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《電腦編程技巧與維護(hù)雜志》2015年第六期

1系統(tǒng)下位機(jī)硬件

路面質(zhì)量評(píng)定系統(tǒng)的下位機(jī)包括加速度傳感器單元、信號(hào)調(diào)理電路、微控制器模塊、藍(lán)牙模塊以及電路電池電壓檢測(cè)電路。其中系統(tǒng)整體的供電電壓由汽車(chē)點(diǎn)煙器（+12V）提供。該系統(tǒng)中，選用三軸向壓電式加速度傳感器，能夠同時(shí)檢測(cè)被測(cè)物體3個(gè)方向的加速度信號(hào)。加速度傳感器參數(shù)如圖1所示。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)實(shí)際信號(hào)電壓進(jìn)行電壓范圍的整體偏置，使得總共的輸入電壓維持在模擬輸入的電壓范圍之內(nèi)。信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。微處理器選用的是美國(guó)SiliconLaboratories公司的C8051F005單片機(jī)，該單片機(jī)為增強(qiáng)型MCS-51內(nèi)核，在傳統(tǒng)51單片機(jī)的基礎(chǔ)上采用流水線結(jié)構(gòu)，并配有豐富的數(shù)字和模擬外設(shè)。微處理器需要完成的工作有：信號(hào)的采集與處理、接收控制指令與發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。C8051F005單片機(jī)原理圖如圖3所示。本系統(tǒng)采用HC-05藍(lán)牙模塊如圖4所示，該模塊屬于串口藍(lán)牙數(shù)據(jù)模塊，接口為UART串口，藍(lán)牙芯片為CSR公司的BC417143B，外擴(kuò)8MbitFlash帶EDR模塊，功率級(jí)別為CLASS2，可實(shí)現(xiàn)10米范圍內(nèi)的串口透?jìng)鞴δ埽畲髠鬏斔俾手С?.4Mb/s。在使用過(guò)程中，選擇的是下位機(jī)藍(lán)牙作為從機(jī)工作，上位機(jī)藍(lán)牙作為主機(jī)來(lái)與下位機(jī)匹配通信。在項(xiàng)目試驗(yàn)時(shí)，采用汽車(chē)車(chē)載電源供電，通過(guò)汽車(chē)點(diǎn)煙器的電壓(+12V)進(jìn)行供電。針對(duì)單片機(jī)和藍(lán)牙模塊均需要+3.3V供電，選用LM1117-3.3穩(wěn)壓芯片來(lái)轉(zhuǎn)換所需要的供電電壓，電路電池電壓檢測(cè)電路原理圖如圖5所示。路面質(zhì)量評(píng)定系統(tǒng)的下位機(jī)采用的是單片機(jī)的UART串口通信，來(lái)完成與上位機(jī)的指令接收和數(shù)據(jù)發(fā)送功能。在下位機(jī)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)一直處于等待命令狀態(tài)，直到接受的到進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理的相關(guān)命令，下位機(jī)系統(tǒng)才開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)的程序運(yùn)行，同時(shí)完成指令所給定的采集樣本個(gè)數(shù)后，系統(tǒng)回到等待指令狀態(tài)。下位機(jī)系統(tǒng)的功能流程圖如圖6所示。

