車輛檢測器是現代交通控制系統中的基礎設施，其主要檢測對象包括檢測車輛的行駛速度、流量、占有率、車間距等信息。現階段車輛檢測器主要有環形線圈檢測器、視頻檢測器、RFID檢測器及磁映像檢測器等。視頻檢測器采用圖像處理技術設置路面虛擬線圈完成車輛檢測，具有無需破壞路面、支持多種交通流信息檢測的優勢。但其易受光照強度、空間障礙物等干擾，環境適應能力較差。磁映像檢測器采用AMR磁阻感知方式，利用車輛通過對地磁場擾動進行檢測，對路面破壞較少，但檢測靈敏度欠佳[1]。環形線圈檢測器在全天候、高精度車輛檢測方面有其他檢測器無法比擬的優勢[2-3]。針對現實中要求車輛檢測器適應不同環境、抗串擾的問題，本文基于等精度測頻法設計原理，同時，在軟件上采用分時選通工作方式，完成16路檢測節點車輛檢測功能，避免相鄰線圈串擾，提高系統抗干擾性。

1 系統設計原理
    環形線圈車輛檢測器是一種基于電磁感應原理的車輛檢測器，由埋設在路面下的環形線圈、信號檢測處理單元及饋線三部分組成。埋設在路面下的環形線圈與檢測器內的電容共同構成LC振蕩器。根據電磁感應原理，當有車輛經過環形線圈上方時，產生的渦流效應占主導作用，促使線圈電感量減小，導致振蕩器實時振蕩頻率f增大，處理器通過比較實時振蕩頻率f與本底頻率F的差異，判斷是否有車輛存在或通過[4-6]。
    本設計采用多路分時選通方法使CPU內部計數器與外部計時器協同工作，基于硬件原理實現等精度測頻，有效避免了因相鄰線圈串擾造成測頻誤差[2，4]。同時，為了增加環形線圈檢測器的魯棒性，在采樣數據處理中采用滑動中值濾波算法，提高錯誤數據容錯能力。采用故障自恢復軟件處理算法，保障系統在復雜多變外界環境下的自適應能力。保證系統低成本、高精度地完成16路檢測節點車輛檢測。
2 硬件設計
2.1 主體構成
    本系統采用精簡指令集ATmega128微處理器完成16路車輛檢測節點邏輯判斷。系統主要由16路環形線圈耦合電路、測頻部分、顯示部分、檢測部分及通信部分構成。主體框圖如圖1所示。

2.2 耦合電路
    環形線圈耦合電路采用電容三點振蕩電路，由環形線圈與電路反饋電容決定震蕩頻率。考慮渦流效應及實際環形線圈電感量范圍（國標GB/T26942-2011：50 μH~700 μH），選擇震蕩電路激勵頻率在40 kHz~200 kHz之間。根據振蕩電路頻率變化特性曲線及實際環形線圈調整耦合電路反饋電容值可得系統最佳檢測靈敏度[2]。可控震蕩耦合電路原理如圖2所示。

2.3 頻率采集
    系統檢測靈敏度的關鍵在于采樣信號的準確性和實時性。該模塊基于等精度測頻法硬件原理，使用ATmega128內部16位計數器與外部16位計數器協同工作，經D觸發器轉換，保證外部計數器與內部計數器硬件同步使能。根據支路信號頻率的不同，靈活改變閘門時間，使多路震蕩信號在整個測頻區域內等時間地保持恒定的測量精度。外部計數器采用11.059 2 MHz標準頻率信號在實際閘門內計數[7-8]。等精度測頻原理如圖3所示。

