車輛檢測器是現代交通控制系統(tǒng)中的基礎設施，其主要檢測對象包括檢測車輛的行駛速度,、流量,、占有率、車間距等信息?，F階段車輛檢測器主要有環(huán)形線圈檢測器,、視頻檢測器、RFID檢測器及磁映像檢測器等,。視頻檢測器采用圖像處理技術設置路面虛擬線圈完成車輛檢測,，具有無需破壞路面、支持多種交通流信息檢測的優(yōu)勢,。但其易受光照強度,、空間障礙物等干擾，環(huán)境適應能力較差,。磁映像檢測器采用AMR磁阻感知方式,，利用車輛通過對地磁場擾動進行檢測，對路面破壞較少,，但檢測靈敏度欠佳[1],。環(huán)形線圈檢測器在全天候、高精度車輛檢測方面有其他檢測器無法比擬的優(yōu)勢[2-3],。針對現實中要求車輛檢測器適應不同環(huán)境,、抗串擾的問題，本文基于等精度測頻法設計原理,，同時,，在軟件上采用分時選通工作方式，完成16路檢測節(jié)點車輛檢測功能,，避免相鄰線圈串擾,，提高系統(tǒng)抗干擾性。

1 系統(tǒng)設計原理
    環(huán)形線圈車輛檢測器是一種基于電磁感應原理的車輛檢測器,，由埋設在路面下的環(huán)形線圈,、信號檢測處理單元及饋線三部分組成。埋設在路面下的環(huán)形線圈與檢測器內的電容共同構成LC振蕩器,。根據電磁感應原理,，當有車輛經過環(huán)形線圈上方時，產生的渦流效應占主導作用,，促使線圈電感量減小,，導致振蕩器實時振蕩頻率f增大，處理器通過比較實時振蕩頻率f與本底頻率F的差異,，判斷是否有車輛存在或通過[4-6],。
    本設計采用多路分時選通方法使CPU內部計數器與外部計時器協(xié)同工作,，基于硬件原理實現等精度測頻，有效避免了因相鄰線圈串擾造成測頻誤差[2,，4],。同時，為了增加環(huán)形線圈檢測器的魯棒性,，在采樣數據處理中采用滑動中值濾波算法,，提高錯誤數據容錯能力。采用故障自恢復軟件處理算法,，保障系統(tǒng)在復雜多變外界環(huán)境下的自適應能力,。保證系統(tǒng)低成本、高精度地完成16路檢測節(jié)點車輛檢測,。
2 硬件設計
2.1 主體構成
    本系統(tǒng)采用精簡指令集ATmega128微處理器完成16路車輛檢測節(jié)點邏輯判斷,。系統(tǒng)主要由16路環(huán)形線圈耦合電路、測頻部分,、顯示部分,、檢測部分及通信部分構成。主體框圖如圖1所示,。

2.2 耦合電路
    環(huán)形線圈耦合電路采用電容三點振蕩電路,，由環(huán)形線圈與電路反饋電容決定震蕩頻率?？紤]渦流效應及實際環(huán)形線圈電感量范圍（國標GB/T26942-2011：50 μH~700 μH）,，選擇震蕩電路激勵頻率在40 kHz~200 kHz之間。根據振蕩電路頻率變化特性曲線及實際環(huán)形線圈調整耦合電路反饋電容值可得系統(tǒng)最佳檢測靈敏度[2],?？煽卣鹗庱詈想娐吩砣鐖D2所示。

2.3 頻率采集
    系統(tǒng)檢測靈敏度的關鍵在于采樣信號的準確性和實時性,。該模塊基于等精度測頻法硬件原理,，使用ATmega128內部16位計數器與外部16位計數器協(xié)同工作，經D觸發(fā)器轉換,，保證外部計數器與內部計數器硬件同步使能,。根據支路信號頻率的不同，靈活改變閘門時間,，使多路震蕩信號在整個測頻區(qū)域內等時間地保持恒定的測量精度,。外部計數器采用11.059 2 MHz標準頻率信號在實際閘門內計數[7-8]。等精度測頻原理如圖3所示,。

