一種基于旋轉編碼器的車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置

楊洪扣,劉 軍,李麗宏

（1.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024；2.山西省質量技術監(jiān)督局，山西 太原 030002）

一種基于旋轉編碼器的車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置

楊洪扣1,劉 軍2,李麗宏1

（1.太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024；2.山西省質量技術監(jiān)督局，山西 太原 030002）

開發(fā)一種基于旋轉編碼器的車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置，采用增量式旋轉編碼器作為速度測量元件，基于STM32F103VET6處理器與嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II進行系統(tǒng)監(jiān)測裝置的軟硬件設計。比較目前幾種常用的車輛測速方式的優(yōu)劣，敘述車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置的工作原理及其架構，速度測量元件、監(jiān)測裝置的軟硬件子系統(tǒng)的設計要點，給出軟件流程圖和行車狀態(tài)實時監(jiān)測曲線。根據現場的實驗測試表明：該系統(tǒng)不僅架構簡單、使用方便，而且具有良好的實時性、可靠性和測速分辨率等。

旋轉編碼器；測速；動態(tài)稱重；無線傳輸；USB；μC/OS-II

0 引 言

影響動態(tài)汽車衡稱量精度的因素有溫度、濕度、電源、干擾、稱量速度等，目前已經給出了這些影響因子的測試方法[1-2]，但卻未指出車輛行駛加速度對動態(tài)稱重結果的影響。經過現場觀察，發(fā)現車輛以一定的加速度通過秤臺時，測量出現了較大的誤差。針對上述問題，本文開發(fā)一種車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置，對過秤時的車輛速度進行實時采集，并對采集到的速度數據進行微分運算，計算出車輛行駛的加速度，便于研究車輛加速度與動態(tài)稱重結果的關系，同時為未來規(guī)范動態(tài)汽車衡的檢定工作提供實驗依據。

1 車輛測速方案比較

隨著車輛速度監(jiān)測技術的不斷進步，越來越多的車輛測速設備面世。目前，運用于車輛測速的主要有激光測速；雷達測速；雙路稱重傳感器測速3種方式。

（1）激光測速[3]。通過激光器對被測車輛發(fā)射激光光束并接收激光光束的反射波，記錄時間差trt，結

合激光在空氣的傳播速度νair來計算激光器與被測車輛之間的距離d=νairtrt/2。激光測速是對被測車輛發(fā)送連續(xù)的激光光束，連續(xù)進行一系列固定時間間隔Δt的激光測距di-1，di，di+1，…，得到被測車輛相對于激光器隨時間變化的位置序列，從而獲得被測車輛移動的速度ν=（di+1-di）/Δt。

實際測量時，激光器的測量方向與被測車輛的行駛方向存在一定的夾角，因此測得速度與車輛實際行駛速度并不相等，誤差較大。

（2）雷達測速[4]。雷達測速主要利用多普勒效應原理來測定車輛行駛速度，可以安裝在被測車輛上。測速時，雷達天線以與地面一定角度θ向路面發(fā)送頻率為f1的電磁波，并接收到由路面反射回來的頻率為f2的電磁波，由于車輛處于行駛狀態(tài)，使得f1與f2存在一個多普勒位移fd：

式中：C——光速3×108m/s。

因此，車輛行駛速度為

雷達測速效果較好，但大部分雷達探測器依賴于進口，成本較高，而且測速時還應防止測速雷達與其他雷達或通信設備之間的干擾[5]。

（3）雙路稱重（或壓力）傳感器測速。雙路壓力傳感器測速是在地面上沿公路方向安裝兩路壓力傳感器，距離為L，當行駛的車輪壓上第一路壓力傳感器時，控制單元的定時器開始計時，直到車輪壓上第二路壓力傳感器時停止計時，時間差為ΔT，則車輛的行駛速度ν=L/ΔT。雙路壓力傳感器測速方式采集的是車輛行駛過一段較長距離的速度，速度數據較為單一，無法測出車輛過秤臺時各個瞬時的速度，無法滿足研究動態(tài)稱量結果與加速度關系的要求。

