無人值守智能路基形變參數(shù)自動采集系統(tǒng)及信號處理方法與流程
本發(fā)明涉及一種無人值守智能路基形變參數(shù)自動采集系統(tǒng)及信號處理方法。
背景技術：
路基、路面是公路的重要組成部分，其性能直接關系到道路本身的使用壽命。由于我國高等級公路建設起步較晚，技術力量薄弱，我國氣候和交通荷載條件惡劣，再加上車輛超載嚴重，進而造成許多高等級公路路面的早期損壞，近年來，我國高等級路面過早的出現(xiàn)了車轍、開裂、泛油等損壞現(xiàn)象，嚴重的影響了道路的使用和人們的交通出行，如何防治高等級瀝青路面早期損壞已引起了我國道路交通部門的高度重視，是目前急需解決的重大課題。
目前路基形變測試多是在提前設計好的試驗路上開展，通過預先埋設的應變傳感器反映道路的變形情況?，F(xiàn)有測試方法需要測試人員每年選定有代表性的時段，到實驗路段采用采集系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)測試及分析工作，由于測試人員無法長期駐守測試，因此采集的數(shù)據(jù)量有限；此外，由于測試人員無法連續(xù)進行信號的測試分析，因此測試的數(shù)據(jù)無法完整準確的反應路基的形變情況。由此可見，現(xiàn)有的測試方法效率低且測試費用高；另外，由于技術人員無法長期駐守，無法得到完整的路面形變數(shù)據(jù)。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種無人值守智能路基形變參數(shù)自動采集系統(tǒng)及信號處理方法，本發(fā)明通過預埋的應變傳感器測試道路的應變情況，傳感器的信號通過本發(fā)明提出的智能監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)自動測試及存儲，能夠有效消除干擾信號對測試結果的影響。
本發(fā)明的第一目的是提供一種無人值守智能路基形變參數(shù)自動采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過預埋的應變傳感器測試道路的應變情況，傳感器的信號通過本發(fā)明提出的智能監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)自動測試及存儲，具備無人值守自動運行功能，能夠滿足路基形變長期監(jiān)測的要求。
本發(fā)明的第二目的是提供一種無人值守智能路基形變參數(shù)信號處理方法，本發(fā)明能夠有效消除干擾信號對測試結果的影響，能夠有效的提高信號的信噪比，得到的分析結果可用于分析道路受力特性，為高速公路的養(yǎng)護、維修及道路狀況的評估提供科學依據(jù)，具有廣闊的應用前景。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
一種無人值守智能路基形變參數(shù)自動采集系統(tǒng)，包括供電電源、車輛到位感知模塊和數(shù)據(jù)采集存儲單元，其中：
所述供電電源，包括鋰電池組及太陽能充電系統(tǒng)，鋰電池組產(chǎn)生直流電源供給車輛到位感知模塊及數(shù)據(jù)采集存儲單元，當鋰電池組電量降低至下限時，太陽能充電系統(tǒng)自動開啟給電池組供電。
所述供電電源將直流電供給車輛到位感知模塊和數(shù)據(jù)采集存儲單元，所述車輛到位感知模塊包括激光測距傳感器、傳感器信號處理電路、控制器及通訊電路，激光測距傳感器固定在路邊，當車輛到達傳感器安裝位置時觸發(fā)傳感器信號，該信號經(jīng)傳感器信號處理電路整形處理后傳送給控制器，控制器根據(jù)該信號確定車輛是否到位，如果車輛到位則利用通訊電路觸發(fā)數(shù)據(jù)采集存儲單元；
所述數(shù)據(jù)采集存儲單元接收觸發(fā)信號后，利用壓阻效應實時測量路基形變參數(shù)，開始進行數(shù)據(jù)采集及存儲。
