研制了一種適用于高速公路計重收費或治理超載車輛的動態地磅。采用特殊的力學結構設計，保證了 稱重板動態測量的精度，并將無線傳輸技術應用于測量數據的近程傳輸，克服了野外工作煩瑣的遠距離布線施工，利用GPRS功能實現了遠程設備監控、診斷和維護功能。

1.前言

自90年代始，我國高速公路的建設進入了高速發展期，由于管理上不成熟和缺少管理上必備的硬件設 備，缺少約束的市場化，眾多運輸業者片面追求利潤，致使運輸車輛嚴重超載，造成大量安全事故和道路早期 的損壞，給國家和人民造成巨大的經濟損失。因此，對超限車輛進行載重監測具有重要意義。近日，按照交 通部等七部委的文件，軸重秤將被廣泛用于公路運輸，作為車輛計重收費的結算依據。但從試點運用情況看 產品普遍存在動態計量誤差偏大，穩定性差，使用壽命短，維護響應慢，成本高，影響公路車流量，流轉效率等 問題，為此動態地磅即成為適應高速公路事業飛速發展的必要監測設備。

2.無線數字動態輪重儀設計方案

2.1設計思想

針對目前公路上計重收費試點的應用情況，稱重設備的計量準確度以及產品性能的穩定性和一致性，產 品壽命、可維護性都是我們改進設計的重點。

?計量準確度，是強調高速測量條件下要求計量準確。為了提高交通流量，不宜采用靜止平衡狀態下的稱重方法,而是對以一定速度行駛中的車輛稱重。

?產品性能,強調在惡劣環境下,經常過載和高頻率反復加載的條件下的疲勞穩定性,性能一致性和增 長使用壽命。

?可維護性,是強調在不封閉、不阻斷交通流量的條件下,易于定位故障和排除故障的能力。

因此,無線數字動態輪重儀的設計指導原則是1個基本點,4個重點。

1個基本點：以滿足國家科技部項目申報書的技術要求為前提,立足現有的質量較好產品和現用的有效 技術,力求技術有所進步。

4個重點:準確度、穩定性、壽命和可維護性。

2.2設計方案

無線數字動態輪重儀由稱重板、儀表和無線數字傳輸3個模塊組成。系統原理圖如圖1所示。

2.2.1 稱重板

稱重板釆用的材質是經過強化處理的高強度鋁基合金。它是一個大型的力傳感器,其內部粘貼十組由 電阻應變片、補償片構成的應變測量電橋(惠斯登電橋），全并聯后通過銅電纜將應變電壓引出送往儀表(控 制柜）。滿量程應變電壓一般在20 mV?30 mV以下,該信號送往儀表的A/D轉換器作進一步處理。

這種稱重板類屬彎板式結構,它的主要特點是對于側向力不敏感有利于減少動態稱重誤差、安裝工程量 小、故障率低、可靠性高、使用壽命長。由于受到我國制造條件限制,首批國產動態計重衡都沒有能力釆用彎 板式稱重板。市場上德國派特公司以此類產品稱雄中國,價格奇貴,但是使用效果較好。我們的設計巧妙地 把易于制造的2塊小尺寸便攜式彎板拼接起來用1個鋼結構支架將之固定在一起,形成一個整體稱重板,是 一個創新點。目前彎板式動態稱重儀已成為需求熱點,我們的設計緊緊扣住了技術進步和市場需求熱點并 且顧及本土量產的技術可能性。

稱重板主要技術參數見表1。

2.2.2儀表

儀表接收來自稱重板的應變電信號,輸入信號范圍-15 mV?+30 mV。

本設計的特點之一是釆用美國AD公司的高性能數模轉換器AD7750 ,內置數字濾波器帶信號調理電路 的16位A/D轉換器件。該器件可直接接受來自傳感器的低電壓。內置的FPGA將不同幅值的輸入信號放 大到接近A/D轉換器的滿標度電壓再進行轉換。Σ-△轉換技術實現16位無丟失代碼性能。數字濾波發 生在模數轉換之后,內嵌的數字低通濾波器,它能消除模數轉換過程中產生的噪音,對于50 Hz的工頻干擾 有大于100 dB的抑制，同時便于用戶編程截止頻率和輸出更新率。我們的設計非常緊湊,所有的信號處理 電路全部釆用數字信號處理技術,因此在極其惡劣的環境條件下仍能保證良好的性能指標和長時間的穩定 性，電路可靠性很高。

