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嵌入式激光弯沉测定仪的设计 吕志刚 1,王鹏 1,盛安连 2(1、西安工业大学 电子信息工程学院,西安 710032;2、西安崇星交通技术开发有限公司,陕西 西安 710068)摘要:针对目前国内路面弯沉检测精度差、效率低的问题,设计了嵌入式激光弯沉测定仪。
该测定仪采用ARM7处理器,并植入μC/OS-II嵌入式操作系统,通过对新型激光位移传感器无线数据的采集,完成弯沉值的计算、存储、显示、分析等功能。
使用该测定仪所作的大量实验表明:弯沉误差可控制在0.01mm以内,一个断面的测试时间仅为60秒左右,并且具有体积小、携带方便、功耗低等特点。
关键词:弯沉;μC/OS-II;ARM7 处理器;NRF2401 无线通信模块中图分类号: TP216.1 文献表示码 :A Embedded Test Instrument for Pavement Deflection based on Laser Sensor LV Zhi-gang1WANG Peng1 SHENG An-lian2 1 Electronic Information College Xi’an Technological University Xi’an 710032 China 2 Xi’an ChongXing Transportation Technology Development Company Xi’an 710068 ChinaAbstract: In order to improve precision and efficiency when testing pavement deflection in domestic area a testinstrument based on embedded operating systemμC/OS-II was designed with ARM7 processor. From collectingwireless data of laser displacement sensor pavement deflection was got stored displayed analyzed and so on.The experiment results showed that error of pavement deflection was controlled below 0.01mm and test time wasabout 60 seconds. The instrument has many other advantages such as small volume convenient move low-powerconsume and so on.Keywords: Pavement deflectionμC/OS-IIARM7 processor NRF2401 截至2010年底,中国高速公路的通车总里程达 际弯沉位置回弹变化量。
6.5万公里,居世界第二位。
路面 弯沉、路面平整度 将该差值当乘上一个常系数,就变成了实际弯及车辙高度是衡量高速公路优劣的重要指标,它们 沉值,亦就测出了路面弯沉回弹变化量。
考虑到温在很大程度上反映出了路面的实际使用情况。
其 度对测量影响,算法采用了双光电片程式。
当测弯中,弯沉值用于表征路面结构的承载力,是高速公 沉盆时,每 50cm( 《规范》要求值)相应时间发出路竣工验收的首选的测试指标。
一个采样信号(汽车行驶速度为 2Km/h) ,将采到 目前,国内弯沉测量方法主要有两种:贝克曼 的垂直位移对应的模拟电压经送给 A/D 转换成数梁试验方法和落锤式弯沉仪试验方法。
前者采用杠 字信号后再由传感器无线模块发送给主机计算,最杆原理,属于静待检测;后者采用分布式传感器技 后打印或显示出弯沉盆及各点弯沉值3。
术,属于动态检测。
两种方法都是基于弯沉影响半 主机 激光 车行进方向径小于3.6米设计的, 而目前高速公路多采用半刚性 从机基层沥青路面结构,其弯沉影响半径达到了6米以 路面 B上。
因此,采用以上两种方法测试弯沉值,存在很 A大的误差,同时效率低下,测量一个断面需要3人 图 1 仪器工作原理示意图参与,并且耗时达到5分钟,测量数据需要手动输 Fig.1 Working process of Instrument入电脑,完成数据的二次处理,离智能交通的要求 2 从机设计 12差距很远 。
