CN104210445B - 一种重型货车坡道运行安全监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重型货车坡道运行安全监控系统，包括信号采集模块、信号处理模块、数据通讯模块、单片机和人机交互智能仪表；信号采集模块将采集到的信号转换成单片机可以识别的标准电压信号或TTL脉冲信号通过信号处理模块和数据通讯模块与单片机相连，单片机将处理过的信号通过CAN通讯模块传递给人机交互智能仪表，人机交互智能仪表将监控数据和报警信号显示给驾驶员。能够有效的对行驶过程中安全性参数进行实时监控和报警，可实现重型货车运行过程的智能化、可视化，满足行驶安全性和稳定性要求，有效的提高了重型货车坡道运行安全性。

Description

一种重型货车坡道运行安全监控系统

技术领域

本发明涉及车辆安全领域，具体涉及一种重型货车坡道运行安全监控系统，该系统适用于多种重型货车，具有很好的通用性。

背景技术

随着我国交通运输业的快速发展，公路货运周转量迅猛增长，据调查，2011年我国公路货物周转量达到19801.51亿吨公里。公路货物运输对我国交通运输业做出巨大贡献的同时，也带来了交通安全问题。据统计，截止2013年我国货车保有量达到1900多万辆，占机动车保有量的7.8％，然而货车肇事导致的死亡人数高达到128621人，占交通事故死亡总数的28％。因此解决货车交通安全问题是降低交通肇事死亡数量的主要途径之一。

在货车交通事故中，山区公路交通事故造成的群死群伤的重特大恶性事故尤为严重。山区公路交通事故的统计结果表明，64.31％的货车交通事故是由于汽车主制动器失效或部分失效造成的。我国山区公路为解决重型货车连续下坡安全性问题，通常采用的解决方法是淋水法和修建避险车道法。淋水法存在着地面结冰、制动鼓龟裂、制动蹄磨损严重等缺陷；避险车道的修建受地理环境影响较大，且制造和维护成本高。因此设计一种用于解决重型货车坡道运行时制动器失效的安全监控系统，对降低货车交通事故率有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于重型货车坡道运行安全监控系统，能够有效的对车辆行驶过程中安全性参数进行实时监控和报警，可实现重型货车运行过程的智能化、可视化，满足车辆运行安全性和稳定性要求，有效的提高了重型货车坡道运行安全性。

为了实现上述任务，本发明采取如下技术解决方案：

一种重型货车坡道运行安全监控系统，其特征在于，包括信号采集模块、信号处理模块、数据通讯模块、单片机和人机交互智能仪表；其中：

所述的信号采集模块由温度传感器、压力传感器、角度传感器、位移传感器、踏板力传感器、加速度传感器、速度传感器组成；

所述的信号处理模块是温度信号调理电路、模拟信号调理电路和TTL信号调理电路，其中，温度信号调理电路与温度传感器相连接，模拟信号调理电路与压力传感器、角度传感器、位移传感器、踏板力传感器、加速度传感器相连接，TTL信号调理电路与速度传感器相连；

所述的数据通讯模块是与温度信号调理电路相连接的CPU和无线传输模块；

信号采集模块将采集到的信号转换成单片机可以识别的标准电压信号或TTL脉冲信号通过信号处理模块和数据通讯模块与单片机相连，单片机将处理过的信号通过CAN通讯模块传递给人机交互智能仪表，人机交互智能仪表将监控数据和报警信号显示给驾驶员。

本发明的重型货车坡道运行安全监控系统，由信号采集模块、信号处理模块、数据通讯模块和人机交互智能仪表等部分组成，对行驶过程中安全性参数进行实时监控和报警，提高了重型货车坡道运行安全性。具有以下优点：

