車輛檢測器是現(xiàn)代交通控制系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施，其主要檢測對(duì)象包括檢測車輛的行駛速度,、流量,、占有率、車間距等信息?，F(xiàn)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(shù)設(shè)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(qiáng)度,、空間障礙物等干擾，環(huán)境適應(yīng)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(duì)地磁場擾動(dòng)進(jìn)行檢測,，對(duì)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(duì)現(xiàn)實(shí)中要求車輛檢測器適應(yīng)不同環(huán)境、抗串?dāng)_的問題,，本文基于等精度測頻法設(shè)計(jì)原理,，同時(shí)，在軟件上采用分時(shí)選通工作方式,，完成16路檢測節(jié)點(diǎn)車輛檢測功能,，避免相鄰線圈串?dāng)_，提高系統(tǒng)抗干擾性,。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
    環(huán)形線圈車輛檢測器是一種基于電磁感應(yīng)原理的車輛檢測器,，由埋設(shè)在路面下的環(huán)形線圈、信號(hào)檢測處理單元及饋線三部分組成,。埋設(shè)在路面下的環(huán)形線圈與檢測器內(nèi)的電容共同構(gòu)成LC振蕩器,。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)有車輛經(jīng)過環(huán)形線圈上方時(shí),，產(chǎn)生的渦流效應(yīng)占主導(dǎo)作用,，促使線圈電感量減小，導(dǎo)致振蕩器實(shí)時(shí)振蕩頻率f增大，處理器通過比較實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)采用多路分時(shí)選通方法使CPU內(nèi)部計(jì)數(shù)器與外部計(jì)時(shí)器協(xié)同工作，基于硬件原理實(shí)現(xiàn)等精度測頻,，有效避免了因相鄰線圈串?dāng)_造成測頻誤差[2,，4]。同時(shí),，為了增加環(huán)形線圈檢測器的魯棒性,，在采樣數(shù)據(jù)處理中采用滑動(dòng)中值濾波算法，提高錯(cuò)誤數(shù)據(jù)容錯(cuò)能力,。采用故障自恢復(fù)軟件處理算法,，保障系統(tǒng)在復(fù)雜多變外界環(huán)境下的自適應(yīng)能力。保證系統(tǒng)低成本,、高精度地完成16路檢測節(jié)點(diǎn)車輛檢測,。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 主體構(gòu)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(diǎn)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(gòu)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(diǎn)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(yīng)及實(shí)際環(huán)形線圈電感量范圍（國標(biāo)GB/T26942-2011：50 μH~700 μH），選擇震蕩電路激勵(lì)頻率在40 kHz~200 kHz之間,。根據(jù)振蕩電路頻率變化特性曲線及實(shí)際環(huán)形線圈調(diào)整耦合電路反饋電容值可得系統(tǒng)最佳檢測靈敏度[2],。可控震蕩耦合電路原理如圖2所示,。

2.3 頻率采集
    系統(tǒng)檢測靈敏度的關(guān)鍵在于采樣信號(hào)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性,。該模塊基于等精度測頻法硬件原理，使用ATmega128內(nèi)部16位計(jì)數(shù)器與外部16位計(jì)數(shù)器協(xié)同工作,，經(jīng)D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換,，保證外部計(jì)數(shù)器與內(nèi)部計(jì)數(shù)器硬件同步使能。根據(jù)支路信號(hào)頻率的不同,，靈活改變閘門時(shí)間,，使多路震蕩信號(hào)在整個(gè)測頻區(qū)域內(nèi)等時(shí)間地保持恒定的測量精度。外部計(jì)數(shù)器采用11.059 2 MHz標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)在實(shí)際閘門內(nèi)計(jì)數(shù)[7-8],。等精度測頻原理如圖3所示,。