2系統(tǒng)上位機(jī)軟件

路面質(zhì)量評(píng)定系統(tǒng)不僅包括下位機(jī)的信號(hào)采集與信號(hào)上傳，還包括上位機(jī)的信號(hào)接收和信號(hào)處理。為了對(duì)實(shí)時(shí)采集的路面不平度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存，開(kāi)發(fā)了一套基于C#語(yǔ)言的適合本項(xiàng)目數(shù)據(jù)接收和處理的程序軟件，能夠自主地通過(guò)上位機(jī)控制下位機(jī)采集數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以保存采集回來(lái)的數(shù)據(jù)和處理已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)等。上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)思路：通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和Windows窗體應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析的功能。總體界面框圖如圖7所示。其中包括登錄、歡迎界面和操作界面，操作界面即數(shù)據(jù)采集與處理界面。采集系統(tǒng)的上位機(jī)軟件功能主要包括3部分：采集設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)處理。通過(guò)軟件組件來(lái)分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分的子功能。上位機(jī)軟件功能總體設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。上位機(jī)總體功能包括數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理兩大部分。數(shù)據(jù)接收部分包括采集設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示兩部分。數(shù)據(jù)接收部分如圖9所示，包含的功能有串口通信、指令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。串口通信，即通過(guò)電腦的COM口與下位機(jī)控制芯片的UART串口進(jìn)行連接通信，主要功能是下位機(jī)和上位機(jī)交互通信。指令發(fā)送的作用是給下位機(jī)啟動(dòng)、休眠、停止等指令，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集工作的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)指令來(lái)使下位機(jī)工作，提高了整體系統(tǒng)工作效率，降低功耗。數(shù)據(jù)接收，通過(guò)上一步的“指令發(fā)送”環(huán)節(jié)，下位機(jī)才能夠開(kāi)始執(zhí)行相應(yīng)的指令工作，每一項(xiàng)指令都包含該指令在下位機(jī)執(zhí)行狀態(tài)的反饋。數(shù)據(jù)顯示，將接收到的數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)在上位機(jī)中顯示出來(lái)，在后期實(shí)際試驗(yàn)中，可以直觀地通過(guò)數(shù)據(jù)辨別采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)是否可靠、系統(tǒng)性能是否符合功能需求等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將采集到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)中立刻保存，在后期實(shí)驗(yàn)室里完成所有數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理工作。通過(guò)點(diǎn)擊菜單選項(xiàng)的“數(shù)據(jù)處理”按鈕，軟件隱藏了數(shù)據(jù)采集界面的Panel，顯示了數(shù)據(jù)處理界面的Panel如圖10所示。數(shù)據(jù)處理界面包含的模塊有樣本信息區(qū)、樣本數(shù)據(jù)顯示區(qū)、曲線顯示區(qū)、曲線顯示選項(xiàng)和分段顯示設(shè)置區(qū)等。樣本信息區(qū)和樣本數(shù)據(jù)顯示區(qū)通過(guò)選擇文件讀取文件備注信息，并逐一顯示在信息區(qū)，以備數(shù)據(jù)處理過(guò)程中參照使用。同時(shí)“樣本數(shù)據(jù)顯示區(qū)”負(fù)責(zé)顯示打開(kāi)文件的加速度數(shù)據(jù)部分。曲線顯示區(qū)，采用的是ZedGraph曲線顯示控件，負(fù)責(zé)顯示加速度信號(hào)隨時(shí)間的曲線圖。分段顯示設(shè)置區(qū)，彌補(bǔ)了采集的樣本數(shù)據(jù)龐大，通過(guò)有限的曲線窗口無(wú)法看到曲線細(xì)節(jié)特征的不足，該區(qū)可以手動(dòng)輸入合理范圍內(nèi)的起始值和終止值，再點(diǎn)擊“分段顯示”按鈕，系統(tǒng)就會(huì)在曲線顯示區(qū)直接顯示選定的區(qū)間曲線，同時(shí)顯示出當(dāng)前曲線的樣本長(zhǎng)度，以及該段曲線的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。該區(qū)的“返回”按鈕保證了軟件的可恢復(fù)性，當(dāng)點(diǎn)擊“返回”按鈕，曲線顯示則返回全體樣本的曲線。在數(shù)據(jù)處理算法部分，采用基于時(shí)間序列的自回歸(AR)建模計(jì)算國(guó)際道路不平度指數(shù)(IRI)測(cè)量方法，即運(yùn)用卡爾曼濾波算法對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行AR建模計(jì)算功率譜密度(PSD)，作為路面不平度系數(shù)，最后計(jì)算出路面IRI值，參照國(guó)際道路不平度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)道路進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，如圖11所示。

