CN107340740A - 无人值守智能路基形变参数自动采集系统及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人值守智能路基形变参数自动采集系统及信号处理方法，通过车辆到位感知模块连接主控制器，多个路基形变测试传感器分别通过一个采集板连接主控制器，前端触发传感器无信号输出时，则主控制器处于待机状态，采集板处于断电状态，整个系统处于低功耗模式；当车辆到位感知模块输出信号时，则主控制器控制电源电路给各采集板供电，整个系统进入工作状态。实测路基形变信号包含干扰成分的影响，本发明通过最小二乘法去除应变信号基准线偏离零线的问题；进而通过小波去除干扰信号的方法，消除噪声的影响，提高信号的信噪比；最后，提出求导方法用于对处理后的信号求导得到峰值点所处时刻，最终提取信号峰值及峰值间的间隔参数。

Description

无人值守智能路基形变参数自动采集系统及信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种无人值守智能路基形变参数自动采集系统及信号处理方法。

背景技术

路基、路面是公路的重要组成部分，其性能直接关系到道路本身的使用寿 命。由于我国高等级公路建设起步较晚，技术力量薄弱，我国气候和交通荷载 条件恶劣，再加上车辆超载严重，进而造成许多高等级公路路面的早期损坏， 近年来，我国高等级路面过早的出现了车辙、开裂、泛油等损坏现象，严重的 影响了道路的使用和人们的交通出行，如何防治高等级沥青路面早期损坏已引 起了我国道路交通部门的高度重视，是目前急需解决的重大课题。

目前路基形变测试多是在提前设计好的试验路上开展，通过预先埋设的应 变传感器反映道路的变形情况。现有测试方法需要测试人员每年选定有代表性 的时段，到实验路段采用采集系统开展数据测试及分析工作，由于测试人员无 法长期驻守测试，因此采集的数据量有限；此外，由于测试人员无法连续进行 信号的测试分析，因此测试的数据无法完整准确的反应路基的形变情况。由此 可见，现有的测试方法效率低且测试费用高；另外，由于技术人员无法长期驻 守，无法得到完整的路面形变数据。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种无人值守智能路基形变参数自动采 集系统及信号处理方法，本发明通过预埋的应变传感器测试道路的应变情况， 传感器的信号通过本发明提出的智能监测系统实现自动测试及存储，能够有效 消除干扰信号对测试结果的影响。

本发明的第一目的是提供一种无人值守智能路基形变参数自动采集系统， 该系统通过预埋的应变传感器测试道路的应变情况，传感器的信号通过本发明 提出的智能监测系统实现自动测试及存储，具备无人值守自动运行功能，能够 满足路基形变长期监测的要求。

本发明的第二目的是提供一种无人值守智能路基形变参数信号处理方法， 本发明能够有效消除干扰信号对测试结果的影响，能够有效的提高信号的信噪 比，得到的分析结果可用于分析道路受力特性，为高速公路的养护、维修及道 路状况的评估提供科学依据，具有广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无人值守智能路基形变参数自动采集系统，包括供电电源、车辆到位 感知模块和数据采集存储单元，其中：

所述供电电源，包括锂电池组及太阳能充电系统，锂电池组产生直流电源 供给车辆到位感知模块及数据采集存储单元，当锂电池组电量降低至下限时， 太阳能充电系统自动开启给电池组供电。

所述供电电源将直流电供给车辆到位感知模块和数据采集存储单元，所述 车辆到位感知模块包括激光测距传感器、传感器信号处理电路、控制器及通讯 电路，激光测距传感器固定在路边，当车辆到达传感器安装位置时触发传感器 信号，该信号经传感器信号处理电路整形处理后传送给控制器，控制器根据该 信号确定车辆是否到位，如果车辆到位则利用通讯电路触发数据采集存储单元；

所述数据采集存储单元接收触发信号后，利用压阻效应实时测量路基形变 参数，开始进行数据采集及存储。

所述数据采集存储单元包括多个路基形变测试传感器、采集板及主控制器， 所述路基形变测试传感器为全桥式应变传感器，路基形变测试传感器信号接入 采集板，所述采集板将路基形变测试传感器测量的电阻信号转化为电压信号， 传输给主控制器进行数据采集。

所述采集板包括单片机、模数转换模块、可调增益放大器、差分运算放大 器和惠斯通电桥，其中，惠斯通电桥连接路基形变测试传感器，通过惠斯通电 桥将传感器输出的电阻信号转化为电压信号，处理后的信号依次经过差分运算 放大器、低通滤波电路及可调增益放大器进入模数转换模块的采样通道中，主 控制器通过模数转换模块采集路基形变测试传感器的信号。

