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          基于DSP的車載式壓實度實時檢測系統(tǒng)設計

          ——
          作者:北京交通大學機電學院 申建德 譚南林 邢然 時間:2006-10-14 來源:電子設計應用 收藏

          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(shù),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。采用了先進的芯片作為主控制器,充分利用的高速運算能力,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)代按壓實原理可分為靜力式、振動式和沖擊式壓路機。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(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jié)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。

                                              壓路機—路基壓實系統(tǒng)模型
                                                圖1 壓路機—路基壓實系統(tǒng)模型

          振動壓路機模型如圖1所示。在由振動壓路機—路基組成的壓實系統(tǒng)中,振動輪的動力學參數(shù)的變化和路面的剛度密切相關,而路面的剛度與壓實度正相關,因此,振動輪的動力學參數(shù)變化和壓實度密切相關。通過對振動輪的動力學參數(shù)的分析,可以反映路面壓實度變化。

          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。

                               硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
                                                    圖2  硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖


          硬件系統(tǒng)設計

          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(jié)構(gòu)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。

                                                       軟件設計流程
                                                           圖3 軟件設計流程


          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(jié)構(gòu)合理。程序采用結(jié)構(gòu)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(jié)語

          本文論述的系統(tǒng)在結(jié)合現(xiàn)有檢測技術(shù)的基礎上,采用先進的,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。

          參考文獻

          1 杜善其. 振動壓路機壓實度實時測量與控制信號的分析[J]. 壓實機械與施工技術(shù),2004
          2 鄧學欣,王太勇,任成祖,王杏華等. 壓實度自動檢測技術(shù)及其應用[J]. 西南交通大學學報,2003,Vol.38



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