基于DSP的車載式壓實度實時檢測系統(tǒng)設計

引言

上世紀80年代后期，國內(nèi)開始壓實度計方面的研究，也曾開發(fā)出機載式壓實度儀，由于采用數(shù)碼管顯示，沒有采用先進的計算機技術，盡管成本低，但在實際應用中效果并不理想。儀器的實時性不強，顯示值和實際測量值不能很好地對應。

在國內(nèi)外現(xiàn)有檢測方法的基礎上，本文對現(xiàn)有的壓實度測量系統(tǒng)進行了改進。采用了先進的dsp芯片作為主控制器，充分利用dsp的高速運算能力，達到了對被壓實路面壓實度的實時、準確測量。

工作原理

現(xiàn)代壓路機按壓實原理可分為靜力式壓路機、振動式壓路機和沖擊式壓路機。其中，振動壓路機是目前國內(nèi)使用最廣泛的一種壓實機械，其主要由發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、行走裝置和機架構成。振動輪是從動輪，也是壓實輪，其采用的是一種不平衡偏心塊式結構。當振動壓路機在作業(yè)時，振動輪帶動偏心塊高速旋轉(zhuǎn)，偏心塊產(chǎn)生的離心力就成為干擾力。振動輪將此干擾力傳遞到土壤，使路基產(chǎn)生振動，在振動輪自身重力和沖擊力的作用下，路基土壤顆粒間的摩擦力和粘結力被克服，小的顆粒填充到大顆粒土的空隙中，路基的壓實度增加。

壓實初期，路基填料比較疏松，壓實度低，路基的彈性剛度小，因而阻尼大，振動輪的響應小。隨著壓實次數(shù)增加，路基的剛度增大，阻尼變小，振動輪的響應變大。

當路面的壓實度增大到一定程度后，由于偏心塊系統(tǒng)的不平衡性及非線性，振動壓路機能夠產(chǎn)生跳振，因而產(chǎn)生特殊的次諧波分量。而且壓實度越高，次諧波分量成分也越高。通過對基波與二次諧波的比值與壓實度進行標定，可以實現(xiàn)對壓實度的準確測量。

集成系統(tǒng)硬件設計的基本原則是：安全可靠：硬件設備要滿足使用環(huán)境的溫度、濕度、振動、粉塵等要求。有足夠的抗干擾能力：硬件系統(tǒng)有完善的抗干擾措施，是保證系統(tǒng)精度、工作正常的必要條件。經(jīng)濟合理：計算機和外部設備在滿足測試系統(tǒng)的速度、存儲容量、兼容性、可靠性的基礎上，合理選用和設計系統(tǒng)硬件。

針對本系統(tǒng)中涉及的采樣參數(shù)較多、運算量大、實時性要求高等特點，用普通的單片機難以達到系統(tǒng)設計要求。因此本系統(tǒng)采用了德州儀器(ti)公司的tms320lf2407a(以下簡稱lf2407a)處理器作為主控芯片。

硬件系統(tǒng)基本結構如圖2所示，加速度傳感器安裝在振動壓路機壓實輪的軸承上，用來采集振動輪在垂直方向的加速度信號，此信號包含來自軸承、激振馬達等的干擾波。經(jīng)電荷放大器放大后，分為兩路。一路經(jīng)濾波器濾波，去掉干擾波信號后，送入a/d采樣通道2；另一路經(jīng)諧波濾波器，送入a/d采樣通道3，此處諧波濾波器的作用是僅使振動產(chǎn)生的一次諧波通過。在lf2407a內(nèi)部對兩路信號首先進行a/d轉(zhuǎn)換，然后再對數(shù)字信號分別進行快速傅立葉變換，最終得到一個與路基壓實度成比例的值，通過對該值和壓實度值進行標定，可以用來準確表示壓實度值變化。

速度傳感器安裝在車輪上，采集來的信號輸入a/d采樣通道1，用來計算振動壓路機的行駛速度和里程。

鍵盤用于輸入用戶指令，是系統(tǒng)中很關鍵的部件，通過鍵盤按鍵響應與液晶菜單選擇，實現(xiàn)檢測里程設置、壓路機參數(shù)設置、振動頻率顯示、保存、打印等功能。

軟件系統(tǒng)設計

軟件是實現(xiàn)集成系統(tǒng)各種功能的關鍵。軟件設計的基本原則是：

①結構合理。程序采用結構模塊化設計。這不僅有利于程序的進一步擴充，而且有利于程序的修改和維護。

②操作性能好。在軟件系統(tǒng)設計時，要考慮盡可能降低對操作人員專業(yè)知識的要求，做到系統(tǒng)界面簡潔、操作方便。

③具有一定的自診斷功能。系統(tǒng)設計相應的檢測程序，以便在發(fā)生故障時，便于查找故障部位。

lf2407a支持匯編語言和c語言編程。使用c語言編程時，其代碼的優(yōu)化率可以達到90%。而且在編程過程中可以嵌入?yún)R編語言，因此編程靈活、方便。

軟件設計流程如圖3所示。其中，按鍵服務子程序又包括：檢測里程設置、壓路機參數(shù)設置、土類設置、連續(xù)動態(tài)檢測設置、保存、打印、退出等。

結語

本文論述的系統(tǒng)在結合現(xiàn)有檢測技術的基礎上，采用先進的dsp，駕駛員可以從顯示器上隨時查看壓實情況、振動頻率、運行速度，能夠?qū)崿F(xiàn)壓實質(zhì)量的實時控制，精度高、實時性強。