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1 引言
    近年來，隨著我國社會經(jīng)濟和公路建設的飛速發(fā)展，公路貨運車輛超限超載運輸問題也日漸突出。公路貨運超限超載不僅損壞公路路產(chǎn)、擾亂運輸市場，還對交通安全造成了極大的威脅，已成為危害公路交通可持續(xù)發(fā)展的“痼疾”。為了突出源頭治理、強化執(zhí)法力度、完善監(jiān)控網(wǎng)絡、建立長效機制，交通部決定開展全國治超站點規(guī)范化建設，分級分類組織建設全國公路超限超載檢測站點和治超信息系統(tǒng)，逐步建立健全全國治超監(jiān)控網(wǎng)絡。
    作為超限治理的核心設備———動態(tài)汽車衡精度的高低直接決定了超限治理低速精檢和復檢系統(tǒng)的可靠性。
    動態(tài)汽車衡稱重即在非停車運動狀態(tài)下的稱重，與停車狀態(tài)下的靜態(tài)稱重相比，其主要特點是節(jié)省時間、效率高，使得稱重時不至于造成對正常交通的干擾。這對公路建設與管理有著極為重要的意義，同時對車輛運輸現(xiàn)代化管理也有較大的促進作用。
    目前在我國公路超限治理行業(yè)主要使用3 種形式的汽車衡用于稱量車輛的載荷———便攜式軸重衡、稱臺式動態(tài)軸重衡和靜態(tài)汽車衡。其中靜態(tài)汽車衡使用時要求在汽車完全靜止狀態(tài)下進行計重，優(yōu)點是精度較高，但由于需要汽車靜止狀態(tài)下計重效率低，往往會造成塞車而不得不將部分超限車輛放過。而且采用此方法進行超限治理初期建設成本遠大于動態(tài)軸重衡。同時，由于靜態(tài)汽車衡無法提供軸重信息，不適于在此應用環(huán)境下使用。
    便攜式軸重衡一般用于交警的移動治超，在此不作詳細討論。稱臺式動態(tài)軸重衡是目前較為流行的動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分別測出車輛各軸軸重，再由測試系統(tǒng)計算出整車重量。當汽車以一定的速度通過稱重臺面時，不僅輪胎對臺面的作用時間很短(在幾百毫秒以內(nèi))，而且作用在臺面上的力除真實軸重外，還有許多因素產(chǎn)生的干擾力，如車速、車輛自身諧振、路面激勵、輪胎驅(qū)動等，這給動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)實現(xiàn)高精度測量造成很大困難。因此，在外界隨機不確定的干擾力作用下，如何準確測出真實軸重，就成為動態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)的技術難點和關鍵。本文針對這些問題，從軟算法方面來提高動態(tài)軸重衡的計量精度，滿足日益增長的公路超限治理對計量精度的要求。
    2 體系結構
    動態(tài)軸重衡稱重系統(tǒng)由上位工控機、嵌入式稱重儀表、接線盒、稱重傳感器及機械稱重臺面組成。當汽車按照一定的速度通過稱重臺面時，安裝在臺面上的稱重傳感器將壓力信號轉換為微弱電信號經(jīng)接線盒傳遞給嵌入式稱重儀表，由稱重儀表完成電信號的放大、濾波、模數(shù)轉換，以及實時數(shù)據(jù)處理，同時將處理過的數(shù)據(jù)傳給上位工控機，由上位工控機最終完成數(shù)據(jù)查詢、報表打印及實時監(jiān)控等工作。
    其中嵌入式稱重儀表采用24 位精度CS5532作為外接的A/D 轉換器，該器件是Cirrus Logic 公司推出的一種具有極低噪音的多通道型模擬/ 數(shù)字轉換器，支持SPI 總線接口，由于其采用電荷平衡技術和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測量放大和濾波功能，可得到高達24位分辨率的輸出結果，轉換速率最高可達3200Hz，完全滿足動態(tài)稱重的需要。嵌入式處理器采用NXP 公司工業(yè)級ARM7 CPU LPC2365 進行數(shù)據(jù)采集、濾波和通信。結構如圖1 所示。
    動態(tài)軸重衡稱重系統(tǒng)稱重過程是一個強實時過程，需要CPU 及時采集汽車每個軸經(jīng)過秤臺過程的數(shù)據(jù)并快速分析有效數(shù)據(jù)，從而計算其重量。如果CPU 速度過慢或者程序邏輯結構設計不合理，必然會導致儀表在穩(wěn)定性和可靠性上存在隱患。當前很多智能儀表的軟件采用前后臺系統(tǒng)設計，整個應用程序是一個無限循環(huán)，后臺程序循環(huán)調(diào)用相應的函數(shù)完成相應的操作，中斷服務程序作為前臺處理異步事件。這種編程結構難以對時間進行合理、有效的利用，相當一部分時間浪費在了空轉的程序中，而且對時間要求苛刻的事件難以實現(xiàn)快捷有效的處理，因此即便采用了較高主頻的CPU 也難以完全將其高主頻的優(yōu)勢完全發(fā)揮出來。植入嵌入式操作系統(tǒng)能夠很好的解決以上的問題。綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)周期、成本等因素，我們在程序的編寫中采用了嵌入式μC/OS- II 操作系統(tǒng)。μC/OS- II 是專門為計算機的嵌入式應用設計的嵌入式操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。
