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路面质量评定系统设计

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《电脑编程技巧与维护杂志》2015年第六期

1系统下位机硬件

路面质量评定系统的下位机包括加速度传感器单元、信号调理电路、微控制器模块、蓝牙模块以及电路电池电压检测电路。其中系统整体的供电电压由汽车点烟器(+12V)提供。该系统中,选用三轴向压电式加速度传感器,能够同时检测被测物体3个方向的加速度信号。加速度传感器参数如图1所示。信号调理电路对实际信号电压进行电压范围的整体偏置,使得总共的输入电压维持在模拟输入的电压范围之内。信号调理电路如图2所示。微处理器选用的是美国SiliconLaboratories公司的C8051F005单片机,该单片机为增强型MCS-51内核,在传统51单片机的基础上采用流水线结构,并配有丰富的数字和模拟外设。微处理器需要完成的工作有:信号的采集与处理、接收控制指令与发送采样数据。C8051F005单片机原理图如图3所示。本系统采用HC-05蓝牙模块如图4所示,该模块属于串口蓝牙数据模块,接口为UART串口,蓝牙芯片为CSR公司的BC417143B,外扩8MbitFlash带EDR模块,功率级别为CLASS2,可实现10米范围内的串口透传功能,最大传输速率支持1.4Mb/s。在使用过程中,选择的是下位机蓝牙作为从机工作,上位机蓝牙作为主机来与下位机匹配通信。在项目试验时,采用汽车车载电源供电,通过汽车点烟器的电压(+12V)进行供电。针对单片机和蓝牙模块均需要+3.3V供电,选用LM1117-3.3稳压芯片来转换所需要的供电电压,电路电池电压检测电路原理图如图5所示。路面质量评定系统的下位机采用的是单片机的UART串口通信,来完成与上位机的指令接收和数据发送功能。在下位机系统上电后,系统一直处于等待命令状态,直到接受的到进行数据采集和处理的相关命令,下位机系统才开始进行相关的程序运行,同时完成指令所给定的采集样本个数后,系统回到等待指令状态。下位机系统的功能流程图如图6所示。

2系统上位机软件

路面质量评定系统不仅包括下位机的信号采集与信号上传,还包括上位机的信号接收和信号处理。为了对实时采集的路面不平度数据进行分析和保存,开发了一套基于C#语言的适合本项目数据接收和处理的程序软件,能够自主地通过上位机控制下位机采集数据和接收数据,同时也可以保存采集回来的数据和处理已经保存的数据等。上位机软件界面设计思路:通过软件开发平台和Windows窗体应用程序来实现数据采集和数据分析的功能。总体界面框图如图7所示。其中包括登录、欢迎界面和操作界面,操作界面即数据采集与处理界面。采集系统的上位机软件功能主要包括3部分:采集设置、数据显示和数据处理。通过软件组件来分别实现各个部分的子功能。上位机软件功能总体设计框图如图8所示。上位机总体功能包括数据接收和数据处理两大部分。数据接收部分包括采集设置、数据显示两部分。数据接收部分如图9所示,包含的功能有串口通信、指令发送、数据接收、数据显示、数据存储。串口通信,即通过电脑的COM口与下位机控制芯片的UART串口进行连接通信,主要功能是下位机和上位机交互通信。指令发送的作用是给下位机启动、休眠、停止等指令,实现下位机数据采集工作的实现,同时通过指令来使下位机工作,提高了整体系统工作效率,降低功耗。数据接收,通过上一步的“指令发送”环节,下位机才能够开始执行相应的指令工作,每一项指令都包含该指令在下位机执行状态的反馈。数据显示,将接收到的数据、接收数据的总个数在上位机中显示出来,在后期实际试验中,可以直观地通过数据辨别采集系统数据是否可靠、系统性能是否符合功能需求等。数据存储,将采集到的数据在上位机中立刻保存,在后期实验室里完成所有数据的数据处理工作。通过点击菜单选项的“数据处理”按钮,软件隐藏了数据采集界面的Panel,显示了数据处理界面的Panel如图10所示。数据处理界面包含的模块有样本信息区、样本数据显示区、曲线显示区、曲线显示选项和分段显示设置区等。样本信息区和样本数据显示区通过选择文件读取文件备注信息,并逐一显示在信息区,以备数据处理过程中参照使用。同时“样本数据显示区”负责显示打开文件的加速度数据部分。曲线显示区,采用的是ZedGraph曲线显示控件,负责显示加速度信号随时间的曲线图。分段显示设置区,弥补了采集的样本数据庞大,通过有限的曲线窗口无法看到曲线细节特征的不足,该区可以手动输入合理范围内的起始值和终止值,再点击“分段显示”按钮,系统就会在曲线显示区直接显示选定的区间曲线,同时显示出当前曲线的样本长度,以及该段曲线的均值和标准差。该区的“返回”按钮保证了软件的可恢复性,当点击“返回”按钮,曲线显示则返回全体样本的曲线。在数据处理算法部分,采用基于时间序列的自回归(AR)建模计算国际道路不平度指数(IRI)测量方法,即运用卡尔曼滤波算法对初始数据进行滤波处理,再对数据进行AR建模计算功率谱密度(PSD),作为路面不平度系数,最后计算出路面IRI值,参照国际道路不平度分级标准,对道路进行质量评定,如图11所示。

