CN102779413A - 一种机动车特征数据采集分析器及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能交通车辆环形线圈检测技术领域，具体的说是一种用于机动车辆各类特征数据采集、统计与分析的仪器及方法，线路板上线圈的信号输出端分别连接振荡器的信号输入端，振荡器的信号输出端分别连接数字集成电路CPLD的信号输入端，CPLD的信号输出端连接中央处理器CPU的信号输入端，CPU的信号输出端设有继电器信号输出电路和两个串行接口模块SP3223EEY及TTL电平信号输出电路，车辆通过线圈感应的状态将数据显示在计算机上便于分析。本发明无干扰，高采样频率，采样量大，令车型检测准确，检测器响应时间短，令车辆测速更精准，本发明可应用于机动车交通违法行为检测、各等级公路车辆智能监测、收费站及各类出入口车辆检测等多种场合。

Description

一种机动车特征数据采集分析器及分析方法

[技术领域]

本发明涉及智能交通车辆环形线圈检测技术领域，具体的说是一种用于机动车辆各类特征数据采集、统计与分析的仪器及方法。

[背景技术]

随着国内智能交通行业的发展，机动车辆及交通信息检测分析技术应用范围随之扩大，交通违法行为管理、道路流量监测、特定场合客流分析、交通事件检测等综合分析管理系统所需要的基础信息均依靠对机动车辆特征数据的检测分析。

目前国内外的机动车信息检测模式主要有环形线圈、雷达、微波、红外、激光、超声波，由于受到技术原理局限，只有环形线圈检测模式能够满足多方面的车辆信息及特征采集要求，其他技术模式均只能做到车辆存在及速度检测，但是环形线圈检测模式响应时间长，从而影响到检测精度，如车速误差、小范围内车辆定位偏差；采样周期长（2-100ms）造成采样量不足，从而影响检测灵敏度和车型判别等需要大量采样点的特征分析功能的需求，如产生车型分析误差、遇到复杂地形地况（如大桥桥面下设钢筋、铁板等状况）无法检测到车辆存在。

不仅如此，国内外现有的环形线圈检测技术均采用模拟振荡器循环起振技术，当车辆通过道路上埋设的线圈时，引起由车检器和线圈组成的振荡电路频率变化，车检器频率设定为每秒千余次采样分析判断是否有车通过，同时刻仅一路振荡器起振，虽无相邻线圈频率干扰问题，但扫描速度慢，例采样周期是0.5ms，扫描16路线圈就用时8ms，使测速精度大为降低。

若改用同步起振技术则可避免以上问题，但国内外现有的检测器均无法克服模拟振荡器的互相干扰问题，一旦发生干扰，线圈数据将不能真实反映车辆通过状态，造成误判，严重时车检器就不能使用。

[发明内容]

本发明的目的在于改进现有环形线圈检测技术，利用二次高频采样原理的同步起振技术，提供一种无干扰、检测精确的采集分析器及分析方法。

为实现上述目的，设计一种机动车特征数据采集分析器，包括壳体、线路板、线圈、振荡器、波形放大整流器、高速脉冲采样电路、数字集成电路CPLD、中央处理器CPU、串口连接电路，其特征在于线路板上6个线圈的信号输出端分别连接6个振荡器的信号输入端，6个振荡器的信号输出端分别连接数字集成电路CPLD的信号输入端，CPLD的信号输出端连接中央处理器CPU的信号输入端，CPU的信号输出端设有继电器信号输出电路和两个串行接口模块SP3223EEY及TTL电平信号输出电路，车辆通过线圈感应的状态将数据显示在计算机上便于分析。

振荡器由电感L11的一端连接5伏直流电源，电感L11的另一端连接电阻R92一端，电阻R92另一端连接电阻R76一端，电阻R76另一端接地，电阻R76上并联电容C25,在电感L11和电阻R92之间抽头一端分别连接电容C54一端、电容C53一端、线圈T1的3端，在电阻R92与电阻R76之间抽头连接三极管Q1基极，电容C54另一端分别与振荡器SWDIP4的1端2端、电容C35的一端、三极管Q1发射极、电阻R75一端连接，电阻R75另一端接地，电容C53另一端连接振荡器的4端，线圈T1的4端接电容C45一端、电容C35另一端、三极管Q1集电极，电容C45另一端接振荡器的3端，在三极管Q1发射极接有反向的二极管D1,二极管D1的正极连接数字集成电路CPLD的信号输入端， CPLD的八路数据输出信号接中央处理器CPU信号输入端，线圈T1的1端设有电阻R100与电容C77并联电路，并与线圈T1的2端接线圈的输出信号线。

