张永忠，张军强，李颖宏

（北方工业大学 城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室，北京 100144）

车辆检测器是现代交通控制系统中的基础设施，其主要检测对象包括检测车辆的行驶速度、流量、占有率、车间距等信息。现阶段车辆检测器主要有环形线圈检测器、视频检测器、RFID检测器及磁映像检测器等。视频检测器采用图像处理技术设置路面虚拟线圈完成车辆检测，具有无需破坏路面、支持多种交通流信息检测的优势。但其易受光照强度、空间障碍物等干扰，环境适应能力较差。磁映像检测器采用AMR磁阻感知方式，利用车辆通过对地磁场扰动进行检测，对路面破坏较少，但检测灵敏度欠佳[1]。环形线圈检测器在全天候、高精度车辆检测方面有其他检测器无法比拟的优势[2-3]。针对现实中要求车辆检测器适应不同环境、抗串扰的问题，本文基于等精度测频法设计原理，同时，在软件上采用分时选通工作方式，完成16路检测节点车辆检测功能，避免相邻线圈串扰，提高系统抗干扰性。

1 系统设计原理

环形线圈车辆检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，由埋设在路面下的环形线圈、信号检测处理单元及馈线三部分组成。埋设在路面下的环形线圈与检测器内的电容共同构成LC振荡器。根据电磁感应原理，当有车辆经过环形线圈上方时，产生的涡流效应占主导作用，促使线圈电感量减小，导致振荡器实时振荡频率f增大，处理器通过比较实时振荡频率f与本底频率F的差异，判断是否有车辆存在或通过[4-6]。

本设计采用多路分时选通方法使CPU内部计数器与外部计时器协同工作，基于硬件原理实现等精度测频，有效避免了因相邻线圈串扰造成测频误差[2，4]。 同时，为了增加环形线圈检测器的鲁棒性，在采样数据处理中采用滑动中值滤波算法，提高错误数据容错能力。采用故障自恢复软件处理算法，保障系统在复杂多变外界环境下的自适应能力。保证系统低成本、高精度地完成16路检测节点车辆检测。

2 硬件设计

2.1 主体构成

本系统采用精简指令集ATmega128微处理器完成16路车辆检测节点逻辑判断。系统主要由16路环形线圈耦合电路、测频部分、显示部分、检测部分及通信部分构成。主体框图如图1所示。

图1 系统主体框架图

2.2 耦合电路

环形线圈耦合电路采用电容三点振荡电路，由环形线圈与电路反馈电容决定震荡频率。考虑涡流效应及实际环形线圈电感量范围（国标 GB/T26942-2011：50 μH～700 μH）， 选择震荡电路激励频率在 40 kHz～200 kHz之间。根据振荡电路频率变化特性曲线及实际环形线圈调整耦合电路反馈电容值可得系统最佳检测灵敏度[2]。可控震荡耦合电路原理如图2所示。

图2 LC耦合震荡电路

2.3 频率采集

系统检测灵敏度的关键在于采样信号的准确性和实时性。该模块基于等精度测频法硬件原理，使用ATmega128内部16位计数器与外部16位计数器协同工作，经D触发器转换，保证外部计数器与内部计数器硬件同步使能。根据支路信号频率的不同，灵活改变闸门时间，使多路震荡信号在整个测频区域内等时间地保持恒定的测量精度。外部计数器采用11.059 2 MHz标准频率信号在实际闸门内计数[7-8]。等精度测频原理如图3所示。

图3 频率测量原理图

使用Fluke示波器采集实际工作波形，如图4所示。

图4 多路分时选通测频工作波形

图4中，波形A为单片机输出的D触发器控制信号，高电平计数器使能。波形B为4路震荡信号分时选通后的4组波形，波形C、D为其中两路使能后的震荡波形。通过波形观测可知，检测支路选通后可精确对N个波形进行同步计数（图示2个周期）。

2.4 端口扩展

系统采用ATmega128单处理器对16路环形线圈进行检测，输入、输出控制信号较多。灵活使用数字逻辑电路对I/O端口进行扩展。使用4线16线译码器芯片74HC154实现对16路耦合振荡电路分时选通控制功能，使用CD4012与非门将16路检测信号传输至频率采集电路，分时完成多路检测节点信号采集。分别由3片74HC595串入并出移位寄存器及8片74HC165并入串出移位寄存器完成16路检测节点工作状态指示及灵敏度设置。

2.5 通信及信息存储

采用RS-485总线通信方式完成信息配置及数据通信，适用于实际路口交通信号机与多个检测器组网连接。通过EEPROM芯片24C64对16支路检测节点地址进行唯一编号，存储检测交通流历史数据。