(1)较好稳定性和准确性。通过相关实验结果表明，该系统的误差低于1.5％，有较好的稳定性与准确性。

(2)操作方便，设计了驾驶员专用的人机交互智能仪表，能够及时报警，提醒驾驶人采取必要的应急措施，提高重型货车坡道行驶的安全性。

(3)可靠性高，具有较好的电磁兼容性，同时能够承受震动、噪音、高温、潮湿、冲击。

(4)成本低廉，所采用的各种器件和材料均为常见类型，在普通的市场上均可买到，制作成本低，批量生产后，成本将会更低。

(5)通用性好，该重型货车坡道运行安全监控系统可适用于多种重型货车。

(6)集成度高，运用了大量芯片，具有很高的集成性。

(7)便于推广与应用，该重型货车坡道运行安全监控系统可以在不改变重型货车原有结构的前提下进行安装，有利于大规模推广应用。

附图说明

图1是重型货车坡道运行安全监控系统的硬件设计方框图；

图2是MAX6675与FreescaleS12单片机管脚连接图；

图3是模拟量信号调理电路原理图；

图4是车速信号调理电路原理图；

图5是温度测量无线传输模块原理图；

图6是CAN通讯模块电路原理图；

图7是人机交互监控系统主界面；

图8是制动器温度报警显示界面；

图9是动态监控界面；

图10是温度信号采集发射模块软件流程图；

图11是温度信号接收处理模块软件流程图。

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图1，本实施例给出一种重型货车坡道运行安全监控系统，包括硬件设计和软件设计两个部分组成。

硬件设计部分包括：信号采集模块、信号处理模块、数据通讯模块、单片机和人机交互智能仪表；其中：

信号采集模块由温度传感器、压力传感器、角度传感器、位移传感器、踏板力传感器、加速度传感器、速度传感器组成；

信号处理模块是温度信号调理电路、模拟信号调理电路和TTL信号调理电路，其中，温度信号调理电路与温度传感器相连接，模拟信号调理电路与压力传感器、角度传感器、位移传感器、踏板力传感器、加速度传感器相连接，TTL信号调理电路与速度传感器相连；

数据通讯模块是与温度信号调理电路相连接的CPU和无线传输模块；

信号采集模块将采集到的信号转换成单片机可以识别的标准电压信号或TTL脉冲信号通过信号处理模块和数据通讯模块与单片机相连，单片机将处理过的信号通过CAN通讯模块传递给人机交互智能仪表，人机交互智能仪表将监控数据和报警信号显示给驾驶员。

本实施例中，单片机选用FreescaleMC9S12DG128B单片机。

温度信号调理电路选用K型热电偶作为温度传感器，精度为±0.75％，量程为0℃-800℃，模拟0-3.3V的输出信号；并选用MAX6675K型热电偶转换芯片实现温度补偿、信号非线性修正、信号放大、去除噪声和A/D转换。

压力传感器选用HPD503压力变送器，其精度为±0.1％，量程为1-150KPa，模拟0-5V的输出信号。

角度传感器选用SCA61T倾角传感器，其精度为±0.1％，量程为-15°～+15°，模拟0-4V的输出信号。

位移传感器选用ZLDS100激光位移传感器，其精度为±0.01％，量程为0-200mm，模拟0-2.5V的输出信号。

踏板力传感器选用XFL212R微型力传感器，其精度为±0.5％，量程为0-50N，模拟0-0.1V的输出信号。

加速度传感器选用MMA7361LC加速度传感器，其精度为±0.5％，量程为-6g-6g，模拟0-3V的输出信号。

车速信号调理电路选用DG111磁电式转速传感器，其精度为1％，量程为0-6000r/min，输出0-0.4V的正弦信号。

模拟信号调理电路采用由电阻R66、R67、R68构成调零电路，由第一级运算放大器及阻容网络构成的低通滤波器和由第二级运算放大器构成的反向放大器。

数据通讯模是与温度信号调理电路相连接的CPU和无线传输模块；其中无线传输模块由NewMsg_RF2401无线发射模块和D/A转换芯片AD5320构成的无线接收模块组成；

CAN总线通信模块主要由CAN控制器和CAN收发器两大部分组成，采用的MC9S12DG128B单片机内置有CAN通讯控制器，支持CAN2.0A/B协议，CAN收发器采用Philips公司生产的PCA82C250芯片。

由于信号采集模块采集到的传感器信号的性质和幅值各不相同，因此为了将这些信号转换成标准的0-5V电压信号或TTL脉冲信号，设计了信号处理模块。信号处理模块将标准信号传输到单片机，单片机经过处理和运算后通过数据通讯模块将数据传输给智能仪表，智能仪表将监控数据显示给驾驶员；同时，当出现危险情况时，智能仪表可提醒驾驶人采取必要的安全措施，以防止交通事故的发生。

参见图2，温度信号调理电路中MAX6675与FreescaleS12单片机管脚连接，T-接K型热电偶负极，使用时和GND相连接；T+接K型热电偶正极；SO接串口输出端；CS为片选信号端，低电平有效；SCK为时钟输入端；VCC接+5V电源；GND接地；NC悬空。

