基于C8051单片机的道路交通信息采集仪器

1、概述

　　随着近年国内公路的大量建设，交通调查等工作将会得到空前的开展，市场上对交通调查设备的需求将会大幅度增加。道路交通信息采集仪器是一种用于测量道路车辆速度，流量，识别车型并可以进行数据存储传输的仪器。仪器系统主要由传感器和仪器主机组成，国内产品的传感器多采用双线圈结构，埋设方式复杂费时，主机以工控机或者单片机为核心，精度较低。国外产品多采用非接触式测量方法，但价格昂贵。基于C8051系列单片机的仪器采用压电式传感器和线圈传感器相结合，埋设较为简单，主机采用高速C8051系列单片机，最大能处理16车道车辆数据，功耗低，精度高。

2、仪器总体结构

　　道路交通信息采集仪器系统由传感器和仪器主机组成。传感器埋设在公路表面，仪器主机安装在道路边上的固定机箱中，通过同轴线缆将其联接在一起，仪器主机可采用市电或者太阳能电池供电，系统构成如图1所示。

　　压电传感器用于在路面上获取车轮驶过产生的信号。传感器部分形同一条Φ3的电缆。每个车道需安装两条传感器，以便测量车速和长度等车辆信息。传感器由一条横过车道的压电缆和连接头及引线构成，体积非常小，可方便的密封于道路面层中。不受路面弯曲度和相邻车道车辆的干扰，易于安装，只需宽20mm×深28mm的开槽，对路面影响做到了最小，安装后与路面平齐，能承受千万次以上的标准轴载。传感器之间的距离一般设定为3米。

　　一辆两轴汽车经过仪器时，车辆的前轮和后轮分别碾压传感器，压电传感器的输出信号波形如图2所示：


　　假设车辆速度是，轴距是，测量2个传感器的信号波峰时间间隔为，1个传感器的信号波峰时间间隔为，则

　　由以上2式可知只要测量出和就可以得到车辆的速度与轴距，通过轴距可以得出车型，通过对一段时间内的车辆数进行统计就可以得到车流量。可检测车辆速度：0～200km/h

3、仪器主机结构

　　仪器主机结构如图3所示。仪器可以直接由市电220V供电，也可以由蓄电池供电。太阳能电池可以为蓄电池提供充电。电源管理模块主要作用是给数据处理模块，信号采集模块提供5V电源，并可以控制太阳能电池对蓄电池充电。信号采集模块采集车道传感器信号，并通过CAN总线将滤波处理后的数据传送到数据处理模块中。1个信号采集模块可以处理2个车道共4路传感器信号，车道增加只需要增加信号采集模块的数量，因此增强了仪器的灵活性。数据处理模块主要负责处理信号采集模块传输的数据，分析道路上车辆的速度车型并保存传输车辆信息。


　　电源管理模块负责给仪器的其他模块提供5V电源，当蓄电池电压过低时将打开继电器开关让太阳能电池给蓄电池充电。电源管理模块的核心为51单片机，5V电源芯片为LM2576开关电源，既提高了电源效率，又提高了稳定性。GPRS外接电源由模拟开关控制。单片机的程序设计方面，由于功能简单只需要考虑测量蓄电池电压低于某一范围后就开启太阳能电池充电和在需要无线传输数据时打开GPRS的电源。

　　电源管理模块结构如图4所示。


　　信号采集模块结构如图5所示。


　　它负责调理、采集道路压电传感器信号，并对信号进行滤波处理，将波形信息通过CAN总线发送到数据处理模块中。信号采集模块的核心单片机为C8051F060，片内2个16位AD转换器（最大采样速度1Msps），64KFLASH程序存储器，CAN收发器；单片机外围扩展SRAM芯片用于存放AD采样数据；CAN总线驱动器采用TJA1050芯片，传输速率设定为1Mbps。软件方面，经过测量电路的信号通常还有干扰，因此在处理数据之前需滤波操作。在该模块中需要计算出传感器信号中波峰的时间点再将其传送至数据处理模块。

　　数据处理模块结构如图6所示。


　　它将信号采集模块传来的波形数据进行分析处理，从而得到车辆的信息。还必须将车辆信息存储到FLASH芯片中，并通过GPRS无线通信发送到当地交通部门的数据中心。另外数据处理模块还能将FLASH芯片中的车辆数据通过USB接口上传到电脑中，实现数据的拷贝功能。数据处理模块的核心单片机为C8051F040，片内64KFLASH程序存储器，CAN收发器；NAND FLASH芯片具有1Gbytes存储空间，按照每天10000辆的车流量计算可以保存3个月的车辆信息；单片机外围扩展128K Bytes SRAM芯片；实时时钟芯片通过I2C通信接口与单片机相连，提供准确的秒，分，小时，天等时间。软件方面，该模块将信号采集模块中的车道传感器信号与时刻信息进行计算得出车速与轴距，另外还需要考虑当汽车跨车道运行的问题。

　　由于道路交通信息采集仪器大多安装在野外无人值守的场合，因此仪器的可靠性显得尤为重要，仪器运行时环境温度需要考虑在-40℃到80℃，并且能够保证至少3个月的正常工作。在软硬件的设计上都做了抗干扰处理，并且设计了硬件看门狗，当信号处理模块当机的时候，电源管理模块会自动关闭5V电源，延时后再上电提供了重启动功能。

4、结论

　　基于C8051单片机的道路交通信息采集仪器采用压电传感器和仪器主机分离的结构，传感器安装在路面上，当车辆经过时，压电传感器就能感知到车辆的速度、轴距信息，感应线圈能感知车辆的经过线圈的时间，这些信息通过同轴线缆传输至仪器主机。仪器在天津、重庆等高速公路上都通过了测试应用并且成本较低。在极端温度和多车道（10车道）的情况下仪器运行正常，并且相关指标：流量统计精度99%；车型判断精度90%；车长测量精度95%；速度检测精度±2km/h。