2.6 隔离保护

环形线圈输入、输出电路分别采用光耦CPC1030N及1:1变压器隔离，经压敏电阻及防雷管保护，防止雷击等瞬间过电压对检测电路造成损坏，增强系统抗干扰性。

3 软件设计

3.1 系统软件构成

系统软件采用模块化分层设计，主要由控制模块、测频模块、报警模块、显示模式和数据通信模块组成，以完成16路检测节点逻辑判断。同时，采用分时选通采样方式，对采样数据进行自适应中值滤波处理，提高系统抗干扰性。系统软件主体流程如图5所示。

图5 软件设计主体流程图

3.2 测频部分

测频部分是系统检测精度的关键。采用等精度测频法，使用ATmega128内部计数器与外部计数器协同工作，使多路震荡信号在整个测频区域内保持恒定的测量精度。

内部计数器对被测信号的个数进行计数，输出比较引脚OC1C产生可变频率的外部计数器使能信号，同步使能外部计数器在特定时间内对标准频率进行计数。启动线圈震荡后，因LC震荡电路起振时间及支路切换时间造成波形稳定性问题，采用CTC模式改变OC3C比较输出电平决定是否使能外部计数器。前C1个脉冲用于稳定震荡频率，之后C2个脉冲信号再启动外部计数器同步计数，实现频率测量。根据线圈的实际电感调节门限计数器的计数使能时间t2，使各检测支路等时间、等精度地完成频率采集，提高检测灵敏度。实际波形如图4所示，测频部分流程图如图6所示。

3.3 鲁棒性设计

图6 频率测量流程图

在实际应用环境中，LC震荡电路谐振频率易受环境的影响而产生频率漂移及瞬间干扰。采样信号需经滤波处理后进行报警逻辑判断及本底频率产生。针对采样信号干扰特性，采用5位滑动中值滤波算法处理后产生有效逻辑判断信号，增强系统鲁棒性[9]。采样信号经滤波后有效地消除了随机噪声，滤波效果如图7所示。本设计采用20位自适应滑动中值滤波处理算法，每隔t时刻存储一次采样数据，对缓冲数组数据进行中值排序，产生本底频率。根据系统稳定时间及采样值与本底频率差值temp决定刷新间隔时间t。采用不同刷新时间增强对环境的自适应能力，如下所示：

3.4 报警逻辑

通过多路分时选通对采样频率与本底频率进行比较，并实时刷新报警。基于状态机原理，将系统状态分为无车状态、车辆存在、车辆驶过和错误数据。分类处理增强了检测可靠性和对错误数据的容错处理能力。系统具有故障自诊断能力，可根据震荡频率变化对线圈开路、短路和电路故障状态进行分类判断。

4 测试效果

4.1 多路切换检测稳定性

对于等精度测频法在环形线圈车辆检测器中的应用，本文取不同电感对采样频率进行测量，取5 000个样本数据进行稳定性分析，频率采样值直方图如图7所示。其中采样值n0为在N个被测频率fx时间内，对标准频率f0的计数个数，即 n0=N·f0/fx。

图7 等精度测频采样数据分析表

4.2 实际效果

使用30 cm×30 cm环形线圈模拟地埋线圈，50 cm×70 cm铁板模拟车辆驶过，可正常感应铁板存在并输出报警，具体测试效果如图8所示。

图8 车辆通过采样数据趋势图

该环形线圈检测器已应用于实际路口进行测试，试验效果良好。根据采样数据可进一步对车型分类，对道路车流量、瞬时车速及时间占有率进行分析计算。

系统采用等精度测频法实现车辆检测功能。基于多路震荡电路多路选通原理分时完成16路检测节点信号产生、信号采样及信号处理。经实际验证，90 ms内可完成16路车辆检测节点逻辑判断功能，可满足160 km/h以下车速实时性检测。采用16路环形线圈分时循环检测，既保证了系统检测精度，提高了系统抗串扰性，同时可保证系统检测实时性。

[1]孔俊丽，周重阳，朱雨婷.基于磁阻传感器的无线车辆检测器的设计[J].微型机与应用，2012，29(3)：17-19.

[2]谢秋金，李晓菲，董衍旭，等.基于可变计数门限的车检器设计[J].电子技术应用，2012，38(1)：21-23.

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[4]赵艳秋，刘桂香，王广义.环形线圈车辆检测器的研究[J].微计算机信息，2007，25(7)：266-268.

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