参见图3，模拟信号调理电路中电阻R66、R67、R68构成调零电路，第一级运算放大器及阻容网络构成了低通滤波器；第二级运算放大器为反向放大器。通过调节滑动变阻器R66的阻值可以调节信号调理电路的零点，通过调节滑动变阻器R65的阻值可以调节信号调理电路的放大倍数。通过调节R66和R65的阻值以实现输出电压为0-5V。

参见图4，车速传感器信号调理电路中，车速传感器输出的正弦信号，首先经过二极管D81和D82进行削峰，然后采用LM319比较器和74LS14施密特触发器将信号转换成TTL脉冲信号，输入MC9S12DG128B单片机，经计算处理后得到车速值。

参见图5，无线传输模块中将经过MAX6675补偿修正的K型热电偶采集到的制动鼓温度模拟量信号转换成数字量信号发送给FreescaleS12单片机，FreescaleS12单片机通过SPI通信将采集到的数据传输至NewMsg_RF2401无线发射模块，NewMsg_RF2401无线发射模块在ShockBurstTM收发模式下将数据以1Mbps高速率发射；中央处理模块(CPU)通过NewMsg_RF2401无线接收模块接收发射模块发射的数据，接收模块通过D/A转换芯片AD5320将数字量转换成模拟量传输至FreescaleS12单片机ATD模块，经处理计算后获得制动鼓温度，实现对制动鼓温度的实时监控。

本实施例中，选用的NewMsg_RF2401模块有四种工作模式：配置模式、收发模式、空闲模式和关机模式，工作模式的选择由PWR_UP、CE和CS三个引脚决定。NewMsg_RF2401工作模式如表1所示。发送数据时，单片机将数据按照时序写入NewMsg_RF2401模块缓存区，将CE置为高电平，此时无线发送模块工作在收发模式下，延时一段时间后发射数据；在应答模式下，NewMsg_RF2401模块在发射数据后进入接收模式，接收应答信号。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从发送堆栈中清除；若未收到应答，发送失败，并记录下发送失败的次数，自动重新发射数据。

在接收数据时，首先对NewMsg_RF2401进行配置，使接收端地址和发射端地址一致，然后将CE置为高电平，此时无线接收模块工作在等待接收模式下，当接收到包含正确地址的数据包后，将数据传输给上位机同时给发射模块发送应答信号。

表1NewMsg_RF2401工作模式表

工作模式	PWR_UP	CE	CS
				配置模式	1	0	1
收发模式	1	1	0
				空闲模式	1	0	0
关机模式	0	×	×

参见图6，CAN通讯模块电路中，FreescaleS12单片机接收采集到的温度、压力、坡度、车速、踏板位移、踏板力、环境温湿度等信号，经处理后通过CAN总线传输给智能仪表，实现对重型货车制动安全性指标的实时监控、显示和报警功能。CAN总线通信模块主要由CAN控制器和CAN收发器两大部分组成。当发送数据时，CAN收发器把CAN控制器的逻辑电平转换成抗干扰能力强的差分电平，然后向CAN总线发送数据；接收数据时，CAN收发器接收到CAN总线的信号后，转换成逻辑电平，传输给CAN控制器，实现数据接收过程。所选用的MC9S12DG128B单片机内置有CAN通讯控制器，支持CAN2.0A/B协议。CAN收发器采用Philips公司生产的PCA82C250芯片。为了避免CAN通讯系统的电压波动影响单片机的正常工作，采用光电隔离电源DCP5S3-100对单片机电源和CAN通讯系统电源进行隔离；为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，使用高速光耦6N137实现总线上各节点之间的电气隔离，同时使用BO505-W25型DC/DC模块实现光耦两端的电源隔离。

本实施例设计开发了基于MCGS嵌入式组态软件的监控系统界面，选用北京昆仑通泰嵌入式一体化工控机TCP7062K作为显示装置，同时利用该装置的四线电阻式触摸屏技术实现了人机交互功能，从而使监控数据和报警信号能够方便快捷地传递给驾驶员。

人机交互智能仪表采用基于MCGS嵌入式组态软件对监控系统的界面进行设计开发，包括主界面、动态监控、实时数据、制动力和制动器温度界面以及历史曲线界面，实现了对制动器温度、制动主缸压力、制动轮缸压力、制动管路压力、制动减速度、坡度、车速、制动踏板位移、制动踏板力、环境温度等信息的实时监测和历史数据查询功能，同时在制动器温度过高或制动主缸、轮缸及制动管路压力过低时及时报警，提醒驾驶人采取必要的应急措施，保证重型货车下坡行车安全。

