基于DSP的車載式壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
    上世紀(jì)80年代后期，國(guó)內(nèi)開始?jí)簩?shí)度計(jì)方面的研究，也曾開發(fā)出機(jī)載式壓實(shí)度儀，由于采用數(shù)碼管顯示，沒(méi)有采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，盡管成本低，但在實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想。儀器的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，顯示值和實(shí)際測(cè)量值不能很好地對(duì)應(yīng)。
在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，本文對(duì)現(xiàn)有的壓實(shí)度測(cè)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(yùn)算能力，達(dá)到了對(duì)被壓實(shí)路面壓實(shí)度的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量。

工作原理
    現(xiàn)代壓路機(jī)按壓實(shí)原理可分為靜力式壓路機(jī)、振動(dòng)式壓路機(jī)和沖擊式壓路機(jī)。其中，振動(dòng)壓路機(jī)是目前國(guó)內(nèi)使用最廣泛的一種壓實(shí)機(jī)械，其主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、行走裝置和機(jī)架構(gòu)成。振動(dòng)輪是從動(dòng)輪，也是壓實(shí)輪，其采用的是一種不平衡偏心塊式結(jié)構(gòu)。當(dāng)振動(dòng)壓路機(jī)在作業(yè)時(shí)，振動(dòng)輪帶動(dòng)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(dòng)輪將此干擾力傳遞到土壤，使路基產(chǎn)生振動(dòng)，在振動(dòng)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(shí)度增加。

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 圖1 壓路機(jī)—路基壓實(shí)系統(tǒng)模型

    振動(dòng)壓路機(jī)模型如圖1所示。在由振動(dòng)壓路機(jī)—路基組成的壓實(shí)系統(tǒng)中，振動(dòng)輪的動(dòng)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(shí)度正相關(guān)，因此，振動(dòng)輪的動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化和壓實(shí)度密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)振動(dòng)輪的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的分析，可以反映路面壓實(shí)度變化。

    壓實(shí)初期，路基填料比較疏松，壓實(shí)度低，路基的彈性剛度小，因而阻尼大，振動(dòng)輪的響應(yīng)小。隨著壓實(shí)次數(shù)增加，路基的剛度增大，阻尼變小，振動(dòng)輪的響應(yīng)變大。

    當(dāng)路面的壓實(shí)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(dòng)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(shí)度越高，次諧波分量成分也越高。通過(guò)對(duì)基波與二次諧波的比值與壓實(shí)度進(jìn)行標(biāo)定，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓實(shí)度的準(zhǔn)確測(cè)量。

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圖2  硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    集成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(dòng)、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(jì)算機(jī)和外部設(shè)備在滿足測(cè)試系統(tǒng)的速度、存儲(chǔ)容量、兼容性、可靠性的基礎(chǔ)上，合理選用和設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件。

    針對(duì)本系統(tǒng)中涉及的采樣參數(shù)較多、運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，用普通的單片機(jī)難以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因此本系統(tǒng)采用了德州儀器(TI)公司的TMS320LF2407A(以下簡(jiǎn)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(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)輪的軸承上，用來(lái)采集振動(dòng)輪在垂直方向的加速度信號(hào)，此信號(hào)包含來(lái)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(hào)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(dòng)產(chǎn)生的一次諧波通過(guò)。在LF2407A內(nèi)部對(duì)兩路信號(hào)首先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后再對(duì)數(shù)字信號(hào)分別進(jìn)行快速傅立葉變換，最終得到一個(gè)與路基壓實(shí)度成比例的值，通過(guò)對(duì)該值和壓實(shí)度值進(jìn)行標(biāo)定，可以用來(lái)準(zhǔn)確表示壓實(shí)度值變化。
速度傳感器安裝在車輪上，采集來(lái)的信號(hào)輸入A/D采樣通道1，用來(lái)計(jì)算振動(dòng)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(guò)鍵盤按鍵響應(yīng)與液晶菜單選擇，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)里程設(shè)置、壓路機(jī)參數(shù)設(shè)置、振動(dòng)頻率顯示、保存、打印等功能。

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圖3 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    軟件是實(shí)現(xiàn)集成系統(tǒng)各種功能的關(guān)鍵。軟件設(shè)計(jì)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(jì)。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(jì)時(shí)，要考慮盡可能降低對(duì)操作人員專業(yè)知識(shí)的要求，做到系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔、操作方便。
③具有一定的自診斷功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢測(cè)程序，以便在發(fā)生故障時(shí)，便于查找故障部位。

    LF2407A支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編程。使用C語(yǔ)言編程時(shí)，其代碼的優(yōu)化率可以達(dá)到90%。而且在編程過(guò)程中可以嵌入?yún)R編語(yǔ)言，因此編程靈活、方便。
軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。其中，按鍵服務(wù)子程序又包括：檢測(cè)里程設(shè)置、壓路機(jī)參數(shù)設(shè)置、土類設(shè)置、連續(xù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)置、保存、打印、退出等。

結(jié)語(yǔ)
    本文論述的系統(tǒng)在結(jié)合現(xiàn)有檢測(cè)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(shí)查看壓實(shí)情況、振動(dòng)頻率、運(yùn)行速度，能夠?qū)崿F(xiàn)壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制，精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)
1 杜善其. 振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)度實(shí)時(shí)測(cè)量與控制信號(hào)的分析[J]. 壓實(shí)機(jī)械與施工技術(shù)，2004
2 鄧學(xué)欣，王太勇，任成祖，王杏華等. 壓實(shí)度自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，Vol.38