所述數(shù)據(jù)采集存儲單元包括多個路基形變測試傳感器、采集板及主控制器，所述路基形變測試傳感器為全橋式應變傳感器，路基形變測試傳感器信號接入采集板，所述采集板將路基形變測試傳感器測量的電阻信號轉化為電壓信號，傳輸給主控制器進行數(shù)據(jù)采集。
所述采集板包括單片機、模數(shù)轉換模塊、可調增益放大器、差分運算放大器和惠斯通電橋，其中，惠斯通電橋連接路基形變測試傳感器，通過惠斯通電橋將傳感器輸出的電阻信號轉化為電壓信號，處理后的信號依次經(jīng)過差分運算放大器、低通濾波電路及可調增益放大器進入模數(shù)轉換模塊的采樣通道中，主控制器通過模數(shù)轉換模塊采集路基形變測試傳感器的信號。
所述采集板中設有電源模塊，進行電壓轉換，分別送入差分運算放大器和可調增益放大器中，以保證能夠對正負全橋傳感器信號進行處理。
所述路基形變測試傳感器為全橋式應變傳感器，在外力作用下，導體或半導體材料產(chǎn)生機械變形，從而引起材料電阻值發(fā)生相應變化，將被測物體的應變轉換成與之成正比關系的電阻相對變化量。
所述主控制器，包括主控單片機、靜態(tài)ram、文件管理芯片和時鐘芯片，其中，主控單片機接收到車輛到位感知模塊傳送的車輛到位命令后，開始控制每個采集板依次采集多個通道的信號，靜態(tài)ram芯片將上述采集過程數(shù)據(jù)進行暫時存儲；本次采樣結束后，在空檔時間，靜態(tài)ram芯片的數(shù)據(jù)通過文件管理芯片轉存至存儲器中，每個數(shù)據(jù)采集時刻對應的實時時鐘芯片的時間同步存入存儲器中。
基于上述系統(tǒng)的信號處理方法，包括以下步驟：
(1)車輛到位感知模塊檢測待測路段是否有車輛進入，當車輛進入時，車輛到位感知模塊給主控制器發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令；
(2)主控制器控制各個采集板的模數(shù)轉換模塊采集路基形變測試傳感器的信號，每次采集結束，都將當前時間同步保存至存儲器；
(3)上位機從存儲器中提取數(shù)據(jù)，根據(jù)各通道的系數(shù)將存儲的數(shù)字信號轉化為對應的物理量，對各通道的數(shù)據(jù)進行濾波處理，發(fā)送實時時鐘參數(shù)和通道增益參數(shù)給主控制器，實現(xiàn)時間校準及通道增益設置。
所述步驟(1)中，車輛到位感知模塊連接主控制器，當無車輛到來時，數(shù)據(jù)采集存儲單元處于待機狀態(tài)；當車輛到位感知模塊輸出信號時，則主控制器控制整個系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。
所述步驟(2)中，采集的各通道信號首先暫存于ram芯片；當采集過程結束后，將數(shù)據(jù)從ram中轉存入存儲器中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久保存。
所述步驟(3)中，利用小波去噪的方法對數(shù)據(jù)進行濾波處理，具體為：選用適當?shù)男〔ɑ胺纸鈱訑?shù)對實測的信號進行分解，對閾值進行估計，確定閾值的范圍，在小波分解結果中保留超出這個閾值的系數(shù)而截掉小于閾值的系數(shù)，再通過小波重構，得到去除干擾后的有效信號。
進一步的，所述步驟(3)中，閾值的確定采用折中極值估計算法實現(xiàn)，噪聲信號假設為未知回歸函數(shù)的統(tǒng)計量，以實現(xiàn)最大均方誤差的最小化。
所述步驟(3)中，采用最小二乘法消除采集的應變信號的基準線偏移問題。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：
1)本發(fā)明提出的測試系統(tǒng)具備無人值守功能，可以實現(xiàn)路基應變參數(shù)的自動采集，系統(tǒng)使用過程中安裝在實驗路段附近即可，不再需要實驗人員在現(xiàn)場親自進行數(shù)據(jù)的測試工作，從而降低了數(shù)據(jù)測試的人力及物力消耗，有效的提高了數(shù)據(jù)測試的效率。
