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1、 专业专业知知识识分享版分享版使命：加速中国职业化进程使命：加速中国职业化进程 1 引 言考虑到车辆的行驶安全，以及现代城市交通的立体化趋势，对车辆的载货高度是有所限制的。载货过高的车辆往往容易损坏立交桥、隧道等交通设施，影响电源、通讯线路等城市命脉以及照明设施。所以，车辆高度的监控对城市交通的管理是个必不可少的环节。然而，许多大中城市都架设电车线路，而电车的两根集电杆往往超过一般限高(4.5m)。所以，实际要求限制普通车辆的高度，而又能让电车这类“必须超高”的车辆通行。本系 统就是针对该实用课题要求开发研制的，并有效地解决了实际工程应用中遇到的各种干扰 问题。2 系统设计方案2.1 检测超高
2、车辆的原理利用光学方法，在道路上方的标准高度处设置横向光路。普通车辆对光路无影响，而 超高车辆经过时必然切割光路，给出一阻挡脉冲信号，此信号可作为差别车辆是否超高的 依据，将其转换成电信号后便于处理和控制。2.2 电车检测原理电车外形最具有特征的是两根“辫子”形状的集电杆，但超高车辆形式千变万化，完全 有可能出现具有类似“辫子”的超高车辆，所以，以判断车辆外形模式区分电车并不可靠。 电车的根本特征在于靠供电线路供给能量，驱动直流电机运行。在电车线路上安装传感器， 必须在可靠获取信号的同时能承受大的冲击力，又能耐受恶劣环境。经反复试验，得到较 理想的电车传感器，其原理如图 1 所示。电车滑过绝缘
3、板时，电车电机暂时与供电线路脱 离，这时依靠惯性车辆仍保持一定速度。当其导轨轮搭上金属块时，由于直流电机转子并 未停止转动，在金属块上得到一电压信号，该电压与供给电机电压方向相反，不妨称其为 反电动势。该反电动势可作为判断是否有电车的信号。利用该信号给出电车信息，并屏蔽 掉相应的电车超高信号。图1 电车传感器原理图3 检测系统实际组成结构和抗干扰设计专业专业知知识识分享版分享版使命：加速中国职业化进程使命：加速中国职业化进程 3.1 检测系统组成结构主要分超高车辆检测、电车检测和单片机控制系统等功能模块。3.1.1 超高车辆检测系统构成 主要分光发射部分和光接收部分。两部分分别放置道路两端，构
4、成道路上空的横向光路。光发射部分包括半导体激光器和相应的伺服系统(稳压电源、制冷器)、调制电路、光学镜头组等。考虑到仪器的可靠和寿命，光源用半导体激光器(LD)，工作波长810nm，具有优良的大气穿透能力。而且 LD 可以电调制，调制方便，长期运作稳定。光学系统包括光束整圆棱镜和准直透镜。原理框图如图2。图2 激光发射系统光接收部分包括了光电转换与相应信号前期处理部分，以及为提高系统整体性能的抗干扰设计。其原理框图如图3。图3 激光接收系统专业专业知知识识分享版分享版使命：加速中国职业化进程使命：加速中国职业化进程 3.1.2 电车检测系统构成 主要包括电车传感器和相应的信号处理电器。传感器安
5、装于电车线路上，通过其上的金属块引出电车经过时直流电动机的反电动势信号。将传感器直接采集的强电信号转换成 TTL 逻辑电平，即是处理电路的功能1 。基本的思路为：电车的导轨轮从接上传感器的金属块开始，到滑离金属块，得到反电动势信号基本为一脉冲形式，该信号电压辐值很高，达上千伏，不能直接送至后续开关电路，必须先经积分电路缓冲，降低电压，同时波形得到初步整形。用该较规整的波形送至开关电路，从而判断出电车信号的有无。并进一步整形信号，将较规范的脉冲信号送至后续控制电路。电路框图如图4：图4 电车信号处理电路框图实际操作中为提高捕捉电车信号的正确率，在电车线路正、负线都安装传感器，利用二极管的单向导通
6、性保证信号分别送至相应的处理电路。不过，因为电车线路的感应，平时传感器上保持一定的电压(200300V)，所以要注意二极管的反向耐压。一般，正线传感器上的反压和得到的电车反电动势信号都要比负线强。3.1.3 单片机控制系统构成 单片机是整个系统逻辑判断的控制核心。采用8751作为处理芯片。基本的逻辑功能为：有超高车辆信号时发超高车警报，有电车时发电车信号，并同时屏蔽相应电车集电杆的超高信号。3.2 检测系统的抗干扰措施检测系统的设计指标要求当超高车辆速度在60km/h，至少能检测出2cm 宽的超高物，电车的漏检率小于1104。为保证复杂的现场条件下仪器的高可靠性，在检测系统的研制过程中，如何解