中央处理器CPU型号为C8051F340的P0.6端上设有U2型号为C8051F340/1/45电路，在CPU的P0.3端上设有集成电路U10，型号为CAT25040。

串口连接器U8型号为SP3223EEY的17、8、16、9端上分别设有电阻R212、电阻R213、电阻R214、电阻R218一端，电阻R212、电阻R213、电阻R214、电阻R218另一端分别连接双排插针S1的2、4、6、8端，U8的V+端连接电容C24一端，电容C24另一端连接电容C2，并抽头一端接地，电容C2另一端连接U8的V-端，U8的2端、4端、电容C72串联，U8的5端、6端、电容C73串联，U8的18端接地，U8的11端为信号输出端。

CPU输入端设有线圈，数据通过8位数据线传输，外扩设有一SPI接口的FLASH芯片，存储设置的参数，掉电不丢失。

串口连接器U8采用3.3v电压器件，型号为SP3223EEY,与CPU同一电压，RXD和TXD分别连接CPU的1端和2端，双排插针S1每一根插针之间的距离为2.54mm，与板卡连接时直接引线即可。

一种机动车特征数据采集分析器的采集分析方法，包括6路振荡器、6路波形放大整形器、1个数据计数采集器CPLD及中央处理器CPU、2个串口连接器组成，其特征在于振荡器采用LC振荡电路，并预设有错频开关，在频率干扰时起到调节作用；振荡电路的输出端接波形放大整形器LM311的输入端，LM311采用正电压，参考电平为模拟地；6路LM311输出频率脉冲接入CPLD，CPLD为高速脉冲采样器件，线圈频率先转换为频率脉冲，进入采样电路CPLD，通过对频率脉冲进行二次高频采样，CPLD内部做成多级计数器，具有16路16位计数的能力，晶振30MHz-40MHz，相对于一般振荡电路100KHz-200KHz来说，这样可将原来频率脉冲变化值的采样值可放大到原来的几十甚至几百倍，最大变化值达到1500-2000，将线圈频率的微小变化都能最直观的显示出来，对车型的车轴、车长、车速检测，进行特征分析比对，便可识别出车辆型号及车辆参数；CPLD的数据输出接CPU的8位数据输入端，CPU采用普通的地址数据复用方式连接CPLD，所有数据的计算和参数的设置包括速度值、各个线圈的门限值，车道的配置参数都由此CPU模块完成，CPU的车辆数据的输出接串口连接器SP3223EEY的输入端, 串口连接器SP3223EEY的输出端则和电脑相连。

振荡器采用LC振荡电路，线圈接入后产生自激振荡，车辆通过线圈时引起线圈磁通量变化，导致振荡器频率变化，中间拨码开关调节频率；数字集成电路CPLD高速脉冲采样，线圈频率先转换为频率脉冲，进入数字集成电路CPLD，通过对频率脉冲进行二次高频采样，振荡器原始频率在50KHz到300KHz，车辆经过线圈时频率可能只有0.2KHz到1KHz的变化，频率脉冲在1毫秒间隔采样时的频率变化数值只有5-20个，CPLD内部做了两级计数器，利用CPLD高频进行采样，采样频率在30MHz到40MHz，将原来频率脉冲变化值的采样值最大放大到原来的300倍，最大变化值达到1500-2000，将线圈频率的微小变化都能最直观的显示出来，对车型的车轴、车长、车速检测进行特征分析比对，识别车辆型号及车辆参数。

该方法的技术参数为采样频率可达40MHz/S；环形线圈同步起振检测周期达0.25ms；门限值和各种参数可设定；TTL电平输出响应时间 <1ms；RS232波特率可达115200；输出车辆波形。

波形的处理方法为单车道2个线圈原始数据波形输出，根据波形查看振荡器基准频率是否稳定、车辆变化值是否达到检测要求、埋设线圈是否合乎标准，根据波形任意设置每个线圈的有车判断门限值，做到可视化的无级可调，所述的门限控制原则：板载8级灵敏度调节开关，程序4-256级可调，快速设置灵敏度；根据线圈输出波形依各种现场需求设置灵敏度，尤其在地形地况复杂处通过数据分析，设置合理门限，在磁通量趋近饱和的情况下检测车辆，体现检测效果。

