基于DSP的車載式壓實度實時檢測系統設計

圖1 壓路機—路基壓實系統模型

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中,振動輪的動力學參數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變化和壓實度密切相關。通過對振動輪的動力學參數的分析,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,由于偏心塊系統的不平衡性及非線性,振動壓路機能夠產生跳振,因而產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,可以實現對壓實度的準確測量。

圖2 硬件系統結構圖

硬件系統設計
集成系統硬件設計的基本原則是：安全可靠：硬件設備要滿足使用環境的溫度、濕度、振動、粉塵等要求。有足夠的抗干擾能力：硬件系統有完善的抗干擾措施,是保證系統精度、工作正常的必要條件。經濟合理：計算機和外部設備在滿足測試系統的速度、存儲容量、兼容性、可靠性的基礎上,合理選用和設計系統硬件。
針對本系統中涉及的采樣參數較多、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設計要求。因此本系統采用了德州儀器(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。經電荷放大器放大后,分為兩路。一路經濾波器濾波,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生的一次諧波通過。在LF2407A內部對兩路信號首先進行A/D轉換,然后再對數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,是系統中很關鍵的部件,通過鍵盤按鍵響應與液晶菜單選擇,實現檢測里程設置、壓路機參數設置、振動頻率顯示、保存、打印等功能。

圖3 軟件設計流程

軟件系統設計
軟件是實現集成系統各種功能的關鍵。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。在軟件系統設計時,要考慮盡可能降低對操作人員專業知識的要求,做到系統界面簡潔、操作方便。
③具有一定的自診斷功能。系統設計相應的檢測程序,以便在發生故障時,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,其代碼的優化率可以達到90%。而且在編程過程中可以嵌入匯編語言,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、壓路機參數設置、土類設置、連續動態檢測設置、保存、打印、退出等。
結語
本文論述的系統在結合現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,能夠實現壓實質量的實時控制,精度高、實時性強。■