程序★ 顧娜

（1.江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，江蘇 南京 210023；2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210031）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展，截至2020年9月，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到3.65億輛，在快速進(jìn)入汽車社會(huì)的現(xiàn)狀下，道路交通安全問(wèn)題就顯得尤為重要。機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀作為道路交通速度監(jiān)測(cè)的重要手段之一，以其測(cè)速準(zhǔn)確、靈活機(jī)動(dòng)、便于安裝等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外交通安全領(lǐng)域，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交通情況保障交通安全的同時(shí)也為有關(guān)部門提供重要執(zhí)法依據(jù)，因此與群眾生活息息相關(guān)，從而受到全社會(huì)的關(guān)注和重視。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)固定安裝在道路上的機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀，采取模擬檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)兩步進(jìn)行的方式，由于非接觸式測(cè)速儀具有準(zhǔn)確度較高、使用方便等特點(diǎn)，所以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方式采用非接觸式汽車速度計(jì)作為現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)器，將機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀的示值與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速儀示值進(jìn)行比較，對(duì)機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)速誤差進(jìn)行檢定[1-2]。

1 現(xiàn)有顯示方法存在的缺陷

光電非接觸式測(cè)速儀配套一塊速度顯示裝置，現(xiàn)今標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速儀的示值主要來(lái)源于檢測(cè)人員對(duì)測(cè)速抓拍區(qū)域的估算，以手動(dòng)方式對(duì)監(jiān)控顯示裝置上的標(biāo)準(zhǔn)速度值進(jìn)行截取。此方法有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：（1）顯示裝置顯示亮度不夠，在陰天或隧道里使用時(shí)監(jiān)控相機(jī)可以拍清顯示裝置上的數(shù)字，但在晴天陽(yáng)光直射的條件下，就無(wú)法拍清裝置上顯示的信息；（2）顯示信息量不全，顯示裝置上目前只能顯示從非接觸測(cè)速儀讀取的當(dāng)前速度值，而沒(méi)有當(dāng)前時(shí)間以及行駛距離等參數(shù)，不能作為今后區(qū)間測(cè)速的標(biāo)準(zhǔn)裝置使用；（3）安裝連接不便，現(xiàn)有的顯示裝置需要連接獨(dú)立電源線、串口數(shù)據(jù)線，并且需要安裝在前車牌位置，為日常檢測(cè)工作帶來(lái)了很大的不便。該方法不確定度大、效率低，無(wú)法與測(cè)速系統(tǒng)的實(shí)際抓拍值進(jìn)行時(shí)間點(diǎn)上的吻合。因此，為了進(jìn)一步提高非接觸式測(cè)速儀的準(zhǔn)確性、安全性及檢測(cè)效率，亟待設(shè)計(jì)一種新型的現(xiàn)場(chǎng)顯示裝置，以準(zhǔn)確高效地顯示檢測(cè)車輛的標(biāo)準(zhǔn)速度，克服現(xiàn)行顯示裝置的缺陷。

2 無(wú)線顯示方法概述

非接觸式無(wú)線顯示裝置采用自主開(kāi)發(fā)軟件，將非接觸式測(cè)速儀的實(shí)時(shí)速度與行駛距離等信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線方式直接傳輸至顯示裝置進(jìn)行顯示，而內(nèi)置的高精度衛(wèi)星定位授時(shí)模塊能將當(dāng)前的授時(shí)信息同時(shí)顯示。顯示裝置內(nèi)集成了一組可充電鋰電池，可多次循環(huán)使用，單次使用時(shí)間最長(zhǎng)約4小時(shí)，可以完全實(shí)現(xiàn)顯示裝置的無(wú)線使用，以適應(yīng)不同車輛型號(hào)以及不同使用場(chǎng)景[3]。

3 系統(tǒng)硬件組成與結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)硬件由系統(tǒng)控制模塊、LED顯示/驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)試傳感器數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸與解碼模塊以及定位授時(shí)模塊四部分組成。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3.1 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊匯集了定位/授時(shí)模塊的時(shí)間信息和數(shù)據(jù)傳輸模塊的測(cè)速傳感器數(shù)據(jù)，連接LED顯示/驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行顯示，主要包括主控芯片及其外圍工作電路、高精度晶振、加速度傳感器及外圍電路等。系統(tǒng)采用Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM微控制器STM32F103作為主控芯片，可以接收定位系統(tǒng)傳達(dá)的定位授時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，通過(guò)WiFi實(shí)現(xiàn)各種傳感器的無(wú)線數(shù)據(jù)連接，避免了繁瑣的布線工作，并且系統(tǒng)可以把融合后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞脚c外界系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。通過(guò)融合所接收的信息傳達(dá)至LED顯示/驅(qū)動(dòng)模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀顯示、實(shí)時(shí)刷新和亮度控制等功能。速度顯示裝置采用鋰電池組為整個(gè)系統(tǒng)提供運(yùn)行所需的能量，可以達(dá)到重復(fù)循環(huán)使用的效果。系統(tǒng)控制電路的原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制LED 顯示驅(qū)動(dòng)原理圖