所述采集板中设有电源模块，进行电压转换，分别送入差分运算放大器和 可调增益放大器中，以保证能够对正负全桥传感器信号进行处理。

所述路基形变测试传感器为全桥式应变传感器，在外力作用下，导体或半 导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化，将被测物体的应 变转换成与之成正比关系的电阻相对变化量。

所述主控制器，包括主控单片机、静态RAM、文件管理芯片和时钟芯片， 其中，主控单片机接收到车辆到位感知模块传送的车辆到位命令后，开始控制 每个采集板依次采集多个通道的信号，静态RAM芯片将上述采集过程数据进行 暂时存储；本次采样结束后，在空档时间，静态RAM芯片的数据通过文件管理 芯片转存至存储器中，每个数据采集时刻对应的实时时钟芯片的时间同步存入 存储器中。

基于上述系统的信号处理方法，包括以下步骤：

(1)车辆到位感知模块检测待测路段是否有车辆进入，当车辆进入时，车 辆到位感知模块给主控制器发送采集数据命令；

(2)主控制器控制各个采集板的模数转换模块采集路基形变测试传感器的 信号，每次采集结束，都将当前时间同步保存至存储器；

(3)上位机从存储器中提取数据，根据各通道的系数将存储的数字信号转 化为对应的物理量，对各通道的数据进行滤波处理，发送实时时钟参数和通道 增益参数给主控制器，实现时间校准及通道增益设置。

所述步骤(1)中，车辆到位感知模块连接主控制器，当无车辆到来时，数 据采集存储单元处于待机状态；当车辆到位感知模块输出信号时，则主控制器 控制整个系统进入工作状态。

所述步骤(2)中，采集的各通道信号首先暂存于RAM芯片；当采集过程 结束后，将数据从RAM中转存入存储器中，实现数据的永久保存。

所述步骤(3)中，利用小波去噪的方法对数据进行滤波处理，具体为：选 用适当的小波基及分解层数对实测的信号进行分解，对阈值进行估计，确定阈 值的范围，在小波分解结果中保留超出这个阈值的系数而截掉小于阈值的系数， 再通过小波重构，得到去除干扰后的有效信号。

进一步的，所述步骤(3)中，阈值的确定采用折中极值估计算法实现，噪 声信号假设为未知回归函数的统计量，以实现最大均方误差的最小化。

所述步骤(3)中，采用最小二乘法消除采集的应变信号的基准线偏移问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明提出的测试系统具备无人值守功能，可以实现路基应变参数的自 动采集，系统使用过程中安装在实验路段附近即可，不再需要实验人员在现场 亲自进行数据的测试工作，从而降低了数据测试的人力及物力消耗，有效的提 高了数据测试的效率。

2)本发明提出的测试系统采用蓄电池供电，通过太阳能电池板给蓄电池充 电；此外，当无车辆驶入实验路段时数据采集存储单元进入待机状态，有效降 低整个系统的能耗水平，有效延长系统的工作时间，能够采集更多的数据，保 证数据测试的完整性。

3)测试系统的自动化程度高，通过车辆到位感知模块自动判断车辆到位信 息，进而控制数据采集存储单元采集路基应变数据，将数据实时存储至Flash存 储器中。通过上位机软件可以有效的去除干扰成分的影响，提高信号的信噪比， 为路基应变特征参数的提取奠定基础。

4)本发明具备无人值守功能，且能够长期自动开展测试工作的智能采集分 析系统，实现数据的智能、长时间监测，有效积累路基形变数据。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明提出方法的整体结构示意图；