    圖4中，波形A為單片機(jī)輸出的D觸發(fā)器控制信號(hào)，高電平計(jì)數(shù)器使能,。波形B為4路震蕩信號(hào)分時(shí)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(duì)N個(gè)波形進(jìn)行同步計(jì)數(shù)（圖示2個(gè)周期）。
2.4 端口擴(kuò)展
    系統(tǒng)采用ATmega128單處理器對(duì)16路環(huán)形線圈進(jìn)行檢測,，輸入,、輸出控制信號(hào)較多。靈活使用數(shù)字邏輯電路對(duì)I/O端口進(jìn)行擴(kuò)展,。使用4線16線譯碼器芯片74HC154實(shí)現(xiàn)對(duì)16路耦合振蕩電路分時(shí)選通控制功能,，使用CD4012與非門將16路檢測信號(hào)傳輸至頻率采集電路，分時(shí)完成多路檢測節(jié)點(diǎn)信號(hào)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(diǎn)工作狀態(tài)指示及靈敏度設(shè)置,。
2.5 通信及信息存儲(chǔ)
    采用RS-485總線通信方式完成信息配置及數(shù)據(jù)通信，適用于實(shí)際路口交通信號(hào)機(jī)與多個(gè)檢測器組網(wǎng)連接,。通過EEPROM芯片24C64對(duì)16支路檢測節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行唯一編號(hào),，存儲(chǔ)檢測交通流歷史數(shù)據(jù)。
2.6 隔離保護(hù)
    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(jīng)壓敏電阻及防雷管保護(hù)，防止雷擊等瞬間過電壓對(duì)檢測電路造成損壞,，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)軟件構(gòu)成
    系統(tǒng)軟件采用模塊化分層設(shè)計(jì),，主要由控制模塊,、測頻模塊、報(bào)警模塊,、顯示模式和數(shù)據(jù)通信模塊組成,，以完成16路檢測節(jié)點(diǎn)邏輯判斷。同時(shí),，采用分時(shí)選通采樣方式,，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)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(guān)鍵。采用等精度測頻法,，使用ATmega128內(nèi)部計(jì)數(shù)器與外部計(jì)數(shù)器協(xié)同工作,，使多路震蕩信號(hào)在整個(gè)測頻區(qū)域內(nèi)保持恒定的測量精度。
    內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)被測信號(hào)的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出比較引腳OC1C產(chǎn)生可變頻率的外部計(jì)數(shù)器使能信號(hào),，同步使能外部計(jì)數(shù)器在特定時(shí)間內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù),。啟動(dòng)線圈震蕩后，因LC震蕩電路起振時(shí)間及支路切換時(shí)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?jīng)Q定是否使能外部計(jì)數(shù)器,。前C1個(gè)脈沖用于穩(wěn)定震蕩頻率，之后C2個(gè)脈沖信號(hào)再啟動(dòng)外部計(jì)數(shù)器同步計(jì)數(shù),，實(shí)現(xiàn)頻率測量,。根據(jù)線圈的實(shí)際電感調(diào)節(jié)門限計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)使能時(shí)間t2，使各檢測支路等時(shí)間,、等精度地完成頻率采集,，提高檢測靈敏度。實(shí)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(shè)計(jì)
    在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，LC震蕩電路諧振頻率易受環(huán)境的影響而產(chǎn)生頻率漂移及瞬間干擾,。采樣信號(hào)需經(jīng)濾波處理后進(jìn)行報(bào)警邏輯判斷及本底頻率產(chǎn)生,。針對(duì)采樣信號(hào)干擾特性，采用5位滑動(dòng)中值濾波算法處理后產(chǎn)生有效邏輯判斷信號(hào),，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性[9],。采樣信號(hào)經(jīng)濾波后有效地消除了隨機(jī)噪聲，濾波效果如圖7所示,。本設(shè)計(jì)采用20位自適應(yīng)滑動(dòng)中值濾波處理算法,，每隔t時(shí)刻存儲(chǔ)一次采樣數(shù)據(jù)，對(duì)緩沖數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行中值排序,，產(chǎn)生本底頻率,。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間及采樣值與本底頻率差值temp決定刷新間隔時(shí)間t。采用不同刷新時(shí)間增強(qiáng)對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力,，如下所示：
   
3.4 報(bào)警邏輯
    通過多路分時(shí)選通對(duì)采樣頻率與本底頻率進(jìn)行比較,，并實(shí)時(shí)刷新報(bào)警?；跔顟B(tài)機(jī)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(cuò)誤數(shù)據(jù),。分類處理增強(qiáng)了檢測可靠性和對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的容錯(cuò)處理能力。系統(tǒng)具有故障自診斷能力,，可根據(jù)震蕩頻率變化對(duì)線圈開路,、短路和電路故障狀態(tài)進(jìn)行分類判斷,。
4 測試效果
4.1 多路切換檢測穩(wěn)定性
    對(duì)于等精度測頻法在環(huán)形線圈車輛檢測器中的應(yīng)用，本文取不同電感對(duì)采樣頻率進(jìn)行測量,，取5 000個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)被測頻率fx時(shí)間內(nèi),，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率f0的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù),，即n0=N·f0/fx。

4.2 實(shí)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(yīng)鐵板存在并輸出報(bào)警，具體測試效果如圖8所示,。

    該環(huán)形線圈檢測器已應(yīng)用于實(shí)際路口進(jìn)行測試,，試驗(yàn)效果良好。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)可進(jìn)一步對(duì)車型分類,，對(duì)道路車流量,、瞬時(shí)車速及時(shí)間占有率進(jìn)行分析計(jì)算。
    系統(tǒng)采用等精度測頻法實(shí)現(xiàn)車輛檢測功能,?；诙嗦氛鹗庪娐范嗦愤x通原理分時(shí)完成16路檢測節(jié)點(diǎn)信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)采樣及信號(hào)處理,。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證,，90 ms內(nèi)可完成16路車輛檢測節(jié)點(diǎn)邏輯判斷功能，可滿足160 km/h以下車速實(shí)時(shí)性檢測,。采用16路環(huán)形線圈分時(shí)循環(huán)檢測,，既保證了系統(tǒng)檢測精度，提高了系統(tǒng)抗串?dāng)_性,，同時(shí)可保證系統(tǒng)檢測實(shí)時(shí)性,。
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