引言
上世紀(jì)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(jī)載式壓實度儀,由于采用數(shù)碼管顯示,沒有采用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù),盡管成本低,但在實際應(yīng)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(yīng)。
在國內(nèi)外現(xiàn)有檢測方法的基礎(chǔ)上,本文對現(xiàn)有的壓實度測量系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。采用了先進(jìn)的DSP芯片作為主控制器,充分利用DSP的高速">

      技術(shù)頻道

      基于DSP的車載式壓實度實時檢測系統(tǒng)設(shè)計

      引言
      上世紀(jì)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(jī)載式壓實度儀,由于采用數(shù)碼管顯示,沒有采用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù),盡管成本低,但在實際應(yīng)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(yīng)。
      在國內(nèi)外現(xiàn)有檢測方法的基礎(chǔ)上,本文對現(xiàn)有的壓實度測量系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。采用了先進(jìn)的DSP芯片作為主控制器,充分利用DSP的高速運算能力,達(dá)到了對被壓實路面壓實度的實時、準(zhǔn)確測量。
      工作原理
      現(xiàn)代壓路機(jī)按壓實原理可分為靜力式壓路機(jī)、振動式壓路機(jī)和沖擊式壓路機(jī)。其中,振動壓路機(jī)是目前國內(nèi)使用最廣泛的一種壓實機(jī)械,其主要由發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、行走裝置和機(jī)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(dāng)振動壓路機(jī)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。


      圖1 壓路機(jī)—路基壓實系統(tǒng)模型

      振動壓路機(jī)模型如圖1所示。在由振動壓路機(jī)—路基組成的壓實系統(tǒng)中,振動輪的動力學(xué)參數(shù)的變化和路面的剛度密切相關(guān),而路面的剛度與壓實度正相關(guān),因此,振動輪的動力學(xué)參數(shù)變化和壓實度密切相關(guān)。通過對振動輪的動力學(xué)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(yīng)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(yīng)變大。
      當(dāng)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(jī)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(jìn)行標(biāo)定,可以實現(xiàn)對壓實度的準(zhǔn)確測量。


      圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖


      硬件系統(tǒng)設(shè)計
      集成系統(tǒng)硬件設(shè)計的基本原則是:安全可靠:硬件設(shè)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(jì)合理:計算機(jī)和外部設(shè)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(chǔ)上,合理選用和設(shè)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(jī)難以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)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(jī)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(dá)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,然后再對數(shù)字信號分別進(jìn)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(jìn)行標(biāo)定,可以用來準(zhǔn)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(jī)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(guān)鍵的部件,通過鍵盤按鍵響應(yīng)與液晶菜單選擇,實現(xiàn)檢測里程設(shè)置、壓路機(jī)參數(shù)設(shè)置、振動頻率顯示、保存、打印等功能。


      圖3 軟件設(shè)計流程


      軟件系統(tǒng)設(shè)計
      軟件是實現(xiàn)集成系統(tǒng)各種功能的關(guān)鍵。軟件設(shè)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(shè)計。這不僅有利于程序的進(jìn)一步擴(kuò)充,而且有利于程序的修改和維護(hù)。
      ②操作性能好。在軟件系統(tǒng)設(shè)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(shè)計相應(yīng)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(dá)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(shè)計流程如圖3所示。其中,按鍵服務(wù)子程序又包括:檢測里程設(shè)置、壓路機(jī)參數(shù)設(shè)置、土類設(shè)置、連續(xù)動態(tài)檢測設(shè)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(chǔ)上,采用先進(jìn)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。■

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