图2为数据采集存储模块结构示意图；

图3为主控制器功能示意图；

图4为采集板功能示意图；

图5为车辆到位感知模块功能示意图；

图6为上位机软件功能示意图；

图7为Flash存储器数据存储格式示意图；

图8(a)-图8(b)为基准线调整前后的对比曲线；

图9(a)-图9(c)为常规滤波方法及小波滤波方法的对比结果；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的 普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图 限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确 指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说 明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、 组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在需要测试人员每年选定有代表性 的时段，到实验路段采用采集系统开展数据测试及分析工作，由于测试人员无 法长期驻守测试，因此采集的数据量有限；此外，由于测试人员无法连续进行 信号的测试分析，因此测试的数据无法完整准确的反应路基的形变情况。由此 可见，现有的测试方法效率低且测试费用高；另外，由于技术人员无法长期驻 守，无法得到完整的路面形变数据的不足，为了解决如上的技术问题，本发明 提出了一种无人值守智能路基形变参数自动采集系统及方法，通过车辆到位感 知模块连接主控制器，多个路基形变测试传感器分别通过一个采集板连接主控 制器，前端触发传感器无信号输出时，则主控制器处于待机状态，采集板处于 断电状态，整个系统处于低功耗模式；当车辆到位感知模块输出信号时，则主 控制器控制电源电路给各采集板供电，整个系统进入工作状态。实测路基形变 信号包含干扰成分的影响，为此本发明提出了一套完善的信号处理方法，首先 通过最小二乘法去除应变信号基准线偏离零线的问题；进而通过小波去除干扰 信号的方法，消除噪声的影响，提高信号的信噪比；最后，提出求导方法用于 对处理后的信号求导得到峰值点所处时刻，最终提取信号峰值及峰值间的间隔 参数。本发明提出的方法具备无人值守自动运行功能，能够满足路基形变长期 监测的要求，得到的分析结果可用于分析道路受力特性，为高速公路的养护、 维修及道路状况的评估提供科学依据，具有广阔的应用前景。

一种无人值守智能道路路基形变参数自动采集系统，包括供电电源、车辆 到位感知模块和数据采集存储单元，其中：

所述供电电源，包括锂电池组及太阳能充电系统，锂电池组产生直流电源 供给车辆到位感知模块及数据采集存储单元，当锂电池组电量降低至下限时， 太阳能充电系统自动开启给电池组供电。

所述供电电源将直流电供给车辆到位感知模块和数据采集存储单元，所述 车辆到位感知模块包括激光测距传感器、传感器信号处理电路、控制器及通讯 电路，激光测距传感器固定在路边，当车辆到达传感器安装位置时触发传感器 信号，该信号经传感器信号处理电路整形处理后传送给控制器，控制器根据该 信号确定车辆是否到位，如果车辆到位则利用通讯电路触发数据采集存储单元， 开始进行数据采集及存储；

所述数据采集存储单元接收触发信号后，利用压阻效应实时测量路基形变 参数。

所述数据采集存储单元包括多个路基形变测试传感器、采集板及主控制器， 所述路基形变测试传感器为全桥式应变传感器，路基形变测试传感器信号接入 采集板，所述采集板将路基形变测试传感器测量的电阻信号转化为电压信号， 传输给主控制器进行数据采集。

所述采集板包括单片机、模数转换模块、可调增益放大器、差分运算放大 器和惠斯通电桥，其中，惠斯通电桥连接路基形变测试传感器，通过惠斯通电 桥将传感器输出的电阻信号转化为电压信号，处理后的信号依次经过差分运算 放大器、低通滤波电路及可调增益放大器进入模数转换模块的采样通道中，主 控制器通过模数转换模块采集路基形变测试传感器的信号。

所述采集板中设有电源模块，将12V电压转正负5V电压，分别送入差分 运算放大器和可调增益放大器中，以保证能够对正负全桥传感器信号进行处理。

所述路基形变测试传感器为全桥式应变传感器，在外力作用下，导体或半 导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化，将被测物体的应 变转换成与之成正比关系的电阻相对变化量。

所述主控制器，包括主控单片机、静态RAM、文件管理芯片和时钟芯片， 其中，主控单片机接收到车辆到位感知模块传送的车辆到位命令后，开始控制 每个采集板依次采集24个通道的信号，静态RAM芯片将上述采集过程数据进 行暂时存储；本次采样结束后，在空档时间，静态RAM芯片的数据通过文件管 理芯片转存至大容量Flash存储器中，每个数据采集时刻对应的实时时钟芯片的 时间同步存入大容量Flash存储器中。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)车辆到位感知模块检测待测路段是否有车辆进入，当车辆进入时，车 辆到位感知模块给主控制器发送采集数据命令；

(2)主控制器控制各个采集板的模数转换模块采集路基形变测试传感器的 信号，每次采集结束，都将当前时间同步保存至大容量Flash存储器；

(3)利用上位机软件从大容量Flash存储器中提取数据，上位机软件根据 各通道的系数将存储的数字信号转化为对应的物理量；进而对各通道的数据进 行滤波处理，提高信号的信噪比，处理后的信号可以存盘；此外，通过上位机 软件可以发送实时时钟参数和通道增益参数给主控制器，实现系统时间校准及 通道增益设置。