本文提出一種基于旋轉編碼器的車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置的設計方案，經驗證不僅測量分辨率高，速度采集實時性好，成本低，而且使用簡單方便、易于安裝。

2 系統(tǒng)原理及架構

較其他測速方法，旋轉編碼器在性能、價格、體積、重量、數字化方面具有較大的優(yōu)勢，已經成為檢測速度、旋轉角度及線性位置的重要手段[6]。增量式旋轉編碼器是利用光電轉換原理輸出方波脈沖，其旋轉的方向及數量可以被后續(xù)控制單元判斷與計數，因此不僅抗干擾能力強，而且構造的電路簡單方便。在該設計中采用增量式旋轉編碼器進行測速，整個系統(tǒng)原理及其架構如圖1所示。

圖1 車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置原理圖

該系統(tǒng)由發(fā)送端與接收端兩部分組成，發(fā)送端安裝于被測車輛上，接收端用于車外監(jiān)測人員實時觀測被測車輛行車狀態(tài)。發(fā)送端負責對增量式旋轉編碼器輸出的脈沖進行計數，然后將脈沖數量打包后通過無線傳輸模塊傳送給接收端，同時通過數據存儲模塊對采集的數據進行保存；接收端負責接收來自發(fā)送端的數據，并將其轉換成USB協議數據包，通過USB接口傳輸給上位機，由上位機軟件對采集的數據進行處理，計算出速度及加速度，并進行實時顯示與保存。

3 測速單元

旋轉編碼器擔負著將機械位移量轉換成電學量的職能，一般分為增量式旋轉編碼器和絕對式旋轉編碼器，增量式旋轉編碼器比絕對式旋轉編碼器更適合于角位移與角速度測量場合[7]。增量式旋轉編碼器每旋轉一周產生一系列脈沖，脈沖數量的多少表示角位移的大小。

該系統(tǒng)選用歐姆龍E6C2-CWZ6C旋轉編碼器作為測速元件，其供電電壓為5～24V直流電源，輸出信號A、B、Z三相，每旋轉一周輸出1000個脈沖。由于其輸出的信號為集電極開漏輸出，所以應在信號輸出端外接上拉電阻連至+5V電壓。后續(xù)控制單元通過對旋轉編碼器的信號線（A相或B相）輸出的脈沖進行計數，可計算出其旋轉的角位移。

旋轉編碼器的機械固定裝置通過六角螺母與車身擋板連接，測速輪通過聯軸器與旋轉編碼器相連，并且同軸。當被測車輛行駛時，車輪由于摩擦力的作用帶動測速輪轉動，由于旋轉編碼器與測速輪同軸，所以其轉動步調與測速輪一致，同時輸出一系列脈沖。

設旋轉編碼器每旋轉一周產生的脈沖數為N，后續(xù)處理單元每t秒進行一次脈沖計數，其數量為n，車輛t秒行駛的距離S為

式中：d——測速輪直徑。

那么車輛行駛的速度ν為

設ν1，ν2，ν3，…，νi-1，νi分別為第t1，t2，t3，…，ti-1，ti秒內采集到的速度，則車輛在第ti秒時的加速度ai為

后續(xù)處理單元根式（4）、式（5）即可計算出車輛行駛的速度及加速。

該系統(tǒng)中測速輪直徑d為0.1m，旋轉編碼器每旋轉一周產生的脈沖數N為1000，每間隔0.01s對旋轉編碼器產生的脈沖進行一次計數，即t為0.01。代入式（6）得：

式（7）說每個脈沖代表的車輛速度增量為0.0314m/s，即系統(tǒng)可分辨的最小速度為0.0314m/s。

該系統(tǒng)主要用于監(jiān)測車輛通過秤臺時的實時速度與加速度，被采集到的數據點越多，監(jiān)測裝置性能越高。設動態(tài)汽車衡秤臺的寬度為L，當車輛以速度ν通過秤臺時，系統(tǒng)可采集到的速度數據點個數n′為