應變電信號轉變為數字信號以后,被讀入微處理器進行數字信號處理。

車輛在路基上運行是一個復雜的車輛動力學問題。如汽車在公路上的運行,它對路基的作用力,除了質 量產生的重力之外,還有很多為振動所產生的附加力,其方向多維而大小隨機,作為衡器是不需要這些不良 數據的,應視為干擾加以排除。

路面狀況和計重設備安裝質量與干擾強弱相關,即使精心設計施工,行進車輛也會有10 %左右的振動 分量,而駛上稱臺所激起的過沖又常常大于上述數值。更有甚者,存心不良的司機在稱臺上故意加減速、剎車或扭動車輪以制造人為誤差，這樣增加了提高動態稱量精度的技術難度。

所以本設計著重于解決這個技術關鍵問題，除了采用彎板式稱重板之外，適當的數字信號處理方法就非 常重要。本設計研究了一種雙梯形法。

儀表運算的結果直接顯示在面板上，同時通過RS232 (或RS232 + RF模塊）向上位機輸出，便于海量存 儲資料供查詢和打印各式報表。

儀表還有設備工況自檢和報警功能等，同樣可以面板顯示和通過RS232向上位機輸出。上位機則可以 通過GPRS模塊實現遠程通信。

儀表主要技術參數見表2。

2.2.3無線數字傳輸模塊

無線數據傳輸是本設計又一個創新點。

當儀表與上位機離開30 m以上時(RS232)或鋪設信號電纜不方便時，可以改用RF無線信道向上位機傳 送重量等數據。

當需要在全國范圍內傳送數據時，可以啟用GPRS信道。此方式對于遠程監控和維修分散于全國各地 的設備，由于響應及時，省錢省力優點明顯。

儀表還具備輪胎識別器信號處理，車輛分隔器信號處理的功能。當本系統加上輪胎識別器和車輛識別 器等其他設備時才能完整地進行自動計重收費。

3.無線數字動態地磅的應用-一計重收費系統

無線數字動態輪重儀收費系統主要由埋入式一體化稱重板(2塊)、紅外線光幕分離器、輪胎識別器、室 外控制柜(內含無線數字傳輸功能)等組成，其工作原理見圖2。

3.1系統結構與參數

3.1.1彎板式稱重臺

埋入式一體化動靜態稱重板是把稱重傳感器和秤臺結合在一起的特殊測力傳感器，不同于目前高速公 路上使用的懸掛式軸重稱臺。應用特殊的電阻應變片和應變結構設計，保證了重量測量的精確性，同時為保 證在室外惡劣環境中的使用，釆用了全焊接密封結構，系統無機械傳力部件的聯結，保證了稱重板的可靠性 和穩定性，并提高了稱重計量的動態響應性能。秤臺安裝位置垂直于行車方向并列平行安裝2塊稱重板(見 圖3)，其主要技術參數見表3。

3.1.2紅外線光幕分離器

紅外線光幕分離器能夠對連續行駛的車輛進行自動分離。安裝于車道兩側（見圖3)，通過紅外線同步 掃描給系統提供車輛通過的開始與結束信號，保證稱重數據與車輛一一對應。其主要技術參數見表4。 

3.1.3輪胎識別器

輪胎識別器由一組壓力傳感器組成，檢測單邊輪胎型號及輪軸個數。安裝時平行于稱重板并置于稱重 板前端(見圖3)。其主要技術參數見表5。

3.1.4控制柜

控制柜安裝于靠近稱重板車道外側，內置的控制器由一體化的電子稱重模塊、車速計、輪胎識別器、數字 動態測量模塊、無線信號發射模塊以及供電電源和計算機稱量數據分析軟件等組成。車輪作用下，承載臺變 形的微小信號經前置放大器同步放大，再經過濾波，高速A/D轉換成數字信號后，連同車速、輪胎識別器信 號一起進入微處理器通過軟件分析系統得到數據，并形成稱重測量數據庫和相應報表，數據同步送入發射器 模塊，以特定頻率用無線數字方式發送出去。其主要技術參數見表6。