2)本發(fā)明提出的測試系統(tǒng)采用蓄電池供電，通過太陽能電池板給蓄電池充電；此外，當無車輛駛入實驗路段時數(shù)據(jù)采集存儲單元進入待機狀態(tài)，有效降低整個系統(tǒng)的能耗水平，有效延長系統(tǒng)的工作時間，能夠采集更多的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)測試的完整性。
3)測試系統(tǒng)的自動化程度高，通過車輛到位感知模塊自動判斷車輛到位信息，進而控制數(shù)據(jù)采集存儲單元采集路基應變數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)實時存儲至flash存儲器中。通過上位機軟件可以有效的去除干擾成分的影響，提高信號的信噪比，為路基應變特征參數(shù)的提取奠定基礎。
4)本發(fā)明具備無人值守功能，且能夠長期自動開展測試工作的智能采集分析系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能、長時間監(jiān)測，有效積累路基形變數(shù)據(jù)。
附圖說明
構成本發(fā)明的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。
圖1為本發(fā)明提出方法的整體結構示意圖；
圖2為數(shù)據(jù)采集存儲模塊結構示意圖；
圖3為主控制器功能示意圖；
圖4為采集板功能示意圖；
圖5為車輛到位感知模塊功能示意圖；
圖6為上位機軟件功能示意圖；
圖7為flash存儲器數(shù)據(jù)存儲格式示意圖；
圖8(a)-圖8(b)為基準線調整前后的對比曲線；
圖9(a)-圖9(c)為常規(guī)濾波方法及小波濾波方法的對比結果；
具體實施方式：
下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本發(fā)明提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復數(shù)形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
正如背景技術所介紹的，現(xiàn)有技術中存在需要測試人員每年選定有代表性的時段，到實驗路段采用采集系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)測試及分析工作，由于測試人員無法長期駐守測試，因此采集的數(shù)據(jù)量有限；此外，由于測試人員無法連續(xù)進行信號的測試分析，因此測試的數(shù)據(jù)無法完整準確的反應路基的形變情況。由此可見，現(xiàn)有的測試方法效率低且測試費用高；另外，由于技術人員無法長期駐守，無法得到完整的路面形變數(shù)據(jù)的不足，為了解決如上的技術問題，本發(fā)明提出了一種無人值守智能路基形變參數(shù)自動采集系統(tǒng)及方法，通過車輛到位感知模塊連接主控制器，多個路基形變測試傳感器分別通過一個采集板連接主控制器，前端觸發(fā)傳感器無信號輸出時，則主控制器處于待機狀態(tài)，采集板處于斷電狀態(tài)，整個系統(tǒng)處于低功耗模式；當車輛到位感知模塊輸出信號時，則主控制器控制電源電路給各采集板供電，整個系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。實測路基形變信號包含干擾成分的影響，為此本發(fā)明提出了一套完善的信號處理方法，首先通過最小二乘法去除應變信號基準線偏離零線的問題；進而通過小波去除干擾信號的方法，消除噪聲的影響，提高信號的信噪比；最后，提出求導方法用于對處理后的信號求導得到峰值點所處時刻，最終提取信號峰值及峰值間的間隔參數(shù)。本發(fā)明提出的方法具備無人值守自動運行功能，能夠滿足路基形變長期監(jiān)測的要求，得到的分析結果可用于分析道路受力特性，為高速公路的養(yǎng)護、維修及道路狀況的評估提供科學依據(jù)，具有廣闊的應用前景。