動態(tài)汽車衡的秤臺寬度可選為0.9m，車輛行駛速度可選為5，10，15，20，25km/h等，代入式（8），即可算出不同速度通過秤臺時，系統(tǒng)可采集到的數據點個數如表1所示。

表1 不同速度時可采集到的數據點數量

由上述分析可知，采用旋轉編碼器作為車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置的測量元件，完全滿足本系統(tǒng)的測量要求。

4 系統(tǒng)硬件設計

車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置硬件系統(tǒng)由發(fā)送端與接收端兩部分組成。發(fā)送端與接收端通過無線射頻通信的方式來實現信息交互。發(fā)送端將采集的數據傳送給接收端，再由接收端轉發(fā)給上位機做進一步的數據處理。

4.1 發(fā)送端

發(fā)送端主要由控制單元、速度采集模塊、數據存儲模塊、無線通信模塊、供電回路等部分組成。

系統(tǒng)采用意法半導體公司（ST）推出的基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103VET6處理器為核心控制單元，最高工作頻率為72MHz。該處理器性能高，外設資源豐富，因此特別適合高速、大容量的數據采集系統(tǒng)[8]，同時便于移植嵌入式實時操作系統(tǒng)。

旋轉編碼器外部接有電源線、地線、屏蔽線以及（A、B、Z）相線等。該設計中采用+5V給旋轉編碼器供電，將A相線連至STM32F103VET6的外部計數器端口，并通過上拉電阻接至+5 V。如圖2所示，BAT54S具有鉗位功能，從而對后級電路具有保護作用。電阻R30與電容C50組成RC濾波電路，可有效濾除信號線中的高頻干擾。

圖2 速度采集模塊電路原理圖

數據存儲模塊以Micro SD卡作為存儲器，存儲容量大，可在無線通信信號較差時，將采集的數據保存在存儲器中。

NRF905芯片可工作在433/868/915MHz等3個ISM頻道，它由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，無需外加聲表濾波器，Shock-Burst工作模式，自動處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗），使用SPI接口與微控制器通信，配置方便[9]。

4.2 接收端

接收端功能模塊由控制單元、無線通信模塊及USB通信模塊組成。

圖3 USB通信模塊電路原理圖

由于STM32F103VET6處理器內部集成了USB2.0控制器，使接收端電路大大簡化。另外，采用 USB接口與上位機進行通信，不僅插拔方便，而且傳輸速率高，滿足系統(tǒng)對海量數據傳輸速率的要求，從而保證行車狀態(tài)監(jiān)測的實時性。USB通信模塊的電路原理如圖3所示。AS1117-3.3用于將上位機的USB口提供的+5V電壓轉換為+3.3 V電壓，從而為接收端其他功能模塊供電。

5 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件以嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II為核心，采用多任務機制，通過任務調度與任務監(jiān)視，具有較好的實時性與安全性[10]。

圖4 發(fā)送端軟件流程圖

發(fā)送端軟件流程如圖4所示。μC/OS-II系統(tǒng)時鐘節(jié)拍設置1ms，并在時鐘節(jié)拍勾子里每10ms讀取一次計數器的值。發(fā)送端創(chuàng)建NRF_RX_Task與NRF_TX_Task兩個任務。NRF_RX_Task負責定時檢查無線芯片是否接收到來自接收端發(fā)送的指令并執(zhí)行；NRF_TX_Task定時檢查數據發(fā)送隊列里面是否有數據，并及時發(fā)送。NRF905芯片除正處于發(fā)送數據的狀態(tài)外，其他任何時間都被設置為接受模式，便于及時接受來自接收受端的命令。發(fā)送端軟件中創(chuàng)建了nrfsemp與qsemp兩個信號量。nrfsemp用于多任務同時訪問無線模塊時實現互斥，保證資源有序利用；qsemp保證多任務同時訪問數據發(fā)送隊列時實現互斥，增加了系統(tǒng)的安全性。