    圖4中，波形A為單片機輸出的D觸發器控制信號，高電平計數器使能。波形B為4路震蕩信號分時選通后的4組波形，波形C、D為其中兩路使能后的震蕩波形。通過波形觀測可知，檢測支路選通后可精確對N個波形進行同步計數（圖示2個周期）。
2.4 端口擴展
    系統采用ATmega128單處理器對16路環形線圈進行檢測，輸入、輸出控制信號較多。靈活使用數字邏輯電路對I/O端口進行擴展。使用4線16線譯碼器芯片74HC154實現對16路耦合振蕩電路分時選通控制功能，使用CD4012與非門將16路檢測信號傳輸至頻率采集電路，分時完成多路檢測節點信號采集。分別由3片74HC595串入并出移位寄存器及8片74HC165并入串出移位寄存器完成16路檢測節點工作狀態指示及靈敏度設置。
2.5 通信及信息存儲
    采用RS-485總線通信方式完成信息配置及數據通信，適用于實際路口交通信號機與多個檢測器組網連接。通過EEPROM芯片24C64對16支路檢測節點地址進行唯一編號，存儲檢測交通流歷史數據。
2.6 隔離保護
    環形線圈輸入、輸出電路分別采用光耦CPC1030N及1:1變壓器隔離，經壓敏電阻及防雷管保護，防止雷擊等瞬間過電壓對檢測電路造成損壞，增強系統抗干擾性。
3 軟件設計
3.1 系統軟件構成
    系統軟件采用模塊化分層設計，主要由控制模塊、測頻模塊、報警模塊、顯示模式和數據通信模塊組成，以完成16路檢測節點邏輯判斷。同時，采用分時選通采樣方式，對采樣數據進行自適應中值濾波處理，提高系統抗干擾性。系統軟件主體流程如圖5所示。

3.2 測頻部分
    測頻部分是系統檢測精度的關鍵。采用等精度測頻法，使用ATmega128內部計數器與外部計數器協同工作，使多路震蕩信號在整個測頻區域內保持恒定的測量精度。
    內部計數器對被測信號的個數進行計數，輸出比較引腳OC1C產生可變頻率的外部計數器使能信號，同步使能外部計數器在特定時間內對標準頻率進行計數。啟動線圈震蕩后，因LC震蕩電路起振時間及支路切換時間造成波形穩定性問題，采用CTC模式改變OC3C比較輸出電平決定是否使能外部計數器。前C1個脈沖用于穩定震蕩頻率，之后C2個脈沖信號再啟動外部計數器同步計數，實現頻率測量。根據線圈的實際電感調節門限計數器的計數使能時間t2，使各檢測支路等時間、等精度地完成頻率采集，提高檢測靈敏度。實際波形如圖4所示，測頻部分流程圖如圖6所示。

3.3 魯棒性設計
    在實際應用環境中，LC震蕩電路諧振頻率易受環境的影響而產生頻率漂移及瞬間干擾。采樣信號需經濾波處理后進行報警邏輯判斷及本底頻率產生。針對采樣信號干擾特性，采用5位滑動中值濾波算法處理后產生有效邏輯判斷信號，增強系統魯棒性[9]。采樣信號經濾波后有效地消除了隨機噪聲，濾波效果如圖7所示。本設計采用20位自適應滑動中值濾波處理算法，每隔t時刻存儲一次采樣數據，對緩沖數組數據進行中值排序，產生本底頻率。根據系統穩定時間及采樣值與本底頻率差值temp決定刷新間隔時間t。采用不同刷新時間增強對環境的自適應能力，如下所示：
   
3.4 報警邏輯
    通過多路分時選通對采樣頻率與本底頻率進行比較，并實時刷新報警。基于狀態機原理，將系統狀態分為無車狀態、車輛存在、車輛駛過和錯誤數據。分類處理增強了檢測可靠性和對錯誤數據的容錯處理能力。系統具有故障自診斷能力，可根據震蕩頻率變化對線圈開路、短路和電路故障狀態進行分類判斷。
4 測試效果
4.1 多路切換檢測穩定性
    對于等精度測頻法在環形線圈車輛檢測器中的應用，本文取不同電感對采樣頻率進行測量，取5 000個樣本數據進行穩定性分析，頻率采樣值直方圖如圖7所示。其中采樣值n0為在N個被測頻率fx時間內，對標準頻率f0的計數個數，即n0=N·f0/fx。

4.2 實際效果
    使用30 cm×30 cm環形線圈模擬地埋線圈，50 cm×70 cm鐵板模擬車輛駛過，可正常感應鐵板存在并輸出報警，具體測試效果如圖8所示。

    該環形線圈檢測器已應用于實際路口進行測試，試驗效果良好。根據采樣數據可進一步對車型分類，對道路車流量、瞬時車速及時間占有率進行分析計算。
    系統采用等精度測頻法實現車輛檢測功能。基于多路震蕩電路多路選通原理分時完成16路檢測節點信號產生、信號采樣及信號處理。經實際驗證，90 ms內可完成16路車輛檢測節點邏輯判斷功能，可滿足160 km/h以下車速實時性檢測。采用16路環形線圈分時循環檢測，既保證了系統檢測精度，提高了系統抗串擾性，同時可保證系統檢測實時性。
參考文獻
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