一種無人值守智能道路路基形變參數(shù)自動采集系統(tǒng)，包括供電電源、車輛到位感知模塊和數(shù)據(jù)采集存儲單元，其中：
所述供電電源，包括鋰電池組及太陽能充電系統(tǒng)，鋰電池組產(chǎn)生直流電源供給車輛到位感知模塊及數(shù)據(jù)采集存儲單元，當鋰電池組電量降低至下限時，太陽能充電系統(tǒng)自動開啟給電池組供電。
所述供電電源將直流電供給車輛到位感知模塊和數(shù)據(jù)采集存儲單元，所述車輛到位感知模塊包括激光測距傳感器、傳感器信號處理電路、控制器及通訊電路，激光測距傳感器固定在路邊，當車輛到達傳感器安裝位置時觸發(fā)傳感器信號，該信號經(jīng)傳感器信號處理電路整形處理后傳送給控制器，控制器根據(jù)該信號確定車輛是否到位，如果車輛到位則利用通訊電路觸發(fā)數(shù)據(jù)采集存儲單元，開始進行數(shù)據(jù)采集及存儲；
所述數(shù)據(jù)采集存儲單元接收觸發(fā)信號后，利用壓阻效應實時測量路基形變參數(shù)。
所述數(shù)據(jù)采集存儲單元包括多個路基形變測試傳感器、采集板及主控制器，所述路基形變測試傳感器為全橋式應變傳感器，路基形變測試傳感器信號接入采集板，所述采集板將路基形變測試傳感器測量的電阻信號轉化為電壓信號，傳輸給主控制器進行數(shù)據(jù)采集。
所述采集板包括單片機、模數(shù)轉換模塊、可調增益放大器、差分運算放大器和惠斯通電橋，其中，惠斯通電橋連接路基形變測試傳感器，通過惠斯通電橋將傳感器輸出的電阻信號轉化為電壓信號，處理后的信號依次經(jīng)過差分運算放大器、低通濾波電路及可調增益放大器進入模數(shù)轉換模塊的采樣通道中，主控制器通過模數(shù)轉換模塊采集路基形變測試傳感器的信號。
所述采集板中設有電源模塊，將12v電壓轉正負5v電壓，分別送入差分運算放大器和可調增益放大器中，以保證能夠對正負全橋傳感器信號進行處理。
所述路基形變測試傳感器為全橋式應變傳感器，在外力作用下，導體或半導體材料產(chǎn)生機械變形，從而引起材料電阻值發(fā)生相應變化，將被測物體的應變轉換成與之成正比關系的電阻相對變化量。
所述主控制器，包括主控單片機、靜態(tài)ram、文件管理芯片和時鐘芯片，其中，主控單片機接收到車輛到位感知模塊傳送的車輛到位命令后，開始控制每個采集板依次采集24個通道的信號，靜態(tài)ram芯片將上述采集過程數(shù)據(jù)進行暫時存儲；本次采樣結束后，在空檔時間，靜態(tài)ram芯片的數(shù)據(jù)通過文件管理芯片轉存至大容量flash存儲器中，每個數(shù)據(jù)采集時刻對應的實時時鐘芯片的時間同步存入大容量flash存儲器中。
基于上述系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：
(1)車輛到位感知模塊檢測待測路段是否有車輛進入，當車輛進入時，車輛到位感知模塊給主控制器發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令；
(2)主控制器控制各個采集板的模數(shù)轉換模塊采集路基形變測試傳感器的信號，每次采集結束，都將當前時間同步保存至大容量flash存儲器；
(3)利用上位機軟件從大容量flash存儲器中提取數(shù)據(jù)，上位機軟件根據(jù)各通道的系數(shù)將存儲的數(shù)字信號轉化為對應的物理量；進而對各通道的數(shù)據(jù)進行濾波處理，提高信號的信噪比，處理后的信號可以存盤；此外，通過上位機軟件可以發(fā)送實時時鐘參數(shù)和通道增益參數(shù)給主控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)時間校準及通道增益設置。