7、决干扰问题占有很大比重。仪器使用现场为道路两旁，是露天环境。使用时不光要排除因日常交通带来的干扰，还要保证在恶劣天气状况(雨、雪、雾)时仪器能正常使用。设计采用一对 LD 形成双光路结专业专业知知识识分享版分享版使命：加速中国职业化进程使命：加速中国职业化进程 构，利用信号冗余法提高识别精度。超高车经过时，将分别切割 LD 形成的两束光路，光路间有足够间隔(约10cm)。在检测处理软件中只有连续得到两个超高车信号，才认为有超高车经过，从而避免周围环境干扰物(漂浮物、雪花)的影响。当一只 LD 工作出现故障时，另一只 LD 则可保证在检修时系统仍能正常运转。日常环境光的变化对检测系统形成背景噪声
8、，设计中采用激光的调制发射和解调接收滤去干扰，检出有效信号，并使用带宽为100的干涉滤光片抑制太阳光背景噪声。由于不同大气条件对辐射功率的吸收有强有弱，因此采用两组不同功率的 LD(30mW和250mW)2 。通常天气状况良好，一对小功率 LD 处于开启状态，而大功率 LD 处于关闭状态。当天气恶劣，能见度差，探测器接收到的光能极其微弱时，即开启大功率 LD。平时由于超高车阻挡而使探测器无光信号时则不会引起大功率 LD 的自动开启。因天气变化而导致达到探测器光能量的变化与其是有区别的，前者是缓变信号，后者是瞬变信号。接收装置所接收的信号在不同条件下有很大差异，最大和最小信号间可相差几十分贝。显
9、然，接收信号微弱时，要求放大器有较高的增益，而当接受信号强时，要求放大器不致于饱和。这一作用由自动增益控制电路(AGC)完成3 。外部环境的随机干扰(飘浮物、雪花等)，在软件内设置相应的检测避免功能。电车信号从8751的一口线输入，超高车则占用 INTO 中断口，同时两路超高车信号也拉至两口线，以检测信号形式。电源监控和单片机状态的监控(Watchdog)。在本系统的实验过程中，特别是在电车线路附近，由于电车导轨轮与线路的摩擦、跳动，甚至打火花，都会干扰处理电路，曾观察到单片机程序“跑飞”现象。针对应用环境中遇到的问题，本文设计了电源监控和单片机状态监控电路，解决了上述问题。电源监控主要由 M
10、AXIM7705电源监控芯片构成。单片机状态监控的基本电路如图5所示4 ，图中，虚线表示非常状态，8751不断向 P 口发出周期为 TC 的连续脉冲波形 CPL P；只要 TC 小于单稳触发器的输出周期宽度 Ti，在单稳的一 Q 端就一直持续低电平。当发生程序“跑飞”，软件功能紊乱时，P 口的脉冲波形缺失，一 Q 端跳至高电平，触发第二个单稳，输出一足够宽度脉冲至 RST，使程序重新得以执行。另外，在 ROM 的剩余空地址，设置些软“陷阱”，使其跳至程序的某个地址，如：JMP START；使“跑飞”的程序重新得以初始化执行。这也是个有效的办法。专业专业知知识识分享版分享版使命：加速中国职业化进
11、程使命：加速中国职业化进程 图5 电源和单片机状态监控电路4 实 验 结 果本套检测系统经严格的现场实验，在城市公交电车线路装上传感器，引入电车信号，再与相应的超高信号一起送至后续处理电路，以发出正确的警报信息。实验结果如下。电车检测模块：连续三天对电车检测系统进行现场实验，分别记录正线和负线传感器的输出信号和处理电路最后送出的 TTL 逻辑电平信号。表1 电车实验结果(共600辆)正 线 负 线 最终有效信号信号得到次数 600 598 600实验结果正线的漏检率为零，负线的漏检率为1/300，综合两者的有效信号已达到漏检率1/10000的指标。超高车辆检测模块：将检测系统的发射端和接收端分
12、别放置现场道路两旁，构成标准限高处的横向光路。实验采取的方法：1.利用叉车前端升降机，2.卡车上绑缚超高障碍物，模拟超高车辆，3.挥动长杆，人为遮挡横向光路，模拟超高车辆信号。专业专业知知识识分享版分享版使命：加速中国职业化进程使命：加速中国职业化进程 按照设计要求，分别进行20、15、300次实验，全部得到符合要求的超高车警报信号。进行了雨、雪、雾等非常条件下的实验，结果表明该检测系统完全胜任。实验结果表明，检测系统能按照设计要求，可靠地检测出超高车辆，发出超高警报，并能以极高的准确率捕捉到电车，送出相应信号，从而解决了城市交通的实际问题。对于实际工程应用环境遇到的各种干扰，在检测系统中也得到解决，保证了系统的实用性和高可靠性要求。
