驗(yàn)用車輛)標(biāo)準(zhǔn)值 ?光幕檢測 ?車型判別 ?車輛分離與收尾 ?動態(tài)稱重 ?倒車測試

?數(shù)據(jù)同步、刪除及模擬故障和復(fù)位重啟試驗(yàn)

GPRS遠(yuǎn)程控制中心測試 ?儀表通信試驗(yàn)

在詳細(xì)分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，得出以下結(jié)論:

本系統(tǒng)靜態(tài)精度達(dá)到國家m級標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)動態(tài)稱重狀態(tài)下低速（< 10 km/h)稱重的精度為2 %F. S.，高速 (<30 km/h)稱重的精度為3 %F. S.;控制器與本地計(jì)算機(jī)的近程無線數(shù)據(jù)傳輸工作方式穩(wěn)定;實(shí)現(xiàn)了與遠(yuǎn) 程控制中心GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能。各項(xiàng)試驗(yàn)均滿足本系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。

5.結(jié)語

無線數(shù)字動態(tài)地磅涵蓋力學(xué)、微電子、通訊、計(jì)算機(jī)軟硬件等多種學(xué)科，在設(shè)備上體現(xiàn)于一體化稱重 板、模塊化控制器、智能軟件和近/遠(yuǎn)程無線通訊。按照交通部近期關(guān)于治超的文件精神，我們大膽的將計(jì)重 收費(fèi)系統(tǒng)融入高速公路收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中收費(fèi)，便于高速公路管理部門集中管制，提高工作效率，保證高速 公路交通流量。