所述步骤(1)中，车辆到位感知模块连接主控制器，当无车辆到来时，数 据采集存储单元处于待机状态；当车辆到位感知模块输出信号时，则主控制器 控制整个系统进入工作状态。

所述步骤(2)中，为保证数据采集的实时性，采集的各通道信号首先暂存 于RAM芯片；当采集过程结束后，将数据从RAM中转存入大容量Flash存储 器中，实现数据的永久保存。

所述步骤(3)中，信号测试过程受到干扰成分的影响，为此本文提出了改 进的信号处理方法，可以有效的消除干扰成分的影响，尽量多的保留有效成分； 通过本文提出的信号处理方法可以有效提高信号的信噪比，为后续的数据分析 奠定基础。

本发明提出的系统主要包括4部分：太阳能充电锂电池组电源、车辆到位 感知模块、数据采集存储单元及上位机分析软件。其中前3部分布置在测试现 场，用于实时在线测试并存储车辆冲击路面产生的应变数据；而上位机分析软 件用于对测试的信号进行预处理，提高信噪比，进而提取路基应变特征参数。

太阳能充电锂电池组电源用于为车辆到位感知模块和数据采集及存储系统 供电，采用太阳能充电保证系统可以长期运行。车辆到位感知模块是整个系统 最前端的部分，用于感知车辆是否进入应变传感器安装区域。数据采集及存储 系统能够测试最多24路全桥应变信号，并将采集的数据转存至大容量Flash存 储器。

上位机软件具备以下功能：从大容量Flash存储器中提取测试数据；通过改 进的小波分析方法有效提高信号的信噪比；通过曲线形式显示各通道实测数据 及处理后数据；提取应变峰值、峰值间隔及车速等关键时域特征参数；处理后 的数据可以进行存盘处理，方便后续数据的分析；设置数据采集存储单元的实 时时钟及各通道的系数；对各通道的系数进行标定，实现系统测试结果的快速 校正。

本发明提出的测试方法不再需要专门的人员在现场进行数据测试，而是由 系统自动完成，可以节省大量的人力物力消耗；系统可以长期持续工作，能够 更完整的获取路基应变数据。

1.硬件系统介绍

本发明提出的方法涉及的硬件系统主要包括太阳能充电锂电池组电源、车 辆到位感知模块及数据采集存储单元等三部分。

1)太阳能充电锂电池组电源

太阳能充电锂电池组电源包括锂电池组及太阳能充电系统两部分，锂电池 组产生12V的直流电源供给车辆到位感知模块及数据采集存储单元。为了保证 系统能够长期工作，当锂电池组电量降低至下限时，太阳能充电系统自动开启 给电池组充电，通过这种方式保证系统可以长期运行。

2)车辆到位感知模块

车辆到位感知模块包括激光测距传感器、传感器信号处理电路、单片机及 通讯电路等四部分。激光测距传感器固定在路边，当车辆到达传感器安装位置 时触发传感器信号，该信号经施密特触发电路整形处理后传送给单片机，单片 机根据该信号确定车辆是否到位，如果车辆到位则利用通讯电路告知数据采集 存储单元，开始进行数据采集及存储。

3)数据采集存储单元

数据采集存储单元包括路基形变测试传感器、采集板及主控制器等三部分。 路基形变测试采用的传感器为全桥式应变传感器，该传感器利用压阻效应设计。 该传感器输出电阻信号，在采集板中通过惠斯通电桥将电阻信号转化为电压信 号。数据采集存储单元配备有1块主控制器和3块采集板，每块采集板能够处 理8路应变传感器信号，故系统最多能处理及采集24路应变信号。

采集板上有STC12C2052AD单片机、2.5V恒压源、LM258运算放大器、AD526 可调增益放大器及MAX197高速模数转换芯片等组成。采集板具备以下作用：1) 通过恒压源给各应变传感器供电；2)通过惠斯通电桥将全桥应变传感器输出的 电阻信号转化为电压信号；3)通过LM258运算放大器搭建的差分运放电路对 电压信号进行放大；4)通过低通滤波器对信号进行滤波处理，提高信号的信噪 比；5)通过AD526可编程放大器实现各通道信号增益的调整。