参见图7，人机交互智能仪表的主界面用于显示车速、制动踏板开度、制动强度、制动减速度、制动距离、环境温度以及安全报警信息。当报警灯闪烁、蜂鸣器响时，驾驶员可通过触摸相应按钮进入报警状态显示界面，获得详细的报警信息。该界面是重型货车运行安全监控系统中使用频率最高、显示内容最丰富的界面，。

参见图8，制动器温度报警显示界面用于显示一轴、二轴、三轴、四轴左右制动器的温度，并在其温度超过上限时报警。

参见图9，动态监控界面用于显示制动主缸、制动轮缸以及制动管路的压力值，驾驶员可以通过触摸相应按钮进入制动力大小与制动器温度的历史曲线界面，实现历史数据存储功能。

软件设计具体内容如下：

主要对温度信号采集发射模块软件和接收处理模块软件进行设计。软件系统按照监控系统工作状态控制系统的运行过程，采用模块化设计保证软件的可靠性、高效运行性和可维护性。

参见图10，图10是温度信号采集发射模块软件设计流程图。温度信号采集发射模块主要实现FreescaleS12、MAX6675和NewMsg_RF2401的初始化、温度信号采集及校准、温度数字量信号发送等功能。温度信号采集模块运行时，当CS由1变为0时，在时钟SCK的作用下向FreescaleS12单片机输出温度数字量信号；当CS由0变为1时，在时钟SCK的作用下MAX6675进行温度信号转换。温度信号发送模块运行时，FreescaleS12单片机将MAX6675输出的12位二进制温度数字量信号按照时序通过SPI串行口写入缓存区，然后将CE置1，延时后发射温度数字量信号。

参见图11，图11是温度信号接收处理模块软件设计流程图。温度信号接收处理模块主要实现FreescaleS12、NewMsg_RF2401和AD5320的初始化、温度信号接收、温度数字量信号转换、处理及显示功能。温度信号接收处理模块运行时，FreescaleS12单片机将NewMsg_RF2401置为接收模式，FreescaleS12单片机接收到数据包后，对数据包进行地址校验，根据不同的地址判断温度数据来自于哪个制动鼓温度传感器，实现多对一的温度传感器接收方式，地址校验后进行CRC数据校验，以实现传输数据的准确性，然后将温度数字量信号发送至AD5320数模转换芯片，将数字量信号转换为模拟量信号，然后将模拟量信号发送至FreescaleS12单片机，经计算处理后通过CAN发送至MCGS智能仪表，智能仪表实现实时显示和报警功能。

Claims (4)

1.一种重型货车坡道运行安全监控系统，包括信号采集模块、信号处理模块、数据通讯模块、单片机和人机交互智能仪表；其特征在于：

所述的信号采集模块由温度传感器、压力传感器、角度传感器、位移传感器、踏板力传感器、加速度传感器、速度传感器组成；

所述的信号处理模块是温度信号调理电路、模拟信号调理电路和TTL信号调理电路，其中，温度信号调理电路与温度传感器相连接，模拟信号调理电路与压力传感器、角度传感器、位移传感器、踏板力传感器、加速度传感器相连接，TTL信号调理电路与速度传感器相连；

所述的数据通讯模块是与温度信号调理电路相连接的CPU和无线传输模块；

信号采集模块将采集到的信号转换成单片机可以识别的标准电压信号或TTL脉冲信号通过信号处理模块和数据通讯模块与单片机相连，单片机将处理过的信号通过CAN通讯模块传递给人机交互智能仪表，人机交互智能仪表将监控数据和报警信号显示给驾驶员。

2.如权利要求1所述的重型货车坡道运行安全监控系统，其特征在于，所述的单片机的型号选用FreescaleMC9S12DG128单片机。

3.如权利要求1所述的重型货车坡道运行安全监控系统，其特征在于，所述的温度传感器选用K型热电偶温度传感器，压力传感器选用HPD503压力变送器，角度传感器选用SCA61T倾角传感器，位移传感器选用ZLDS100激光位移传感器，踏板力传感器选用XFL212R微型力传感器，加速度传感器选用MMA7361LC加速度传感器，速度传感器选用DG111磁电式转速传感器。

4.如权利要求1所述的重型货车坡道运行安全监控系统，其特征在于，所述的人机交互智能仪表采用基于MCGS嵌入式组态软件对监控系统的界面进行设计开发，包括主界面、动态监控、实时数据、制动力和制动器温度界面以及历史曲线界面。