接收端創(chuàng)建了NRF_RX_Task、NRF_TX_Task以及USB_TX_Task等3個任務。NRF_RX_Task任務定時檢查是否接受到來自發(fā)送端傳送的數據，并將其存儲于USB數據發(fā)送隊列；USB_TX_Task任務檢查到USB數據發(fā)送隊列有數據后立即將數據發(fā)送給上位機；NRF_TX_Task任務定時檢查是否有來自上位機傳來的數據，并及時將其轉發(fā)給發(fā)送端。同發(fā)送端一樣，接收端軟件中也創(chuàng)建了nrfsemp與qsemp兩個信號量，用于保證不同任務訪問同一資源時實現互斥。

6 實驗測試

為驗證車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置設計的合理性及可靠性，對其進行了實驗測試。旋轉編碼器被安裝在特制的機械固定裝置中，通過測速輪與一輛中型貨卡車輪緊密嚙合。監(jiān)測裝置發(fā)送端放置在貨卡駕駛室，采用12V鋰電池供電。接收端通過USB接口與上位機相連，發(fā)送端與接收端的天線位于空闊的地帶。測試時，中型貨卡車的車速從0km/h加速到20km/h。通過上位機軟件對車輛的行車狀態(tài)進行實時監(jiān)測。車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置的實時監(jiān)測曲線見圖5，圖中實時顯示貨卡車行車的實時速度及加速度。

圖5 行車狀態(tài)實時監(jiān)測曲線

調試中發(fā)現，車輛行車狀態(tài)無線監(jiān)測裝置實時監(jiān)測到的速度及加速度波動較大，曲線較陡，這是由于系統(tǒng)為了保證實時性采樣間隔時間過于短暫造成的，但是如果增加采樣間隔時間，會使得行車狀態(tài)監(jiān)測的實時性較差，單位時間內獲得的數據點較少，不利于研究車輛行駛加速度與動態(tài)稱重結果的關系。因此在上位機軟件中對采集的數據采用了滑動平均濾波算法，濾后的速度及加速度曲線較為平滑，較能真實地反應車輛的行駛狀態(tài)，同時又具有較高的實時性。

7 結束語

文中介紹了一種基于旋轉編碼器的車輛行車狀態(tài)監(jiān)測裝置的設計方案，該方案中采用增量式旋轉編碼器作為測速元件，成本低，使用方便，而且具有較高的測速分辨率?；赟TM32F103VET6處理器與μC/OS-II系統(tǒng)的軟硬件設計，提供了系統(tǒng)的性能及可靠性，為研究動態(tài)稱量結果與車輛加速度之間的關系以及規(guī)范動態(tài)稱重的檢定工作提供了實驗依據。

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Wireless monitoring device of vehicle driving state based on rotary encoder

YANG Hong-kou1，LIU Jun2，LI Li-hong1

（1.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.Shanxi Province Bureau of Quality and Technical Supervision，Taiyuan 030002，China）

A wireless device was developed for monitoring the vehicle driving state based on rotary encoder.The system used an incremental rotary encoder as the speed measuring element，and the software and hardware of the monitoring device were designed with the STM32F103VET6 processor and the embedded real-time operating system μC/OS-II.The merits of several common velocimetry ways for vehicle at present were compared.The working principle and the architecture of the wireless monitoring device were described，and the design points of the speed measurement and the subsystems of software and hardware were also described.The software flowcharts and the driving real-time status monitoring curve were given.Experimental results from field tests showed that the system not only was easy to use and had simple architecture，but also had the advantages of high real-time，reliability and velocity resolution.

rotary encoder；velocimetry；dynamic weighing；wireless transmission；USB；μC/OS-II

TP274；U461.91；U491；TP391.45

：A

：1674-5124（2014)03-0080-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.022

2013-03-26；

：2013-05-28

楊洪扣（1987-），男，江蘇鹽城市人，碩士研究生，專業(yè)方向為散入式系統(tǒng)與單片機。