3.2 LED顯示/驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)顯示采用加裝光學(xué)薄膜覆膜的LED高亮度顯示陣列，結(jié)合PWM控制實(shí)現(xiàn)亮度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，可完成在不同環(huán)境光工作情況下的亮度調(diào)節(jié)，使得無(wú)論在強(qiáng)光還是弱光環(huán)境下，顯示信息都能夠被肉眼或攝像頭等清晰識(shí)別，有效改善了不同類型產(chǎn)品在陰天或隧道等環(huán)境光不足的情況下無(wú)法清晰顯示信息的缺點(diǎn)。同時(shí)，采用無(wú)線遙控方式控制顯示屏的通斷，可有效延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作時(shí)間。LED顯示驅(qū)動(dòng)使用74HC595芯片實(shí)現(xiàn)大電流驅(qū)動(dòng)模式，有工作電壓高、工作電流大的優(yōu)點(diǎn)，灌電流達(dá)500mA，可輕松滿足LED顯示陣列驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)工作需求[4]。PCB板布線圖如圖3所示。

圖3 LED 顯示PCB 板布線圖

3.3 測(cè)試傳感器數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸與解碼模塊

采用Kistler L-350非接觸式光學(xué)傳感器，可現(xiàn)場(chǎng)捕獲機(jī)動(dòng)車的運(yùn)行參數(shù)，含運(yùn)行速度、行駛距離等。傳感器可通過(guò)自帶RS232、CAN等接口連接數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但安裝比較繁瑣。考慮到現(xiàn)今的WiFi無(wú)線傳輸技術(shù)已較為成熟，使用工業(yè)級(jí)、超低功耗、高速傳輸?shù)腤iFi模塊，可穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)顯示裝置和各種傳感器之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；并可根據(jù)需要，制定開(kāi)發(fā)適配于各種傳感器的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。因此通過(guò)自制的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將測(cè)速傳感器的數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、便捷地導(dǎo)入本項(xiàng)目系統(tǒng)中，并進(jìn)行解碼[5-7]；其中，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用USR-C322。

3.4 定位/授時(shí)模塊

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國(guó)現(xiàn)有的具有高準(zhǔn)度、高效率的導(dǎo)航系統(tǒng)，擁有定位、通信、授時(shí)等多方面功能；其性能十分可靠，可用于本系統(tǒng)的定位/授時(shí)模塊，可精準(zhǔn)定位高速行駛車輛的準(zhǔn)確位置并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)模塊當(dāng)中。而GPS全球定位系統(tǒng)可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供準(zhǔn)確的定位、測(cè)速和高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)可以通過(guò)定位功能，得出車輛運(yùn)行的精準(zhǔn)信息。選用正點(diǎn)原子S1218的模塊，可接收北斗衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星兩種系統(tǒng)的授時(shí)信息，自動(dòng)選擇信號(hào)穩(wěn)定的授時(shí)來(lái)源，保證整套系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行[8-10]。

4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通電后，首先將STM32的各種寄存器進(jìn)行初始化，包含端口配置寄存器、中斷配置寄存器等，從而實(shí)現(xiàn)各端口的相應(yīng)功能。初始化完成后，開(kāi)啟定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)定時(shí)顯示數(shù)據(jù)等功能；打開(kāi)串口，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的串口通信；打開(kāi)中斷，實(shí)現(xiàn)中斷接收GPS數(shù)據(jù)。通過(guò)中斷接收到GPS數(shù)據(jù)后，更新顯示數(shù)據(jù)堆棧；通過(guò)定時(shí)器，定時(shí)更新時(shí)間、速度、里程等信息。其流程圖如圖4所示。

GPS接收中斷是在STM32接收到由GPS模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后，先讀取和搜索數(shù)據(jù)幀頭，再截取完整有效的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)NMEA通訊協(xié)議，獲得UTC時(shí)間、瞬時(shí)速度等信息后，返回?cái)?shù)據(jù)。GPS接收中斷由GPS模塊通訊觸發(fā)。其流程圖如圖5所示。

