论文研究-一种基于旋转编码器的车辆行车状态无线监测装置 .pdf

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一种基于旋转编码器的车辆行车状态无线监测装置,杨洪扣,李丽宏,开发了一种基于旋转编码器的车辆行车状态无线监测装置。系统中采用了增量式旋转编码器作为速度测量元件,基于STM32F103VET6处理器与��
国科技论文在线 该系统由发送端与接收端两部分绀成,发送端安装于被测车辆上,接收端用于车外监 测人员实时观测被测车辆行玍状态。发送端负责对增量式旋转编码器输出的脉冲进行计数, 然后将脉冲数量打包后通过无线传输传模块传送给接收端,同时通过数据存储模块对采集 的数据进行保存;接收端负责接收来自发送端的数据,并将其转换成协议数据包通过 接口传输给上位机,由上位机软件对采集的数据进行处理,计算出速度及加速度,并 进行实时显示与保存。 测速单元 旋转编码器担负着将机械位移量转换戊电学量的职能,一般分为增量式旋转编码器与绝 对式旋转编码器,增量式旋转编码器比绝对式旋转编码器更适合用于角位移与角速度测量场 合。增量式旋转编码器每旋转一周产生一系列脉冲,脉冲数量的多少表示角位移的大小 该系统选用欧姆龙 旋转编码器作为测速元件,其供电电压为 直流 电源,输出信号、、三相,每旋转一周输出个脉冲。由于其输出的信号为集电极 开漏输出,所以应在信号输出端外接上拉电阻连至电压。后续控制单元通过对旋转编码 尜的信号线相或相输出的脉冲进行计数,即可计算出其旋转的角位移。 旋转编码器的杋槭固定装置通过六角螺母与夲身挡板联接,测速轮与车轮紧密啮合, 旋转编码器与测速轮通过联轴器相联,并且同轴。当被测车辆行驶吋,车轮由于摩擦力的 作用带动测速轮转动,由于旋转编码器与测速轮同轴,所以其转动步调与测速轮·致: 时输出一系列脉冲 设旋转编码器每旋转一周产生的脉冲数为N,后续处理单元每t秒进行一次脉冲计数, 其数量为n,车辆t秒行驶的距离S为 式中d为测速轮直径。那么车铟行驶的速度ν为 设ννννν分别为第 tttt t秒内采集到的速度,则车辆在第t秒时的加速 度a;为 Vi-Via 后续处理单元根式、式即可汁算出夲钠行驶的速度及加速。 此外,旋转编码器每产生的一个脉冲表示车辆行驶的速度增量一为 d 该系统中测速轮直径d为,旋转编码器每旋转一周产生的脉冲数N为,每间 隔秒对旋转编码器产生的脉冲进行一次计数,即t为代入式得 式说每个脉冲代表的乍辆速度增量为 ,即系统可分辨的最小速度为 该系统主要用于监测车辆通过秤台时的实时速度与加速度,被采集到的数据点越多,监 国科技论文在线 测装置性能越高。设动态汽车衡桦台的宽度为L,当车锕以速度ν通过秤台吋,系统可采集 到的速度数据点个数n为 n = ta 刀 动态汽车衡的秤台宽度可选为,车辆行驶速度可选为 等,代入式,即可算出不同速度通过秤台时,系统可采集到的数据点个数。 表不同速度时可采集到的数据点数量 由上述分析可知,采用旋转编码器作为车辆行车状态无线监测装置的测量元件,完 全满足本系统的测量要求。 系统硬件设计 车辆行车状态无线监测装置硬件系统由发送端与接收端两部分组成ε发送端与接收端通 过无线射频通信的方式来实现信息交互。发送端将采集的薮据传送给接收端,再由接收端转 发给上位机做进一步的数据处理。 发送端 发送端主要由控制单元、速度釆集模块、数据存储模块、无线通信模块、供电叫路等部 分组成。具体功能模块见图所示。 系统采用意法半导体公司推出的基于 内核的 处理器 为核心控制单元,最高工作频率为 。该处理器性能髙,外设资源丰富,因此特别适 合髙速、大容量的数据采集系统,同时便于移植嵌入式实时操作系统。 SHEED FULS D SPEED PULSE NRESOS-IRX LI NRF9OSIRY CE NRF9OS-PWR UP NRFCES-TX NREYOS-TXEN MEIUS- NEW NBHU5聚 NRHh.I SEICL MI SDNAC\5. NRFO5·MSO SO0.D3 SDR-ES XRF05-VIOSI NRF9OS-MOSI 5D-D2 <)O-D2 NEF90S-SCK NRFDOS-SCK NEF90S-CSN NRF9OS-CSN 图发送端硬件功能模块 旋转编码器外部接线有电源线、地线、屏蔽线以及( 相线等。该设计中采用 给旋转编码器供电,将相线连至 的外部计数器端∏并通过上拉电 阻接至。如图所示, 具有钳位功能,从而对后级电路具有保护作用。屯阻 与电容组成滤波电路,可有效滤除信号线中的高频干扰。 国科技论文在线 DVCC-s vC℃ XND A SPEED PULSE 03 DVCC. DGND 图速度采集模块电路原理图 数据存储模块以 卡作为存储器,存储容量大,可在无线通讯信号较差时,将 采集的数据保存在存储器中 芯片可T作在 等个频道,它由频率合成器、接收解调 器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,无需外加声表滤波器 工作模式 自动处理字头和循环冗余码校验,使用接口与微控制器通信配置方便。 