所述步驟(1)中，車輛到位感知模塊連接主控制器，當無車輛到來時，數(shù)據(jù)采集存儲單元處于待機狀態(tài)；當車輛到位感知模塊輸出信號時，則主控制器控制整個系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。
所述步驟(2)中，為保證數(shù)據(jù)采集的實時性，采集的各通道信號首先暫存于ram芯片；當采集過程結束后，將數(shù)據(jù)從ram中轉存入大容量flash存儲器中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久保存。
所述步驟(3)中，信號測試過程受到干擾成分的影響，為此本文提出了改進的信號處理方法，可以有效的消除干擾成分的影響，盡量多的保留有效成分；通過本文提出的信號處理方法可以有效提高信號的信噪比，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析奠定基礎。
本發(fā)明提出的系統(tǒng)主要包括4部分：太陽能充電鋰電池組電源、車輛到位感知模塊、數(shù)據(jù)采集存儲單元及上位機分析軟件。其中前3部分布置在測試現(xiàn)場，用于實時在線測試并存儲車輛沖擊路面產(chǎn)生的應變數(shù)據(jù)；而上位機分析軟件用于對測試的信號進行預處理，提高信噪比，進而提取路基應變特征參數(shù)。
太陽能充電鋰電池組電源用于為車輛到位感知模塊和數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)供電，采用太陽能充電保證系統(tǒng)可以長期運行。車輛到位感知模塊是整個系統(tǒng)最前端的部分，用于感知車輛是否進入應變傳感器安裝區(qū)域。數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)能夠測試最多24路全橋應變信號，并將采集的數(shù)據(jù)轉存至大容量flash存儲器。
上位機軟件具備以下功能：從大容量flash存儲器中提取測試數(shù)據(jù)；通過改進的小波分析方法有效提高信號的信噪比；通過曲線形式顯示各通道實測數(shù)據(jù)及處理后數(shù)據(jù)；提取應變峰值、峰值間隔及車速等關鍵時域特征參數(shù)；處理后的數(shù)據(jù)可以進行存盤處理，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的分析；設置數(shù)據(jù)采集存儲單元的實時時鐘及各通道的系數(shù)；對各通道的系數(shù)進行標定，實現(xiàn)系統(tǒng)測試結果的快速校正。
本發(fā)明提出的測試方法不再需要專門的人員在現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)測試，而是由系統(tǒng)自動完成，可以節(jié)省大量的人力物力消耗；系統(tǒng)可以長期持續(xù)工作，能夠更完整的獲取路基應變數(shù)據(jù)。
1.硬件系統(tǒng)介紹
本發(fā)明提出的方法涉及的硬件系統(tǒng)主要包括太陽能充電鋰電池組電源、車輛到位感知模塊及數(shù)據(jù)采集存儲單元等三部分。
1)太陽能充電鋰電池組電源
太陽能充電鋰電池組電源包括鋰電池組及太陽能充電系統(tǒng)兩部分，鋰電池組產(chǎn)生12v的直流電源供給車輛到位感知模塊及數(shù)據(jù)采集存儲單元。為了保證系統(tǒng)能夠長期工作，當鋰電池組電量降低至下限時，太陽能充電系統(tǒng)自動開啟給電池組充電，通過這種方式保證系統(tǒng)可以長期運行。
2)車輛到位感知模塊
車輛到位感知模塊包括激光測距傳感器、傳感器信號處理電路、單片機及通訊電路等四部分。激光測距傳感器固定在路邊，當車輛到達傳感器安裝位置時觸發(fā)傳感器信號，該信號經(jīng)施密特觸發(fā)電路整形處理后傳送給單片機，單片機根據(jù)該信號確定車輛是否到位，如果車輛到位則利用通訊電路告知數(shù)據(jù)采集存儲單元，開始進行數(shù)據(jù)采集及存儲。