本发明与现有技术相比，利用二次高频采样原理的同步起振技术，克服模拟振荡器的互相干扰问题；高采样频率数字化后检测波形接近于原波形，量化后检测数据量更大，细节体现更丰富；环形线圈检测器采样周期短，仅0.25ms，从而加大采样量，令车型检测等车辆特征数据采集分析功能得以实现且具有极高准确性；环形线圈检测器响应时间短，平均可达0.75ms，达到全球范围内同类产品中的最高级别（同类产品一般响应时间是1~40ms），令车辆测速更精准、图片抓取定位更精准，环形线圈检测器还能任意设置灵敏度，可应用在更多特殊物理环境中；本发明可应用于机动车交通违法行为检测、各等级公路车辆智能监测、收费站及各类出入口车辆检测等多种场合。

[附图说明]

图1为本发明结构框图；

图2为振荡器和线圈电原理图；

图3为CPU部分电原理图；

图4为串口连接器电原理图；

图5 为连续通过的不同机动车特征数据采集分析图；

图6 为图5中个别车型特征数据采集分析图放大图；

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作进一步阐述，其产品构造及方法是本领域技术人员可以实现的。

所谓采样(sampling)就是采集模拟信号的样本，将时间上、幅值上都连续的模拟信号，在采样脉冲的作用，转换成时间上离散但幅值上仍连续的离散模拟信号，又称为波形的离散化过程。本发明根据二次高频采样原理，克服模拟振荡器的互相干扰问题，使同步起振技术应用得以实现。

在本发明中如图1所示，用6个环形线圈结合6个振荡器采集车辆经过线圈时产生的信号变化输入到数字集成电路CPLD，将其转化为波形信号传送至中央处理器CPU，CPU的信号输出端设有继电器信号输出电路和两个串行接口模块SP3223EEY及TTL电平信号输出电路，将车辆通过线圈感应的状态将数据显示在计算机上便于分析。

环形线圈与振荡器组成的电路如图2所示，采用LC振荡电路，由电感L11的一端连接5伏直流电源，电感L11的另一端连接电阻R92一端，电阻R92另一端连接电阻R76一端，电阻R76另一端接地，电阻R76上并联电容C25,在电感L11和电阻R92之间抽头一端分别连接电容C54一端、电容C53一端、线圈T1的3端，在电阻R92与电阻R76之间抽头连接三极管Q1基极，电容C54另一端分别与振荡器SWDIP4的1端2端、电容C35的一端、三极管Q1发射极、电阻R75一端连接，电阻R75另一端接地，电容C53另一端连接振荡器的4端，线圈T1的4端接电容C45一端、电容C35另一端、三极管Q1集电极，电容C45另一端接振荡器的3端，在三极管Q1发射极接有反向的二极管D1,二极管D1的正极连接数字集成电路CPLD的信号输入端，CPLD的八路数据输出信号接中央处理器CPU信号输入端，线圈T1的1端设有电阻R100与电容C77并联电路，并与线圈T1的2端接线圈的输出信号线。

中央处理器CPU如图3所示，型号为C8051F340的P0.6端上设有U2型号为C8051F340/1/45电路，在CPU的P0.3端上设有集成电路U10，型号为CAT25040。

串口连接器U8如图4所示，型号为SP3223EEY的17、8、16、9端上分别设有电阻R212、电阻R213、电阻R214、电阻R218一端，电阻R212、电阻R213、电阻R214、电阻R218另一端分别连接双排插针S1的2、4、6、8端，U8的V+端连接电容C24一端，电容C24另一端连接电容C2，并抽头一端接地，电容C2另一端连接U8的V-端，U8的2端、4端、电容C72串联，U8的5端、6端、电容C73串联，U8的18端接地，U8的11端为信号输出端。

其采集分析方法，包括6路振荡器、6路波形放大整形器、1个数据计数采集器CPLD及中央处理器CPU、2个串口连接器组成，其特征在于振荡器采用LC振荡电路，并预设有错频开关，在频率干扰时起到调节作用；振荡电路的输出端接波形放大整形器LM311的输入端，LM311采用正电压，参考电平为模拟地；6路LM311输出频率脉冲接入CPLD，CPLD为高速脉冲采样器件，线圈频率先转换为频率脉冲，进入采样电路CPLD，通过对频率脉冲进行二次高频采样，CPLD内部做成多级计数器，具有16路16位计数的能力，晶振30MHz-40MHz，相对于一般振荡电路100KHz-200KHz来说，这样可将原来频率脉冲变化值的采样值可放大到原来的几十甚至几百倍，最大变化值达到1500-2000，将线圈频率的微小变化都能最直观的显示出来，对车型的车轴、车长、车速检测，进行特征分析比对，便可识别出车辆型号及车辆参数；CPLD的数据输出接CPU的8位数据输入端，CPU采用普通的地址数据复用方式连接CPLD，所有数据的计算和参数的设置包括速度值、各个线圈的门限值，车道的配置参数都由此CPU模块完成，CPU的车辆数据的输出接串口连接器SP3223EEY的输入端, 串口连接器SP3223EEY的输出端则和电脑相连。