SRISUS-LRXE NBH95-R上 NRHSPWR UP MRISKISPWE UP NBF9U5上N NRIS-X上N NRF9DS-AM LSPDM NRF90-我 NRF9OS-DR LSBIP USBDP N2F005-M150 NRF9OS-MISO USBM USBM NRFOOS-MOSI RE9OS-SCK NRE9OS-SCK NRE9O5-CSN NRFSOS-CSN 图接收端硬件功能模块 接收端 接收端功模块如图所示,它由控制单元、无线通信模块及通信模块组成。 NVCC-5.3 DVCC-.3 u/0铜 A5117-33 101F/25V粗 EGND USBDM toi 图 通信模块电路原理图 由」 处理器内部集成了 控制器,使接收端电路大大简化。另 外,采用接凵与上位机进行通信,不仅插拔方便,而且传输速率髙,满足系统对海量 数据传输速率的要求,从而保证行车状态监测的实时性。通信模块的电珞原理图见图 所示 用于将上位机的口提供的电压转换为电压,从而为接收 端其亡功能模块供电。 国科技论文在线 系统软件设计 系统软件以嵌入式实时操作系统 为核心,采用多任务机制,通过任务调度与 任务监视,具有较好的实时性与安仝性。 发送上电 TEneTickHok ANKHA为牧框 创建任务 上次读计数器 香过U Os界 囗笑处切门 作諸到数发送队列 NRF F RF TX TSS务 致器 秋到数 打裂 ENRE U 山讠数器 据为动作 华命令; 创计器 图发送端软件流程图 发送端软件流程图如所小 系统时钟芍拍改萓并在时钟节拍勾」里每 读取·次计数器的值。发送端创建了 两个任务。 负责定时检查无线芯片是否接收到来自接收端发送的指令并执行; 定时检査数据发送队列里面是否有数据,并及时发送。 芯片除正处 于发送数据的状态外,其它任何时间都被设置为接受模式,便于及时接受来自接收受端的 命令。发送端软件中创建了 与两个信号量。信号量 用于多任务同时 访问无线模块时实现互斥,保证资源有序利用;信号量 保证多仟务同时访问数据发 送队列时实现互斥,増加了系统的安全怛。 收入 囗务阻仄切 ENT、TAH 激发是 <数离 为发关式 发L 设药、B905为枚 图接收端软件流程图 接收端创建了 以及 等三个任务。 任务定时检查是否接受到来自发送端传送的数据,并将其存储于数据发 国科技论文在线 送队列; 任务检查到数据友送队列有数据后立即将数据发送给上位机 任务定时检査是否有来自上位机传米的数据,并及时将其转发给发送端。同 发送端一样,接收端软件中也创建了两个信号量 与,用于保证不同任务访问 同一资源时实现互斥。接收端的软件流程图如图所示。 实验测试 为验证车辆行车状态无线监测装置设计的合哩及可靠性,对其进行了实验测试。如图 所示,旋转编码器被安装在特制的机槭固定装置中,通过测速轮与·辆中型货卡车轮紧密啮 合。监汎装置发送端放置在货卡驾驶室,采用锂电池供电。接收端通过接凵与上 位机相连,发送端与接收端的天线位于空阔的地带。通过上位机软件对车辆的行车状态进行 实时监测。 1加速度 EE 0200400600800100012001400160018002000 时间/ms 图行车状态实时监测由线 调试中发现,车辆行车状态无线监测装置实时监测到的速度及加速度波动较大,曲线较陡, 这是由于系统为了保证实时性,采样间隔时间过于短暂造成的,但是如果增加采样间隔时间,会 使得行车状态监测的实时性较差,单位时间內获得的数据点较少,不利于研究车辆行驶加速度与 动态称重结果的关系。因此在上位机软件中对采集的数据采用了滑动平均滤波算法,滤后的速度 及加速度曲线较为平滑,较能貞实地反应车辆的行驶状态,同吋又具有较高的实吋性。车辆行车 状态无线监测装置的实时监测曲线如图所示。 结论 文中介绍了一种基于旋转编码器的车辆行车状态监测装置的改计方案,该方案中采用増量式 旋转编码器作为测速元件,成木低、使用方便,而且具冇较髙的测速分辨率。基于 处理器与 系统的软硬件设计,提供了系统的性能及可靠性,为研究动态称量结果与车辆 加速度之间的关系以及动态称重的检定L作提供了实验依据。 参考文献 刘军,李丽宏,朱旭.浅析加速度对动态称重结果的影响,软件, 吴惠芳,王亚东,何福胜等.国家标准 《动态公路车辆自动衡器》.北京 蔡常青,孙桥,张跃等.杋动车激光测速仪检测技术探讨.屮国计量, 陈同林,樊海博.雷达技术在现代公路中的应用.西安邮电学院学报, 国科技论文在线 罗善峤,梁敬春.浅谈汽车测速技术的采用.装备制造技术, 常春,胡瑜,董彬.光电旋转编码器的研究与应用.仪表技术与传感器 王磊集,张红梅.增量式光电旋转编码器及在角减速度测量中的应用机电产品开发与创 山明,徐平,黄国辉,姜周曙.基于 和 的数据集系统机电程 李长庚,李新兵,张宇鑫,杨卫星.基于无线射频技术的传感器温度采集系统仪表技术与传感 叶敦范,薛囻将.基于嵌入式操作系统的数据采集系统微计算机信息,

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