3)數(shù)據(jù)采集存儲單元
數(shù)據(jù)采集存儲單元包括路基形變測試傳感器、采集板及主控制器等三部分。路基形變測試采用的傳感器為全橋式應變傳感器，該傳感器利用壓阻效應設計。該傳感器輸出電阻信號，在采集板中通過惠斯通電橋將電阻信號轉化為電壓信號。數(shù)據(jù)采集存儲單元配備有1塊主控制器和3塊采集板，每塊采集板能夠處理8路應變傳感器信號，故系統(tǒng)最多能處理及采集24路應變信號。
采集板上有stc12c2052ad單片機、2.5v恒壓源、lm258運算放大器、ad526可調增益放大器及max197高速模數(shù)轉換芯片等組成。采集板具備以下作用：1)通過恒壓源給各應變傳感器供電；2)通過惠斯通電橋將全橋應變傳感器輸出的電阻信號轉化為電壓信號；3)通過lm258運算放大器搭建的差分運放電路對電壓信號進行放大；4)通過低通濾波器對信號進行濾波處理，提高信號的信噪比；5)通過ad526可編程放大器實現(xiàn)各通道信號增益的調整。
主控制器上有stc12c5a60s2單片機、74hc573地址鎖存器、625128高速靜態(tài)ram、ch376s文件管理芯片、pcf8563實時時鐘芯片、max705硬件看門狗芯片及max232串口芯片等組成。當主控制器接收到車輛到位感知模塊傳送的車輛到位命令后，開始控制每個采集板上的max197芯片依次采集24個通道的信號。由于系統(tǒng)采集的應變信號為瞬態(tài)信號，采集時間長且數(shù)據(jù)量大，為此采用高速靜態(tài)ram芯片625128實現(xiàn)采集過程數(shù)據(jù)的暫時存儲；本次采樣結束后，在稍長的空檔時間，將625128中的數(shù)據(jù)通過ch376s轉存至大容量flash存儲器中，對數(shù)據(jù)進行長久保存。為了將每次采集時的時間記錄下來，將數(shù)據(jù)采集時刻對應的實時時鐘芯片pcf8563的時間同步存入大容量flash存儲器中。
為了實現(xiàn)各通道增益的調整，將數(shù)據(jù)采集存儲單元連接至上位機軟件，通過上位機軟件向主控制器單片機傳送增益設置參數(shù)，主控制器單片機通過串口將各參數(shù)依次發(fā)給每個采集板的單片機stc12c2052ad，由該單片機控制各ad526實現(xiàn)各通道增益的設置。為了實現(xiàn)實時時鐘芯片的時間校準，可以通過上位機軟件給主控制器單片機發(fā)送時間信息，主控制器單片機通過iic總線對實時時鐘芯片pcf8563進行校準。
2.軟件分析方法介紹
本發(fā)明提出的方法包括三個主要功能：1)從大容量flash存儲器中讀取數(shù)據(jù)；2)對讀取的數(shù)據(jù)進行去噪處理；3)從處理后的信號中提取表征路基應變的特征參數(shù)及采樣參數(shù)的設置。
1)從大容量flash存儲器中讀取數(shù)據(jù)
為了準確獲取每次車輛經(jīng)過傳感器時的路基應變瞬時數(shù)據(jù)，裝置需要高速采集各傳感器的信息，假定車輛以60km/h通過10米距離這段時間內能夠以2khz的頻率采集24路信號，所需存儲容量估算：
a)60km/h通過10米需要時間約：0.6s
b)單通道2khz，共24個通道，相當于48khz的采樣頻率
c)每個數(shù)據(jù)都是2個字節(jié)，相當于每秒要采集96k字節(jié)的數(shù)據(jù)
d)假定車輛通過前后都需要一定的時間余量，按總時間2s算
e)2s對應的數(shù)據(jù)量為96k*2＝192k個字節(jié)