主控制器上有STC12C5A60S2单片机、74HC573地址锁存器、625128高速 静态RAM、CH376S文件管理芯片、PCF8563实时时钟芯片、MAX705硬件看 门狗芯片及MAX232串口芯片等组成。当主控制器接收到车辆到位感知模块传 送的车辆到位命令后，开始控制每个采集板上的MAX197芯片依次采集24个通 道的信号。由于系统采集的应变信号为瞬态信号，采集时间长且数据量大，为 此采用高速静态RAM芯片625128实现采集过程数据的暂时存储；本次采样结 束后，在稍长的空档时间，将625128中的数据通过CH376S转存至大容量Flash 存储器中，对数据进行长久保存。为了将每次采集时的时间记录下来，将数据 采集时刻对应的实时时钟芯片PCF8563的时间同步存入大容量Flash存储器中。

为了实现各通道增益的调整，将数据采集存储单元连接至上位机软件，通 过上位机软件向主控制器单片机传送增益设置参数，主控制器单片机通过串口 将各参数依次发给每个采集板的单片机STC12C2052AD，由该单片机控制各 AD526实现各通道增益的设置。为了实现实时时钟芯片的时间校准，可以通过 上位机软件给主控制器单片机发送时间信息，主控制器单片机通过IIC总线对实 时时钟芯片PCF8563进行校准。

2.软件分析方法介绍

本发明提出的方法包括三个主要功能：1)从大容量Flash存储器中读取数 据；2)对读取的数据进行去噪处理；3)从处理后的信号中提取表征路基应变 的特征参数及采样参数的设置。

1)从大容量Flash存储器中读取数据

为了准确获取每次车辆经过传感器时的路基应变瞬时数据，装置需要高速 采集各传感器的信息，假定车辆以60km/h通过10米距离这段时间内能够以2kHz 的频率采集24路信号，所需存储容量估算：

a)60km/h通过10米需要时间约：0.6s

b)单通道2kHz，共24个通道，相当于48kHz的采样频率

c)每个数据都是2个字节，相当于每秒要采集96k字节的数据

d)假定车辆通过前后都需要一定的时间余量，按总时间2s算

e)2s对应的数据量为96k*2＝192k个字节

由上可知，每辆车经过装置时，都会产生192k个字节的数据，这些数据都将存 入大容量Flash存储器中，为了保证数据存储的有效性，在数据存储过程按以下 协议进行：每组采样数据的第一行的前6个字节采用特定数据作为数据头，这 一行接下来的6个字节分别存储年月日时分秒信息；数据的最后一行用12个特 定数据作为本组采样数据的数据尾。数据头和数据尾之间为采样的各通道数据， 每一行都为4个通道的数据，包括通道号，数据高字节及数据低字节，共计12 个字节的数据。数据解析时按照这个格式提取数据，从而获得这组数据的采样 时间及整个采集过程各通道的采样数据。

2)采样数据去噪处理

应变传感器在采集过程受到干扰信号的影响，测试的信号中包含干扰成分， 不利于有效信号的提取。为此，在信号分析之前，首先通过信号去噪方法去除 干扰信号的影响。常规滤波算法设定滤波频带后，有效信号及干扰信号在该频 段内的信号将同时被去除，这种方法可能对有效信号的幅值产生衰减，进而影 响信号的分析。为此，本方法提出了采用小波去噪的方法，该方法利用噪声是 一种随机信号的特点，通过设定合理阈值将干扰信号去除，尽量保留有效成分。

通过分析发现采集的应变信号主要存在基准线偏离零线及噪声信号耦合导 致实测信号的信噪比低两个问题。

a)基准线偏离零线问题处理方法

为了消除基准线偏离零线的问题，本发明提出采用最小二乘法消除基准线 偏移问题的思路，具体的实现算法如下：

假定实测的应变信号数据为y_k(k＝1,2,3，…，m)，用一个阶数为n的多项 式y‘_k反应基准线与零线的偏差量，则y‘_k的表达式如下所示：

y‘_k＝x₀+x₁k+x₂k²+…+x_nkⁿ

根据最小二乘法的原理，偏差量y‘_k的各未知系数x_j(j＝0,1，…，n)使得y‘_k与离散数据y_k的误差平方和Q最小，即：

误差平方和Q具有极值的条件为：

依次取Q对x_i求偏导，可产生n+1元线性方程组：

解方程组，得到n+1个待定系数x_j(j＝0,1，…，n)，通过上述分析方法 得到测试信号基准线偏离零线的值，在此基础上从实测信号中减去偏离值，实 现基准线的调整。

b)噪声信号去除方法

有效应变信号的频带范围基本确定，干扰信号的频带则不确定，常规数字 滤波方法可以设定滤波的频带，并将该频带的信号能量去除；如果干扰信号的 频带与有效应变信号的频带重叠，采用常规滤波方法会将有效应变信号一同去 除，导致有效信号的能量衰减。为了消除这个问题，本发明中提出采用小波方 法对测试的信号进行处理，提高信号的信噪比，该方法的主要实现过程如下：