3实车实验与数据处理

(1)将加速度传感器安装于试验汽车的底部悬架上,再将传感器信号线和电源线与采集系统下位机主板连接。(2)通过汽车点烟器(+12V)接口给硬件系统供电。打开下位机电源开关,以及主板上蓝牙供电开关。(3)将上位机安装在笔记本上,同时插上蓝牙适配器,打开BlueSoleil软件,通过上位机的适配器蓝牙搜索下位机蓝牙,进行匹配连接。(4)根据蓝牙匹配连接的串口号,设置上位机软件的串口设置区的串口号,同时设置波特率为38400,数据位为8,停止位为1。软件设置完毕后,打开串口。在以上步骤设置完成之后,试验汽车在预定路面上开始以固定的速度开始运行。则开始进入下面的数据采集步骤。(5)点击上位机快速发送区的“1000”按钮,给下位机的指令含义是采集1000个样本数据。(6)下位机通过蓝牙接收到命令之后,启动加速度传感器供电模块,进行数据采集、预处理和发送工作。(7)上位机在数据显示区显示刚刚收到的串口数据,同时在样本备注区填写相关的备注信息,完毕之后,通过“一键保存”按钮保存采集的样本数据和样本数据备注信息。以上7步便是上位机实车采集的工作流程步骤,采集工作结束后,上位机关闭串口,退出采集系统,并停车卸下下位机硬件部分。(8)在上位机选择“数据处理”界面,选择采集的数据文件,则界面上会显示出样本的原始数据和数据采集备注的信息。并通过曲线图的形式显示出来,同时计算出样本曲线的均值和标准差信息。对采集到的原始数据运用Kalman滤波等算法进行数据处理,并对数据进行基于时间序列的自回归(AR)建模,得到路面的功率谱密度估计,然后依据国际道路不平度指数(IRI)来判断路面的不平度等级。数据处理流程如图12所示。

4结语

针对道路的路面不平度,开发了基于加速度传感器的路面质量评定系统的硬件电路和基于C#编写的数据采集及分析的上位机软件。展开了对车载式路面质量评定系统的开发与研究。开发的系统成本低廉、轻巧便携、安装方便、实时采集、性能稳定。蓝牙无线传输数据可靠,具有良好的抗干扰性。因此该路面质量评定系统能够胜任路面不平度的检测。。

作者:肖馨舒刘庆华申继鹏徐泰周帏刘双双单位:江苏科技大学计算机科学与工程学院

电脑编程技巧与维护杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次