3實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

（1）將加速度傳感器安裝于試驗(yàn)汽車(chē)的底部懸架上，再將傳感器信號(hào)線和電源線與采集系統(tǒng)下位機(jī)主板連接。（2）通過(guò)汽車(chē)點(diǎn)煙器(+12V)接口給硬件系統(tǒng)供電。打開(kāi)下位機(jī)電源開(kāi)關(guān)，以及主板上藍(lán)牙供電開(kāi)關(guān)。（3）將上位機(jī)安裝在筆記本上，同時(shí)插上藍(lán)牙適配器，打開(kāi)BlueSoleil軟件，通過(guò)上位機(jī)的適配器藍(lán)牙搜索下位機(jī)藍(lán)牙，進(jìn)行匹配連接。（4）根據(jù)藍(lán)牙匹配連接的串口號(hào)，設(shè)置上位機(jī)軟件的串口設(shè)置區(qū)的串口號(hào)，同時(shí)設(shè)置波特率為38400，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1。軟件設(shè)置完畢后，打開(kāi)串口。在以上步驟設(shè)置完成之后，試驗(yàn)汽車(chē)在預(yù)定路面上開(kāi)始以固定的速度開(kāi)始運(yùn)行。則開(kāi)始進(jìn)入下面的數(shù)據(jù)采集步驟。（5）點(diǎn)擊上位機(jī)快速發(fā)送區(qū)的“1000”按鈕，給下位機(jī)的指令含義是采集1000個(gè)樣本數(shù)據(jù)。（6）下位機(jī)通過(guò)藍(lán)牙接收到命令之后，啟動(dòng)加速度傳感器供電模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和發(fā)送工作。（7）上位機(jī)在數(shù)據(jù)顯示區(qū)顯示剛剛收到的串口數(shù)據(jù)，同時(shí)在樣本備注區(qū)填寫(xiě)相關(guān)的備注信息，完畢之后，通過(guò)“一鍵保存”按鈕保存采集的樣本數(shù)據(jù)和樣本數(shù)據(jù)備注信息。以上7步便是上位機(jī)實(shí)車(chē)采集的工作流程步驟，采集工作結(jié)束后，上位機(jī)關(guān)閉串口，退出采集系統(tǒng)，并停車(chē)卸下下位機(jī)硬件部分。（8）在上位機(jī)選擇“數(shù)據(jù)處理”界面，選擇采集的數(shù)據(jù)文件，則界面上會(huì)顯示出樣本的原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集備注的信息。并通過(guò)曲線圖的形式顯示出來(lái)，同時(shí)計(jì)算出樣本曲線的均值和標(biāo)準(zhǔn)差信息。對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)運(yùn)用Kalman濾波等算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基于時(shí)間序列的自回歸(AR)建模，得到路面的功率譜密度估計(jì)，然后依據(jù)國(guó)際道路不平度指數(shù)(IRI)來(lái)判斷路面的不平度等級(jí)。數(shù)據(jù)處理流程如圖12所示。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)道路的路面不平度，開(kāi)發(fā)了基于加速度傳感器的路面質(zhì)量評(píng)定系統(tǒng)的硬件電路和基于C#編寫(xiě)的數(shù)據(jù)采集及分析的上位機(jī)軟件。展開(kāi)了對(duì)車(chē)載式路面質(zhì)量評(píng)定系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究。開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)成本低廉、輕巧便攜、安裝方便、實(shí)時(shí)采集、性能穩(wěn)定。藍(lán)牙無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)可靠，具有良好的抗干擾性。因此該路面質(zhì)量評(píng)定系統(tǒng)能夠勝任路面不平度的檢測(cè)。。

作者：肖馨舒劉慶華申繼鵬徐泰周幃劉雙雙單位：江蘇科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院