文中设计的弯沉测定仪包括主机和 从机置于卡车后轮间隙处,将激光位移的变化从机两大部分,利用无线通信技术,使得弯沉影响 无线发送至主机,主要由 CPU 模块、激光位移传半径可达8米,测量时只需一人操作仪器,单断面 感模块、AD 转换模块、无线通信模块等构成。
耗时仅为1分钟,测量数据可直接上传到电脑中做 2.1 CPU 模块二次处理,检测精度、效率、测量成本得到了极大 为 解 决 低 功 耗 的 问 题 , 从 机 的 CPU 采 用的提高。
MSP430F1121 高速微处理器,它是 TI 公司推出的1 仪器工作原理 16 位低功耗高速处理器。
MSP430F1121 采用 20 脚 先将行业规范规定的后轴载重为 10 吨卡车停 封装,内部集成 256B 的静态 RAM,内部 4Kb 的在待测路面上,将从机置于卡车后轮间隙中的稍前 FLASH 存储器系统,用于存储应用程序代码 4 5。
位置(图 1 中 A 点处) ,并将主机放在距测点一定 2.2 激光位移传感模块距离即置于弯沉盆(弯沉影响半径)外,激光从主 该模块由专用的 NY-101 型激光位移传感器构机中激光源产生后至从机。
当汽车按箭头方向向前 成,将从机接收到的激光的位置转换成两路直流电驶离时,从机因路面卸重而随路面回弹,从机的垂 压输出,电压输出范围为 1-2V。
将这两路电压经过直位置发生变化,即从原来的初始位置 A,回复到 复杂的函数运算,就能得到垂直方向上激光所处的原来位置 B。
A、B 两点的垂直位移之差代表着实 位置,为计算弯沉值、绘制弯沉盆半径打下基础。
______________ 作者简介:吕志刚1978-,男,西安工业大学讲师,主要研究方向为嵌入式技术、智能仪表等方面。
基金项目:嵌入式高速公路车辙及平整度测试仪,陕西省教育厅自然科学研究专项项目, 基金号 11JK0896 Email: gangji780807sina.com 精品文档,值得下载!2.3 AD 转换模块 CA240128E 型点阵式 LCD 显示器,实时显示仪器 本模块由 16 位串行逐次逼近式 A/D 转换器 运行状态、调试信息、测量结果等信息;使用矩阵-ADS8341 构成,该转换器转换速率大于 100kHz, 式的 4×4 键盘,实现参数设定、工作方式选择、具有 4 通道单独输入或 2 通道差动输入,用于 对激 修改设定值的操作等功能。
光位移传感器的两路输出电压进行快速、高精度的 3.3 数据存储模块采集。
该转换器不但功耗较低,而且与 CPU 接口 本模块由 SST39VF160 芯片和 PCF8563 时钟芯简单,非常适合于引脚资源有限的 MSP430F1121 片构成,主要解决仪器的测量数据、配置参数的存处理器。
储以及时间信息的获取的功能。
图 2 给出了一路传感器电压的采集示意图, 在本仪器中,用于保存每个测量截面的路面信1-2V 的电压经过由运放 OPA2277 构成的电压跟随 息、弯沉半径、 弯沉值以及每个采样点的弯沉高度,器后,进入 ADS8341 输入管脚。
参考电压选择为 为显示完整的弯沉形状打下基础。
每个断面需要2V,并做了稳压处理。
通过对 IC_CLK、IC_CS、 200 个字节存储上述指标,按离线存储 8 万个断面IC_DIN、IC_DOUT 管脚的编程,完成采集。
信息计算,需要 16M 字节的存储器,因此选择 AVCC ADS8341 SST39LF/VF160。
它是一个 1M×16 的 CMOS 多功 AVCC VCC DCLK IC_ CLK OPA2277 AD0CH0 CS IC_CS 能并行 FlashMPF 器件,可进行快速擦除(扇区、 - AD1 IC_ DIN 1-2V输入电压 CH1 CH2 DIN BUSY 块、芯片擦除)和字编程,具有软、硬件写保护功 IC_ DOUT 120 uF 0.1uF 0.1uF CH3 AGND COM DOUT GND 能,掉电数据保持时间大于 100 年 7 8。
AVCC AGND VREF SHDN GND VREF VCC 外扩一片 PCF8563 时钟芯片, 作为系统的时钟 AGND AVCC AGND 模块。
该芯片是 Philips 公司推出的一款带 I2C 总 图 2:AD 转换模块 线、多功能时钟/日历芯片,提供各种复杂的定时、 Fig.2 AD conbert unit of block diagram 报警、中断等功能。
为了确保时钟芯片 PCF8563 的2.4 无线传输模块 连续工作
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