HC595顯示中斷時(shí)，端口初始化由主程序的初始化寄存器完成，根據(jù)HC595芯片的使用說(shuō)明，STM32發(fā)送控制字和需要顯示的數(shù)據(jù)，最后刷新顯示指令，從而更新顯示數(shù)據(jù)。HC595的顯示中斷由定時(shí)器中斷觸發(fā)，時(shí)間間隔可調(diào)。其流程圖如圖6所示。

Kistler L-350非接觸式光學(xué)傳感器中的串行通訊接口輸出電平為標(biāo)準(zhǔn)RS-232電平，輸出方式為連續(xù)數(shù)據(jù)輸出，設(shè)定傳感器工作參數(shù)，使傳感器串口數(shù)據(jù)傳輸速率與無(wú)線通信發(fā)送模塊一致，一般為9.6kbps。USR-C322的無(wú)線數(shù)據(jù)包由前導(dǎo)碼Peramble、地址碼ADDR、有效數(shù)PAYLOAD(最大為32字節(jié))及CRC校驗(yàn)組成，其中前導(dǎo)碼、地址碼和CRC校驗(yàn)由無(wú)線收發(fā)器按模塊寄存器配置自動(dòng)完成。因此，這里僅對(duì)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)PAYLOAD，進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)定如下：每個(gè)數(shù)據(jù)幀共10個(gè)字節(jié)，其中，第1字節(jié)為數(shù)據(jù)幀起始符；第2字節(jié)至第7字節(jié)為儀表顯示的測(cè)量數(shù)據(jù)(ASCII字符)；第8字節(jié)為儀表指示燈狀態(tài)；第9字節(jié)表示數(shù)據(jù)正負(fù)及小數(shù)點(diǎn)位置；最后一個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)幀結(jié)束標(biāo)志。其流程圖如圖7所示。接收模塊主程序?qū)ψ陨磉M(jìn)行初始化后，進(jìn)入接收等待狀態(tài)，監(jiān)視周圍的無(wú)線信號(hào)，并判斷是否有發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)包裝，如果有，則由串口輸出所收到的數(shù)據(jù)。發(fā)送及接收模塊主函數(shù)的流程圖如圖7和圖8所示。

圖4主程序流程圖

圖5GPS 接收中斷

圖6HC595 顯示中斷

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

圖8 數(shù)據(jù)接收流程圖

6 創(chuàng)新特色

（1）超高亮度顯示，亮度可調(diào)：采用長(zhǎng)壽命、高亮度、高質(zhì)量的食人魚(yú)型綠色LED燈珠，搭配可靠的LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)的亮度調(diào)節(jié)，無(wú)論在強(qiáng)光還是弱光環(huán)境下，都能夠被肉眼或攝像頭等清晰識(shí)別。

（2）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，使用方便：使用成熟的WiFi無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳感器等與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘顯示裝置的數(shù)據(jù)鏈接，避免了繁瑣不便的布線工作，安裝方式更為靈活簡(jiǎn)便，便于收納和維護(hù)。

（3）北斗衛(wèi)星授時(shí)，可靠穩(wěn)定：可接收北斗衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星兩種系統(tǒng)的授時(shí)信息，自動(dòng)選擇信號(hào)穩(wěn)定的授時(shí)來(lái)源，保證整套系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。

（4）鋰電系統(tǒng)供電，安全環(huán)保：使用長(zhǎng)壽命鋰電池供電，配有電量檢測(cè)和顯示的功能，保障使用過(guò)程中的用電安全，且綠色環(huán)保。

7 結(jié)語(yǔ)

作為計(jì)量測(cè)試的一種輔助手段，機(jī)動(dòng)車非接觸式測(cè)速無(wú)線顯示裝置有著廣泛的應(yīng)用前景，使非接觸式汽車測(cè)速計(jì)作為機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量檢定工具，測(cè)速顯示更加精準(zhǔn)，能夠適應(yīng)更多顯示環(huán)境，從而將檢測(cè)人員從檢測(cè)速度依靠手動(dòng)截取的繁瑣工作中解放出來(lái)，避免繁瑣的人工操作帶來(lái)的測(cè)量誤差；從而進(jìn)一步減少因超速行駛所引發(fā)的交通事故，保障人民群眾的生命、財(cái)產(chǎn)安全，與此同時(shí)也給交通管理部門的執(zhí)法提供了更有力的技術(shù)保障。