3.1.5無線通訊

3.1.5.1無線通訊模塊特性及參數

?微功率發射:最大發射功率為10 mW。

?工作頻率在ISM頻道，無需申請頻點。載頻頻率430 MHz，也可提供315/868/915 MHz載頻。

?傳輸距離遠:在視距情況下，可靠傳輸距離<300 m(BER =10-3)。

?透明的數據傳輸:提供透明的數據接口，能適應任何標準或非標準的用戶協議。自動過濾掉空中產生 的噪音信號及假數據(所發即所收）。

?多信道:根據用戶需要可擴展多個信道，滿足用戶多種通信組合方式。

3 種接 口 方式:TIL 電平 VART 接 口、RS~232、RS~485 接 口。

?接口波特率為57 600 b/s，格式為8N1/8E1用戶自定義。

?智能數據控制:用戶無需編制多余的程序，只要從接口收/發數據即可，空中收/發轉換，控制等操作， 模塊能夠自動完成。

?低功耗及休眠功能:接收電流< 10 mA，發射電流<30 mA，休眠電流<50 uA。 ?高可靠性:體積小、重量輕，外圍電路少，可靠性高，故障率低。

3. 1.5.2 GPRS模塊特性及參數

9 V寬電源供電和SMA天線接口，用戶無需提供其他外圍電路即可通過RS~232輕松實現與Internet的 數據互聯。

DB9形式串口 ；其中可以根據客戶的要求來選擇如RS~232，RS-485等類型。

?產品體積小巧，設計時不用考慮不同環境下的應用，避免了各種內因造成的工作隱患。

?既可作嵌入式使用，也可外置使用。ElPro-201外置產品外形尺寸為75 *50 * 16 mm，重量200 g(oz.)。

?外殼采用冷軋板，堅固耐用。可以有效地抵御各種惡劣環境;抗強電磁干擾;高溫散熱能力極強;加上 性能優異的電源伺服電路，可以最大限度地保證在變電站設備監控、工廠車間設備監控等環境中正常使用。

?內部由三部分構成：GPRS模塊、電源部分、外部接口部分。電源部為GPRS模塊提供合適的電源； GPRS模塊負責無線數據通訊;外部接口部分包括1個DB9接口、SMA天線接口、SM卡座接口、電源頭接 口、復位孔。

?工作溫度：-30 ℃?+60 ℃;濕度范圍：<90 %。

?在設計時充分考慮到了用戶使用的簡便性，提供了常見的DB9接口。用戶可以通過ITL電平或者標 準RS232接口以及RS485接口與之相連。主機系統只要存在串行通訊接口（RS232)，它就可以使用所帶來 的強大通訊功能。

通信參數都通過軟件設置(AT指令集)實現。

無線數字動態輪重儀計重收費系統特點

針對市場上動態汽車衡的現存缺陷，無線數字動態輪重儀計重收費系統采取了新的技術措施，賦予新的 技術特點，達到了改善性能的目標。

?采用埋入式一體化輪重左、右雙秤臺，全焊接密封結構。主要優點是排除側向力的干擾及簡化結構和 安裝工程，同時增加系統組態靈活性。

?采用數字式信號傳輸。主要優點是A/D變換器可以非常緊靠傳感器的模擬信號輸出，使信號失真和 衰減最小，有利于提高稱重精度。采用RS485總線技術實現稱重數據的遠距離傳送，抗干擾能力強。而且對 非線性、滯后、蠕變、溫度性能等參數自動補償。便于采用更有效的信號處理技術提高測量精度。偏載（四 角)校準可以一次完成。

?儀表采用高性能片上集成系統。主要優點是，提高系統可靠性，便于采用多種較復雜的數字信號處理 技術，提高動態快速稱重的準確度。

?秤體與儀表之間通信采用可切換的有線和無線數據傳輸。主要優點是減低傳輸干擾，降低誤差和防 止雷擊損害。

?配備無線遠程診斷功能。主要優點是對廣域安裝分布的設備運行工況進行遠程實時監控，提高售后 維護質量，鞏固市場。

4.試驗結果

根據無線數字動態輪重儀性能指標要求，我們對樣機作了以下方面的試驗并作了詳細的試驗記錄。

?被檢車輛(試驗用車輛)標準值 ?光幕檢測 ?車型判別 ?車輛分離與收尾 ?動態稱重 ?倒車測試

?數據同步、刪除及模擬故障和復位重啟試驗

GPRS遠程控制中心測試 ?儀表通信試驗

在詳細分析了試驗數據后，得出以下結論:

本系統靜態精度達到國家m級標準，系統動態稱重狀態下低速（< 10 km/h)稱重的精度為2 %F. S.，高速 (<30 km/h)稱重的精度為3 %F. S.;控制器與本地計算機的近程無線數據傳輸工作方式穩定;實現了與遠 程控制中心GPRS數據傳輸功能。各項試驗均滿足本系統性能指標要求。

5.結語

無線數字動態地磅涵蓋力學、微電子、通訊、計算機軟硬件等多種學科，在設備上體現于一體化稱重 板、模塊化控制器、智能軟件和近/遠程無線通訊。按照交通部近期關于治超的文件精神，我們大膽的將計重 收費系統融入高速公路收費系統實現集中收費，便于高速公路管理部門集中管制，提高工作效率，保證高速 公路交通流量。