首先选用适当的小波基及分解层数对实测的信号进行分解：

其中，小波基函数为a为尺度因子，τ为平移因子。假定 应变数据的采样间隔为T_s，总采样点数为N，令b＝kT_s,t＝nT_s(n＝0,1,...,N-1)，可 得到离散小波分解公式如下，通过该方法对实测信号进行小波分解。

小波分解完毕后，需要进行去除干扰的处理，由于干扰信号是一种随机信号， 其方差未知，实际去干扰的过程需首先对阈值进行估计，确定阈值的范围，然 后在小波分解结果中保留超出这个阈值的系数而截掉小于阈值的系数。阈值的 确定采用折中极值估计算法实现。噪声信号可以假设为未知回归函数的统计量， 折中极值估计算法与未知回归函数估计算法原理相近，折中极值估计算法可以 实现最大均方误差的最小化。折中极值估计算法对于采样点数少的情况，阈值 设为0，当采样点数多时，则按下式估计阈值：

对小波分解的结果，按照阈值进行调整后，再通过小波重构，得到去除干扰 后的有效信号，通过这种方式消除干扰的影响。

3)路基应变特征参数提取及采样参数的设定

将去噪处理后的信号通过各通道系数的调整，转化为实际应变值；通过本 装置提供的算法可以自动计算应变的峰值及相邻峰值的间隔；为了便于事后分 析，可以将滤波处理后的数据进行存储。此外，为了便于调整测试的结果，可 以通过软件设置各通道的增益；实现主控制器实时时钟芯片时间的校准；对各 采集通道进行标定，保证各通道测试结果的准确性。

在自动计算峰值及峰值的间隔时，提出以下求导处理方法，且通过对比分 析，认为采用前后10点计算导数的求导方法较为合理。在计算应变表征参数时， 首先通过下述公式对小波处理后的应变信号进行求导，导数为0的点即峰值点 或谷值点，结合导数为0时刻数据的应变值，确定峰值所在的位置，根据各峰 值的出现时刻确定峰值之间的间隔。

式中，i表示采样点的序号；

y_i为第i个采样点求导后的结果；

x_i+j代表第i+j个采样点。

作为一种典型的实施方式，如图1所示，本发明提出的实现方法包括4部 分：太阳能充电锂电池组电源、车辆到位感知模块、数据采集存储单元及上位 机分析软件。其中前3部分布置在测试现场，车辆到位感知模块用于确定车辆 是否到达路基应变测试区域，如果车辆到位则发送命令控制数据采集存储单元 采集路基应变数据，每个车辆产生的路基应变数据都存储至大容量Flash存储器 中。上述工作过程均自动实现，系统可以实现无人值守工作。通过太阳能充电 锂电池组电源给上述两个部件供电，保证整个系统可以长期工作。上位机分析 软件用于从大容量Flash存储器中读出数据，对数据进行去噪处理波及特征参数 提取等工作；此外，通过上位机软件还可以对数据采集存储单元各测试通道进 行标定，设置数据采集存储单元的实时时钟及各通道增益等参数。

如图2所示，系统包括1块主控制器及3块采集板。每块采集板能够处理8 路应变信号，故系统最多能处理及采集24路通道信号。主控制器采用 STC12C5A60S2单片机作为控制核心，一旦系统需要采集数据时，2.5V恒压源 将电压送给全桥应变传感器，传感器输入的信号依次经过差分运算放大器、低 通滤波电路及可调增益放大器进入MAX197芯片的采样通道中。主控制器单片 机依次控制每个采集板上的MAX197芯片采集24通道的信号，采集的每通道信 号都随即存储至高速静态RAM中，直到各通道数据采集和暂存完毕后，主控制 器单片机将RAM中暂存的各通道数据、实时时钟记录的时间，通过CH376S存 入大容量Flash存储器中。为了实现各通道增益的调整，主控制器单片机可以接 收上位机传送的增益设置参数，并通过串口将各参数依次发给每个采集板的单 片机STC12C2052AD，并由该单片机控制各AD526实现对应增益的设置。主控 制器单片机还可以根据接收的上位机传送的时钟数据对实时时钟芯片的工作进 行配置。