该方法的技术参数为采样频率40MHz/S；环形线圈同步起振检测周期达0.25ms；门限值和各种参数可设定；TTL电平输出响应时间 <1ms；RS232波特率可达115200；输出车辆波形。

波形的处理方法为单车道2个线圈原始数据波形输出，根据波形查看振荡器基准频率是否稳定、车辆变化值是否达到检测要求、埋设线圈是否合乎标准，根据波形任意设置每个线圈的有车判断门限值，做到可视化的无级可调，所述的门限控制原则：板载8级灵敏度调节开关，程序4-256级可调，快速设置灵敏度；根据线圈输出波形依各种现场需求设置灵敏度，尤其在地形地况复杂处通过数据分析，设置合理门限，在磁通量趋近饱和的情况下检测车辆，体现检测效果。

经识别后的车辆信息波形如图5图6所示，不同的车型波形不同，可以此作为判断车型的依据。

本发明可检测道路流量，车道二线圈敷设下，检测器自动对顺行方向的机动车进行计数，通过RS232报文即时输出有车信息；车辆方向判断，检测器通过车辆存在检测，在本机自动完成二线圈有车存在的逻辑判断，自动识别车辆行进方向，定位信息输出；提供速度检测功能，当机动车通过前后两组线圈时，检测器分别获取机动车存在信息，根据二组线圈的固定距离计算机动车运动速度；及车型分析车型数据，当机动车驶离后再由检测器对完整数据进行分析，由于车检器采用的是高频采样独特技术，根据机动车底盘构造特性，所采集的频率幅值差异显著，MCU采用模式识别快速算法，准确判断各类车型。

Claims (10)

1.一种机动车特征数据采集分析器，包括壳体、线路板、线圈、振荡器、波形放大整流器、高速脉冲采样电路、数字集成电路CPLD、中央处理器CPU、串口连接电路，其特征在于线路板上6个线圈的信号输出端分别连接6个振荡器的信号输入端，6个振荡器的信号输出端分别连接数字集成电路CPLD的信号输入端，CPLD的信号输出端连接中央处理器CPU的信号输入端，CPU的信号输出端设有继电器信号输出电路和两个串行接口模块SP3223EEY及TTL电平信号输出电路，车辆通过线圈感应的状态将数据显示在计算机上便于分析。

2.如权利要求1所述的一种机动车特征数据采集分析器，其特征在于振荡器由电感L11的一端连接5伏直流电源，电感L11的另一端连接电阻R92一端，电阻R92另一端连接电阻R76一端，电阻R76另一端接地，电阻R76上并联电容C25,在电感L11和电阻R92之间抽头一端分别连接电容C54一端、电容C53一端、线圈T1的3端，在电阻R92与电阻R76之间抽头连接三极管Q1基极，电容C54另一端分别与振荡器SWDIP4的1端2端、电容C35的一端、三极管Q1发射极、电阻R75一端连接，电阻R75另一端接地，电容C53另一端连接振荡器的4端，线圈T1的4端接电容C45一端、电容C35另一端、三极管Q1集电极，电容C45另一端接振荡器的3端，在三极管Q1发射极接有反向的二极管D1,二极管D1的正极连接数字集成电路CPLD的信号输入端， CPLD的八路数据输出信号接中央处理器CPU信号输入端，线圈T1的1端设有电阻R100与电容C77并联电路，并与线圈T1的2端接线圈的输出信号线。

3.如权利要求1所述的一种机动车特征数据采集分析器，其特征在于中央处理器CPU型号为C8051F340的P0.6端上设有U2型号为C8051F340/1/45电路，在CPU的P0.3端上设有集成电路U10，型号为CAT25040。

