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(xiàn)實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?dāng)_,，提高系統(tǒng)抗干擾性。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理
    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，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(shè)計采用多路分時選通方法使CPU內(nèi)部計數(shù)器與外部計時器協(xié)同工作，基于硬件原理實現(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,，為了增加環(huán)形線圈檢測器的魯棒性,，在采樣數(shù)據(jù)處理中采用滑動中值濾波算法，提高錯誤數(shù)據(jù)容錯能力,。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)點車輛檢測,。
2 硬件設(shè)計
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振蕩電路,，由環(huán)形線圈與電路反饋電容決定震蕩頻率,。考慮渦流效應(yīng)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(jù)振蕩電路頻率變化特性曲線及實際環(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(nèi)部16位計數(shù)器與外部16位計數(shù)器協(xié)同工作,，經(jīng)D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換,，保證外部計數(shù)器與內(nèi)部計數(shù)器硬件同步使能。根據(jù)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(nèi)等時間地保持恒定的測量精度。外部計數(shù)器采用11.059 2 MHz標準頻率信號在實際閘門內(nèi)計數(shù)[7-8],。等精度測頻原理如圖3所示,。

    圖4中，波形A為單片機輸出的D觸發(fā)器控制信號,，高電平計數(shù)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(shù)（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(shù)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(xiàn)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(shè)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(shù)據(jù)通信,，適用于實際路口交通信號機與多個檢測器組網(wǎng)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(shù)據(jù),。
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(jīng)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(shè)計
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，主要由控制模塊,、測頻模塊,、報警模塊、顯示模式和數(shù)據(jù)通信模塊組成,，以完成16路檢測節(jié)點邏輯判斷,。同時，采用分時選通采樣方式,，對采樣數(shù)據(jù)進行自適應(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)部計數(shù)器與外部計數(shù)器協(xié)同工作,，使多路震蕩信號在整個測頻區(qū)域內(nèi)保持恒定的測量精度,。
    內(nèi)部計數(shù)器對被測信號的個數(shù)進行計數(shù)，輸出比較引腳OC1C產(chǎn)生可變頻率的外部計數(shù)器使能信號,，同步使能外部計數(shù)器在特定時間內(nèi)對標準頻率進行計數(shù),。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?jīng)Q定是否使能外部計數(shù)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(shù)器同步計數(shù),，實現(xiàn)頻率測量,。根據(jù)線圈的實際電感調(diào)節(jié)門限計數(shù)器的計數(shù)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(shè)計
    在實際應(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,。采樣信號需經(jīng)濾波處理后進行報警邏輯判斷及本底頻率產(chǎn)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(chǎn)生有效邏輯判斷信號,，增強系統(tǒng)魯棒性[9],。采樣信號經(jīng)濾波后有效地消除了隨機噪聲，濾波效果如圖7所示,。本設(shè)計采用20位自適應(yīng)滑動中值濾波處理算法,，每隔t時刻存儲一次采樣數(shù)據(jù),，對緩沖數(shù)組數(shù)據(jù)進行中值排序,，產(chǎn)生本底頻率,。根據(jù)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(yīng)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?；跔顟B(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(shù)據(jù),。分類處理增強了檢測可靠性和對錯誤數(shù)據(jù)的容錯處理能力。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(yīng)用,，本文取不同電感對采樣頻率進行測量,，取5 000個樣本數(shù)據(jù)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(nèi),，對標準頻率f0的計數(shù)個數(shù)，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(yīng)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(yīng)用于實際路口進行測試，試驗效果良好,。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)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(xiàn)車輛檢測功能,。基于多路震蕩電路多路選通原理分時完成16路檢測節(jié)點信號產(chǎn)生,、信號采樣及信號處理,。經(jīng)實際驗證，90 ms內(nèi)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?dāng)_性,，同時可保證系統(tǒng)檢測實時性,。
參考文獻
[1] 孔俊麗，周重陽,，朱雨婷.基于磁阻傳感器的無線車輛檢測器的設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,，2012，29(3)：17-19.
[2] 謝秋金,，李曉菲,，董衍旭，等.基于可變計數(shù)門限的車檢器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2012,，38(1)：21-23.
[3] 臧利林，賈磊,，秦偉剛,，等．基于環(huán)形線圈車輛檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J]．儀器儀表學(xué)報，2004,，25(8)：329-331．
[4] 趙艷秋,，劉桂香，王廣義.環(huán)形線圈車輛檢測器的研究[J]．微計算機信息,，2007,，25(7)：266-268.
[5] 林凌，韓曉斌,，丁茹,，等．微型感應(yīng)線圈車輛傳感器[J]．傳感器技術(shù)學(xué)報，2006(8)：994-1000．
[6] 梁俊斌,，徐建閩．基于感應(yīng)線圈的騎線車輛檢測方法[J]．華南理工大學(xué)學(xué)報,，2007，35(7)：20-24．
[7] 吳海明,，王偉．基于單片機與FPGA的等精度頻率計設(shè)計[J]．兵工自動化,，2009(3)：79-80．
[8] 胡文靜，張國云,，劉翔,，等.量程自整定高精度頻率測量的FPGA實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012,，38(1)：73-76.
[9] 林培群,，徐建閩．感應(yīng)線圈信號曲線的處理方法及其在車型識別中的應(yīng)用[J]．公路交通科技，2009,，26(2)：108-119．