    3 軟件體系設計
    計重作為系統(tǒng)的核心功能，采集和分析AD 模塊負責各個設備的數(shù)據(jù)采集和最后的分析，進一步得出車輛的具體信息。通信接口負責上位主機和控制儀表之間的通信。零點跟蹤把實時零點數(shù)據(jù)匯報給其他任務。系統(tǒng)在后期會有很多的改進和升級，所以在系統(tǒng)中要為升級做好準備。根據(jù)以上分析，可把系統(tǒng)劃分為以下幾個任務：采集和分析
● 采集和分析
● 車輛分離與計重
● 胎型識別
● 零點跟蹤
● 與上位機的通訊
● 系統(tǒng)開關量
● 顯示控制
● 系統(tǒng)升級
● 異常處理
    任務采用事件驅(qū)動，事件的發(fā)生引起LPC2365 的中斷，程序在中斷中發(fā)送信號量，信號量的發(fā)送使任務脫離等待任務的狀態(tài)進入就緒態(tài)運行。
    采集和分析子任務處理結果的準確與否直接決定了計重系統(tǒng)計量精度，下面就此展開詳細分析。為了提高技術指標，除了硬件設備的保障外，關鍵是采用良好的軟件數(shù)據(jù)處理方法來實現(xiàn)準確的稱重。圖2 是一輛兩軸汽車通過秤臺時的波形圖。設m(t)是反映汽車某軸軸重的一個真實信號，n(t)是伴隨此真實信號的噪聲，故測得稱重信號x(t)可表示為：
    式(3)中，噪聲分量αi 是由兩部分因素組成：（1） 行進中的汽車自身處于一種低頻振動，其頻率與載重有關，約為5～10Hz；（2） 稱重臺面的機械部分由于汽車通過臺面及鄰近地面也會產(chǎn)生振動，其頻率與臺面的機械結構參數(shù)有關，約為20- 35Hz。噪聲分量βj 是由稱重傳感器的應變片在汽車通過時，因承壓產(chǎn)生彈性形變造成的。當汽車通過稱重臺面時，前后輪軸出現(xiàn)高度差，造成汽車的軸重在4 個傳感器上分配不均，從而出現(xiàn)重量轉移。此外，車輪不圓、地面不平等原因，也會出現(xiàn)高度差，從而造成重量轉移而引起測量誤差。由此可見，噪聲分量αi 具有正弦波形狀，相位為隨機變量；噪聲分量βj 具有脈沖形狀，脈沖幅度與出現(xiàn)時刻都是隨機的。
    由此可見，采集和分析子任務就是從采集到的波形信號中分析出行進中汽車某軸軸重的真實值M。
    對于噪聲分量βj 可采用復合濾波法濾除噪聲，即先用中值濾波原理濾除由于脈沖干擾引起誤差的采樣值，再將剩余的采樣值進行遞推算術平均，從而濾掉噪聲分量βj。
    對于噪聲分量αi，由于通行車輛的不確定性、車輛運行速度的不確定性（尤其是沖磅等非法通過方式） 及秤臺機械結構與安裝情況的不確定性，采用簡單的一階RC 濾波器很難濾除噪聲。
    筆者經(jīng)過對大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行整理并經(jīng)過數(shù)學統(tǒng)計分析并對采集到的原始數(shù)據(jù)采用傅立葉變換后可得到數(shù)據(jù)能量的頻譜，以此頻譜作為FIR濾波器的輸入?yún)?shù)可有效地將噪聲濾除。此算法用MAtlab 編譯實現(xiàn)，部分源代碼如下：
    alpha=0.87；
    tal=freq*2*pi*T;
    a=[1,- 2*alpha*cos(tal),alpha*alpha];
b=[1,- 2*cos(tal),1];
    last=filter(b,a,data);
    其中data 為原始數(shù)據(jù)矩陣，alpha 決定增益和質(zhì)量由經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出，freq 和T 是原始數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT 后得到的頻譜數(shù)據(jù)，last 矩陣即濾波后的數(shù)據(jù)。
    4 實驗數(shù)據(jù)
    濾波圖3 和濾波圖4 是不同速度的兩輛二軸車的原始數(shù)據(jù)和濾波后數(shù)據(jù)對比。
    實測數(shù)據(jù)表明，采用本算法后，在車輛速度低于30 公里每小時的行進速度下，計量誤差小于靜態(tài)稱重值的±1%。在車輛速度小于60 公里每小時的行進速度下，計量誤差小于靜態(tài)稱重值的±3%。
    5 結語
    在本系統(tǒng)中通過引入FFT 和FIR 濾波器進行數(shù)據(jù)采集和分析，并根據(jù)實際采樣波形，設計特殊的數(shù)據(jù)處理方法，從而完成高速、高精度的數(shù)據(jù)處理，獲得了令人滿意的結果。

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