4.如权利要求1所述的一种机动车特征数据采集分析器，其特征在于串口连接器U8型号为SP3223EEY的17、8、16、9端上分别设有电阻R212、电阻R213、电阻R214、电阻R218一端，电阻R212、电阻R213、电阻R214、电阻R218另一端分别连接双排插针S1的2、4、6、8端，U8的V+端连接电容C24一端，电容C24另一端连接电容C2，并抽头一端接地，电容C2另一端连接U8的V-端，U8的2端、4端、电容C72串联，U8的5端、6端、电容C73串联，U8的18端接地，U8的11端为信号输出端。

5.如权利要求1所述的一种机动车特征数据采集分析器，其特征在于CPU输入端设有线圈，数据通过8位数据线传输，外扩设有一SPI接口的FLASH芯片，存储设置的参数，掉电不丢失。

6.如权利要求1所述的一种机动车特征数据采集分析器，其特征在于串口连接器U8采用3.3v电压器件，型号为SP3223EEY,与CPU同一电压，RXD和TXD分别连接CPU的1端和2端，双排插针S1每一根插针之间的距离为2.54mm，与板卡连接时直接引线即可。

7.一种机动车特征数据采集分析器的采集分析方法，包括6路振荡器、6路波形放大整形器、1个数据计数采集器CPLD及中央处理器CPU、2个串口连接器组成，其特征在于振荡器采用LC振荡电路，并预设有错频开关，在频率干扰时起到调节作用；振荡电路的输出端接波形放大整形器LM311的输入端，LM311采用正电压，参考电平为模拟地；6路LM311输出频率脉冲接入CPLD，CPLD为高速脉冲采样器件，线圈频率先转换为频率脉冲，进入采样电路CPLD，通过对频率脉冲进行二次高频采样，CPLD内部做成多级计数器，具有16路16位计数的能力，晶振30MHz-40MHz，相对于一般振荡电路100KHz-200KHz来说，这样可将原来频率脉冲变化值的采样值可放大到原来的几十甚至几百倍，最大变化值达到1500-2000，将线圈频率的微小变化都能最直观的显示出来，对车型的车轴、车长、车速检测，进行特征分析比对，便可识别出车辆型号及车辆参数；CPLD的数据输出接CPU的8位数据输入端，CPU采用普通的地址数据复用方式连接CPLD，所有数据的计算和参数的设置包括速度值、各个线圈的门限值，车道的配置参数都由此CPU模块完成，CPU的车辆数据的输出接串口连接器SP3223EEY的输入端, 串口连接器SP3223EEY的输出端则和电脑相连。

8.如权利要求7所述的一种机动车特征数据采集分析器的采集分析方法，其特征在于振荡器采用LC振荡电路，线圈接入后产生自激振荡，车辆通过线圈时引起线圈磁通量变化，导致振荡器频率变化，中间拨码开关调节频率；数字集成电路CPLD高速脉冲采样，线圈频率先转换为频率脉冲，进入数字集成电路CPLD，通过对频率脉冲进行二次高频采样，振荡器原始频率在50KHz到300KHz，车辆经过线圈时频率可能只有0.2KHz到1KHz的变化，频率脉冲在1毫秒间隔采样时的频率变化数值只有5-20个，CPLD内部做了两级计数器，利用CPLD高频进行采样，采样频率在30MHz到40MHz，将原来频率脉冲变化值的采样值最大放大到原来的300倍，最大变化值达到1500-2000，将线圈频率的微小变化都能最直观的显示出来，对车型的车轴、车长、车速检测进行特征分析比对，识别车辆型号及车辆参数。

9.如权利要求7所述的一种机动车特征数据采集分析器的采集分析方法，其特征在于该方法的技术参数为采样频率可达40MHz/S；环形线圈同步起振检测周期达0.25ms；门限值和各种参数可设定；TTL电平输出响应时间 <1ms；RS232波特率可达115200；输出车辆波形。

10.如权利要求4所述的一种机动车特征数据采集分析器的采集分析方法，其特征在于波形的处理方法为单车道2个线圈原始数据波形输出，根据波形查看振荡器基准频率是否稳定、车辆变化值是否达到检测要求、埋设线圈是否合乎标准，根据波形任意设置每个线圈的有车判断门限值，做到可视化的无级可调，所述的门限控制原则：板载8级灵敏度调节开关，程序4-256级可调，快速设置灵敏度；根据线圈输出波形依各种现场需求设置灵敏度，尤其在地形地况复杂处通过数据分析，设置合理门限，在磁通量趋近饱和的情况下检测车辆，体现检测效果。

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