基于可变计数门限的车检器设计

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随着道路行车速度的提升及行车数量的剧增，要求车检器必须具有快速的响应时间、准确的判断能力和稳定的工作状态。车检器检测技术主要有：视频[1]、环形线圈[2]、数字微波[2]、激光和红外线等。虽然检测技术种类多，但也存在许多不足：一方面是抗干扰能力较差，产品成本也比较高；另一方面则是检测响应时间较长，难以及时准确地检测到高速通过的车辆。

针对常规公路的道路环境及车辆通行情况，本文介绍的车检器采用的是环形线圈检测技术。该技术原理简单、实现成本低、工作稳定可靠。在信号分析处理方面，采用了性能稳定的ATmega16A单片机[3]。车辆检测信号直接由单片机综合分析处理，每个通道检测响应时间控制在2.5 ms内完成，检测结果通过车检器前面板上的指示灯指示，并且采用RS485总线向上位机或其他监控设备发送检测结果数据包。

1 系统工作原理

1.1 环形线圈检测原理

埋在路面下的环形线圈通过馈线连接到车检器上，与车检器上的电容及三极管等器件构成LC谐振电路，所产生的正弦波振荡信号整理成方波信号后送到单片机。在无车辆通过时，可认为由环形线圈所形成的电感值是稳定不变的，因此LC谐振电路的谐振频率也不变，单片机将接收到固定频率的方波，记为F1。在有行车通过埋地环形线圈时，由于机动车是一个大金属体，埋地线圈产生的电感量将发生变化，使得LC谐振电路的频率也随之变化，单片机接收到的方波频率记为F1+ΔF；而当机动车离开埋地线圈后，LC谐振频率将恢复为F1，从而实现了将车辆通过的有无，转换为发送到单片机的方波频率的变化。

1.2 可变计数门限工作原理

对于采用固定门限的计数方式[4]，是给主计数器一个固定时长的计数时间，以检测信号作为计数时钟，如图1所示。


2 系统功能及其硬件组成
2.1 系统功能简介

(1)本设计采用可变计数门限检测法。单片机初始化时将根据主计数器的计数值N实现自动调节可变门限计数器的计数上限值M，使得其计数时长在要求之内，而主计数器也能得到具有明显区分度的计数值。实际上，就是在检测时间和检测灵敏度之间达到一个平衡。

(2)车检器提供了两个检测通道，每个通道可以单独使用，也可以联合使用。单独使用时可检测车流量，即当检测到车辆通过环形线圈时则累加过车数量；联合使用时可检测车速，当车辆经过第一个线圈时记录车辆进入时间T1，进入第二个线圈时记录进入时间T2，则行车速度为V=S/(T2-T1)，其中S为两个线圈的间隔距离。

(3)车检器具备上位机远程操控功能。上位机通过RS485总线实现远程操控车检器的工作模式及设定检测参数(包括检测灵敏度、自调谐、通信波特率、初始化、通道开启状况等)。输入输出数据格式可根据用户的要求进行组帧，提高了车检器的适用性。

(4)参数设置及工作状态指示。采用两个8 bit拨码开关用于参数设置，其中一个在前面板上提供通道的检测灵敏度和存在时间设定，另一个在车检器电路板上提供地址码设定、节能模式、串口使能、自调谐等功能的设定。8个LED用于在前面板指示车检器工作状态(包括存在指示、故障指示、通信指示、电源指示和编程指示等)。

2.2 硬件组成

车检器的硬件组成框图如图3所示，介绍如下：

(1)LC谐振电路：采用了双通道时分复用的方式，外部的埋地环形线圈分别接入到车检器上的隔离线圈，通过单片机控制两个通道的选通情况，每次只能有一个通道被选通。这样不但能让电路更简单，而且避免了两个通道之间的互相干扰。
  
  
(2)控制器核心电路：控制器选用了ATmega16A-AU，这是一款高性能、低功耗的8 bit AVR微处理器，工作于16 MHz时的性能高达16 MIPS，只需2个时钟周期的硬件乘法器；具有16 KB的系统内可编程Flash，并具有硬件看门狗。此外，ATmega16在室外露天环境下能够长期稳定工作，性价比突出。该部分为车检器的核心电路，可变门限计数器和主计数器分别采用ATmega16A内部集成的8 bit和16 bit计数器，从而使得整个车检器的电路更为简单并且有较强的抗干扰能力。

(3)通信接口模块：车检器的对外通信采用RS485总线，选用MAX3485ESA作为RS485差分电平转换芯片，并且加入了光耦器件进行隔离，有效地保护车检器内部电路不受来自传输线路的影响。车检器采用主机查询应答的通信模式，除了做应答外，其他时间要保持接收监听状态，这样才能及时接收到主机的查询信号。

3 软件设计

单片机的主要工作流程如图4所示。车检器上电后，单片机初始化各个I/O端口的方向和初始电平，读取车检器上各个拨码开关的设置值并以此初始化各个功能模块，初始化门限计数器与主计数器，最后使能两个计数器同时开始计数。当外部埋地线圈出现开路或者短路等故障将导致LC谐振电路不起振，从而使得门限计数器没有计数时钟；或者是LC谐振电路能起振，但由于线圈老化或者不符合标准而频率过小，这两种情况都会导致门限计数器达到上限之前主计数器计数溢出。

由于不同厂商生产的环形埋地线圈规格不尽相同，只能要求电感值在20～1 000 mH范围内，因此，需要根据线圈的实际电感调节门限计数器的计数上限M，以达到最佳计数值，使在允许的计数时间内达到较大的计数变化值。

检测门限值的漂移补偿是必要的，因为在实际应用环境中，LC谐振的谐振频率不可能总是稳定在一个值，总是会受环境的影响而产生频率漂移，LC谐振电路即使再稳定，也只能是减缓频率漂移速度。

4 实验验证

为验证车检器的单通道检测响应时间，由外部产生一个宽脉冲波，以此脉冲波模拟车辆通过车检器的埋地线圈，由示波器（TDS1002）观察到如图5所示的波形，上面的波形为脉冲波形，下面的波形为车检器检测到车辆通过后输出的检测信号(TTL电平)。从显示波形可以看出，在脉冲波发出的2.4 ms后车检器输出了检测结果信号，实验结果验证了车检器的响应时间符合2.5 ms的设计要求。

本文采用可变计数门限法设计的两通道车辆检测器，应用于公路上对行车速度及车流量等信息的检测，具有灵敏度高且检测时间短的特点。车检器样品经实验室测试通过，在2.5 ms内完成一次检测，检测灵敏度较为满意。