如图3所示，主控制器以STC12C5A60S2单片机为控制核心；主控制器单 片机对各外围器件进行控制管理，包括各通道增益设置、各通道数据采集及暂 存、日期时间设置及当前时间读取、大容量Flash存储器的访问等功能。采用 74HC573地址锁存器及625128高速静态RAM作为暂存单元，存放采集过程的 临时数据；采用CH376S文件管理芯片扩展大容量Flash存储器接口电路；采用 PCF8563实时时钟芯片记录每次采样的时刻；通过MAX705硬件看门狗芯片保 证整个工作的可靠性；此外采用MAX232芯片实现了2路串口通讯功能，1路串口通讯与上位机软件连接用于接收控制参数，另外，该路串口还可与车辆到 位感知模块连接，用于接收到位信息；另一路串口则用于同各采集板的单片机 相连，发送各通道的增益参数。

如图4所示，采集板电路通过2.5V恒压源MC1403给各全桥应变传感器供 电，传感器输出信号首先送入LM258运算放大器进行差分放大，同时通过低通 滤波电路对信号进行处理；初步处理的信号送入AD526可调增益放大器中对放 大倍数进行二次调节；调节后的电压信号送入MAX197模数转换单元中进行采 集，采集后的信号暂存至主控制器的高速RAM中；为了保证能够对正负全桥传 感器信号进行处理，采集板中通过12V转正负5V开关电源模块产生正负电压， 并送给LM258和AD526；AD526的增益调整则通过板载的小型单片机STC12C2052AD进行控制。

如图5所示，车辆到位感知模块以Freescale DZ60单片机为控制核心，主要 是利用该单片机的输入捕捉及串口通讯功能，实现车辆到位判断及向数据采集 存储模块发出控制命令的功能。首先通过三极管将到位传感器的信号进行降幅， 使得信号的高电平为5V；降幅处理后的信号经过施密特触发器4093整形后成 为TTL电平的脉冲信号，将该信号送入单片机的输入捕获引脚，当车辆到位时 触发中断，单片机据此确定车辆到位。单片机一方面会通过状态指示电路显示 车辆到位信息；另外，通过MAX232串口通讯电路给数据采集存储单元发送命 令，控制其开始采集路基应变数据。另外，车辆到位感知模块通过6组指示灯 指示当前系统的状态，方便操作人员了解当前系统的工作状态。当车辆到位时， 到位指示灯亮起；数据采集存储单元工作在不同阶段，如数据开始采集、结束 采集、开始存储数据及数据存储完毕时，数据采集存储单元的主控制器会向车 辆到位感知模块发送状态命令，模块收到命令后会控制对应的指示灯亮起，指 示当前系统的状态。

图6为上位机软件功能示意图，软件主要具备3个功能：1)Flash存储器数 据提取；2)采样数据去噪处理；3)路基应变特征参数提取及采样参数的设定。

Flash存储器数据提取时，需要导入的数据量大，如果定义静态数组，由于 静态数组存放在栈区，数组大小受到限制，每次导入的数据量少，需要多次导 入，进而影响数据导入的速度。本方法提出在数据导入时采用动态数组方式， 动态数组定义在堆空间，可以定义更大的存储空间，一次可以导入更多数据， 进而提高数据导入效率。

图7为大容量Flash存储器中数据存储格式示意图，数据导入过程中按预定 的存储规则进行，首先导入每组采样数据的数据头及数据采集发生的时间信息； 然后，依次导入每组采样的数据，每组采样数据包括多行数据，其中，每行数 据均为4个通道的数据，每个通道的数据都占三个字节，依次为通道号、采样 数据高位及低位，共计12个字节的数据；当遇到表征数据尾的一行数据时，表 明本组采样的数据全部读取结束；继而，开始下一组数据的导入过程；最终完 成整个数据的导入。

图8(a)为实际测试的道路应变信号波形，由图可见，由于传感器使用过 程中自身存在变形等原因，导致输出信号的基准线偏离零线，图8(b)为图8 (a)中的信号经基准线调整后的结果，由图可见，通过该处理方法可以有效消 除基准线偏离零线的问题。

常规数字滤波方法处理的效果，由图9(a)可见，当干扰信号的频带与有 效信号频带重叠少时，滤波方法可以得到较好的处理效果；由图9(b)所示， 当干扰信号的频带与有效信号重叠多时，常规滤波方法将有效信号的能量衰减 较大，不利于信号峰值的提取。图9(c)为小波处理的效果，从处理后信号的 幅值看，该方法在消除干扰成分的基础上，尽量保留有效信号的能量，信号的 能量衰减较小。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领 域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明 保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上， 本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明 的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种无人值守智能路基形变参数自动采集系统，其特征是：包括供电电源、车辆到位感知模块和数据采集存储单元，其中：