    圖4中,，波形A為單片機輸出的D觸發(fā)器控制信號，高電平計數器使能。波形B為4路震蕩信號分時選通后的4組波形,，波形C、D為其中兩路使能后的震蕩波形,。通過波形觀測可知,，檢測支路選通后可精確對N個波形進行同步計數（圖示2個周期）。
2.4 端口擴展
    系統(tǒng)采用ATmega128單處理器對16路環(huán)形線圈進行檢測,，輸入,、輸出控制信號較多。靈活使用數字邏輯電路對I/O端口進行擴展,。使用4線16線譯碼器芯片74HC154實現對16路耦合振蕩電路分時選通控制功能,，使用CD4012與非門將16路檢測信號傳輸至頻率采集電路，分時完成多路檢測節(jié)點信號采集,。分別由3片74HC595串入并出移位寄存器及8片74HC165并入串出移位寄存器完成16路檢測節(jié)點工作狀態(tài)指示及靈敏度設置,。
2.5 通信及信息存儲
    采用RS-485總線通信方式完成信息配置及數據通信，適用于實際路口交通信號機與多個檢測器組網連接,。通過EEPROM芯片24C64對16支路檢測節(jié)點地址進行唯一編號,，存儲檢測交通流歷史數據。
2.6 隔離保護
    環(huán)形線圈輸入,、輸出電路分別采用光耦CPC1030N及1:1變壓器隔離,，經壓敏電阻及防雷管保護，防止雷擊等瞬間過電壓對檢測電路造成損壞,，增強系統(tǒng)抗干擾性,。
3 軟件設計
3.1 系統(tǒng)軟件構成
    系統(tǒng)軟件采用模塊化分層設計，主要由控制模塊,、測頻模塊,、報警模塊、顯示模式和數據通信模塊組成,，以完成16路檢測節(jié)點邏輯判斷,。同時，采用分時選通采樣方式,，對采樣數據進行自適應中值濾波處理,，提高系統(tǒng)抗干擾性。系統(tǒng)軟件主體流程如圖5所示,。

3.2 測頻部分
    測頻部分是系統(tǒng)檢測精度的關鍵,。采用等精度測頻法，使用ATmega128內部計數器與外部計數器協(xié)同工作,，使多路震蕩信號在整個測頻區(qū)域內保持恒定的測量精度,。
    內部計數器對被測信號的個數進行計數，輸出比較引腳OC1C產生可變頻率的外部計數器使能信號，同步使能外部計數器在特定時間內對標準頻率進行計數,。啟動線圈震蕩后,，因LC震蕩電路起振時間及支路切換時間造成波形穩(wěn)定性問題，采用CTC模式改變OC3C比較輸出電平決定是否使能外部計數器,。前C1個脈沖用于穩(wěn)定震蕩頻率,，之后C2個脈沖信號再啟動外部計數器同步計數，實現頻率測量,。根據線圈的實際電感調節(jié)門限計數器的計數使能時間t2,，使各檢測支路等時間、等精度地完成頻率采集,，提高檢測靈敏度,。實際波形如圖4所示，測頻部分流程圖如圖6所示,。

3.3 魯棒性設計
    在實際應用環(huán)境中,，LC震蕩電路諧振頻率易受環(huán)境的影響而產生頻率漂移及瞬間干擾。采樣信號需經濾波處理后進行報警邏輯判斷及本底頻率產生,。針對采樣信號干擾特性,，采用5位滑動中值濾波算法處理后產生有效邏輯判斷信號，增強系統(tǒng)魯棒性[9],。采樣信號經濾波后有效地消除了隨機噪聲,，濾波效果如圖7所示。本設計采用20位自適應滑動中值濾波處理算法,，每隔t時刻存儲一次采樣數據,，對緩沖數組數據進行中值排序，產生本底頻率,。根據系統(tǒng)穩(wěn)定時間及采樣值與本底頻率差值temp決定刷新間隔時間t,。采用不同刷新時間增強對環(huán)境的自適應能力，如下所示：
   
3.4 報警邏輯
    通過多路分時選通對采樣頻率與本底頻率進行比較,，并實時刷新報警,。基于狀態(tài)機原理,，將系統(tǒng)狀態(tài)分為無車狀態(tài),、車輛存在、車輛駛過和錯誤數據,。分類處理增強了檢測可靠性和對錯誤數據的容錯處理能力,。系統(tǒng)具有故障自診斷能力，可根據震蕩頻率變化對線圈開路,、短路和電路故障狀態(tài)進行分類判斷,。
4 測試效果
4.1 多路切換檢測穩(wěn)定性
    對于等精度測頻法在環(huán)形線圈車輛檢測器中的應用，本文取不同電感對采樣頻率進行測量，取5 000個樣本數據進行穩(wěn)定性分析,，頻率采樣值直方圖如圖7所示,。其中采樣值n0為在N個被測頻率fx時間內，對標準頻率f0的計數個數,，即n0=N·f0/fx,。

4.2 實際效果
    使用30 cm×30 cm環(huán)形線圈模擬地埋線圈，50 cm×70 cm鐵板模擬車輛駛過,，可正常感應鐵板存在并輸出報警，具體測試效果如圖8所示,。

    該環(huán)形線圈檢測器已應用于實際路口進行測試,，試驗效果良好。根據采樣數據可進一步對車型分類,，對道路車流量,、瞬時車速及時間占有率進行分析計算。
    系統(tǒng)采用等精度測頻法實現車輛檢測功能,?；诙嗦氛鹗庪娐范嗦愤x通原理分時完成16路檢測節(jié)點信號產生、信號采樣及信號處理,。經實際驗證,，90 ms內可完成16路車輛檢測節(jié)點邏輯判斷功能，可滿足160 km/h以下車速實時性檢測,。采用16路環(huán)形線圈分時循環(huán)檢測,，既保證了系統(tǒng)檢測精度，提高了系統(tǒng)抗串擾性,，同時可保證系統(tǒng)檢測實時性,。
參考文獻
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