所述供电电源，包括锂电池组及太阳能充电系统，锂电池组产生直流电源供给车辆到位感知模块及数据采集存储单元，当锂电池组电量降低至下限时，太阳能充电系统自动开启给电池组供电；

所述供电电源将直流电供给车辆到位感知模块和数据采集存储单元，所述车辆到位感知模块包括激光测距传感器、传感器信号处理电路、控制器及通讯电路，激光测距传感器固定在路边，当车辆到达传感器安装位置时触发传感器信号，该信号经传感器信号处理电路整形处理后传送给控制器，控制器根据该信号确定车辆是否到位，如果车辆到位则利用通讯电路触发数据采集存储单元；

所述数据采集存储单元接收触发信号后，利用压阻效应实时测量路基形变参数，开始进行数据采集及存储。

2.如权利要求1所述的一种无人值守智能路基形变参数自动采集系统，其特征是：所述数据采集存储单元包括多个路基形变测试传感器、采集板及主控制器，所述路基形变测试传感器为全桥式应变传感器，路基形变测试传感器信号接入采集板，所述采集板将路基形变测试传感器测量的电阻信号转化为电压信号，传输给主控制器进行数据采集。

3.如权利要求1所述的一种无人值守智能路基形变参数自动采集系统，其特征是：所述采集板包括单片机、模数转换模块、可调增益放大器、差分运算放大器和惠斯通电桥，其中，惠斯通电桥连接路基形变测试传感器，通过惠斯通电桥将传感器输出的电阻信号转化为电压信号，处理后的信号依次经过差分运算放大器、低通滤波电路及可调增益放大器进入模数转换模块的采样通道中，主控制器通过模数转换模块采集路基形变测试传感器的信号。

4.如权利要求1所述的一种无人值守智能路基形变参数自动采集系统，其特征是：所述采集板中设有电源模块，进行电压转换，分别送入差分运算放大器和可调增益放大器中，以保证能够对正负全桥传感器信号进行处理。

5.如权利要求1所述的一种无人值守智能路基形变参数自动采集系统，其特征是：所述路基形变测试传感器为全桥式应变传感器，在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化，将被测物体的应变转换成与之成正比关系的电阻相对变化量。

6.如权利要求1所述的一种无人值守智能路基形变参数自动采集系统，其特征是：所述主控制器，包括主控单片机、静态RAM、文件管理芯片和时钟芯片，其中，主控单片机接收到车辆到位感知模块传送的车辆到位命令后，开始控制每个采集板依次采集多个通道的信号，静态RAM芯片将上述采集过程数据进行暂时存储；本次采样结束后，在空档时间，静态RAM芯片的数据通过文件管理芯片转存至存储器中，每个数据采集时刻对应的实时时钟芯片的时间同步存入存储器中。

7.基于如权利要求1-6中任一项所述的系统的信号处理方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)车辆到位感知模块检测待测路段是否有车辆进入，当车辆进入时，车辆到位感知模块给主控制器发送采集数据命令；

(2)主控制器控制各个采集板的模数转换模块采集路基形变测试传感器的信号，每次采集结束，都将当前时间同步保存至存储器；

(3)上位机从存储器中提取数据，根据各通道的系数将存储的数字信号转化为对应的物理量，对各通道的数据进行滤波处理，发送实时时钟参数和通道增益参数给主控制器，实现时间校准及通道增益设置。

8.如权利要求7所述的信号处理方法，其特征是：所述步骤(1)中，车辆到位感知模块连接主控制器，当无车辆到来时，数据采集存储单元处于待机状态；当车辆到位感知模块输出信号时，则主控制器控制整个系统进入工作状态。

9.如权利要求7所述的信号处理方法，其特征是：所述步骤(3)中，利用小波去噪的方法对数据进行滤波处理，具体为：选用适当的小波基及分解层数对实测的信号进行分解，对阈值进行估计，确定阈值的范围，在小波分解结果中保留超出这个阈值的系数而截掉小于阈值的系数，再通过小波重构，得到去除干扰后的有效信号。

10.如权利要求9所述的信号处理方法，其特征是：所述步骤(3)中，阈值的确定采用折中极值估计算法实现，噪声信号假设为未知回归函数的统计量，以实现最大均方误差的最小化；

所述步骤(3)中，采用最小二乘法消除采集的应变信号的基准线偏移问题。