由上可知，每輛車經(jīng)過裝置時，都會產(chǎn)生192k個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都將存入大容量flash存儲器中，為了保證數(shù)據(jù)存儲的有效性，在數(shù)據(jù)存儲過程按以下協(xié)議進行：每組采樣數(shù)據(jù)的第一行的前6個字節(jié)采用特定數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)頭，這一行接下來的6個字節(jié)分別存儲年月日時分秒信息；數(shù)據(jù)的最后一行用12個特定數(shù)據(jù)作為本組采樣數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)尾。數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾之間為采樣的各通道數(shù)據(jù)，每一行都為4個通道的數(shù)據(jù)，包括通道號，數(shù)據(jù)高字節(jié)及數(shù)據(jù)低字節(jié)，共計12個字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)解析時按照這個格式提取數(shù)據(jù)，從而獲得這組數(shù)據(jù)的采樣時間及整個采集過程各通道的采樣數(shù)據(jù)。
2)采樣數(shù)據(jù)去噪處理
應變傳感器在采集過程受到干擾信號的影響，測試的信號中包含干擾成分，不利于有效信號的提取。為此，在信號分析之前，首先通過信號去噪方法去除干擾信號的影響。常規(guī)濾波算法設定濾波頻帶后，有效信號及干擾信號在該頻段內的信號將同時被去除，這種方法可能對有效信號的幅值產(chǎn)生衰減，進而影響信號的分析。為此，本方法提出了采用小波去噪的方法，該方法利用噪聲是一種隨機信號的特點，通過設定合理閾值將干擾信號去除，盡量保留有效成分。
通過分析發(fā)現(xiàn)采集的應變信號主要存在基準線偏離零線及噪聲信號耦合導致實測信號的信噪比低兩個問題。
a)基準線偏離零線問題處理方法
為了消除基準線偏離零線的問題，本發(fā)明提出采用最小二乘法消除基準線偏移問題的思路，具體的實現(xiàn)算法如下：
假定實測的應變信號數(shù)據(jù)為yk(k＝1,2,3，…，m)，用一個階數(shù)為n的多項式y(tǒng)‘k反應基準線與零線的偏差量，則y‘k的表達式如下所示：
y‘k＝x0+x1k+x2k2+…+xnkn
根據(jù)最小二乘法的原理，偏差量y‘k的各未知系數(shù)xj(j＝0,1，…，n)使得y‘k與離散數(shù)據(jù)yk的誤差平方和q最小，即：
誤差平方和q具有極值的條件為：
依次取q對xi求偏導，可產(chǎn)生n+1元線性方程組：
解方程組，得到n+1個待定系數(shù)xj(j＝0,1，…，n)，通過上述分析方法得到測試信號基準線偏離零線的值，在此基礎上從實測信號中減去偏離值，實現(xiàn)基準線的調整。
b)噪聲信號去除方法
有效應變信號的頻帶范圍基本確定，干擾信號的頻帶則不確定，常規(guī)數(shù)字濾波方法可以設定濾波的頻帶，并將該頻帶的信號能量去除；如果干擾信號的頻帶與有效應變信號的頻帶重疊，采用常規(guī)濾波方法會將有效應變信號一同去除，導致有效信號的能量衰減。為了消除這個問題，本發(fā)明中提出采用小波方法對測試的信號進行處理，提高信號的信噪比，該方法的主要實現(xiàn)過程如下：
首先選用適當?shù)男〔ɑ胺纸鈱訑?shù)對實測的信號進行分解：
其中，小波基函數(shù)為
小波分解完畢后，需要進行去除干擾的處理，由于干擾信號是一種隨機信號，其方差未知，實際去干擾的過程需首先對閾值進行估計，確定閾值的范圍，然后在小波分解結果中保留超出這個閾值的系數(shù)而截掉小于閾值的系數(shù)。閾值的確定采用折中極值估計算法實現(xiàn)。噪聲信號可以假設為未知回歸函數(shù)的統(tǒng)計量，折中極值估計算法與未知回歸函數(shù)估計算法原理相近，折中極值估計算法可以實現(xiàn)最大均方誤差的最小化。折中極值估計算法對于采樣點數(shù)少的情況，閾值設為0，當采樣點數(shù)多時，則按下式估計閾值：
對小波分解的結果，按照閾值進行調整后，再通過小波重構，得到去除干擾后的有效信號，通過這種方式消除干擾的影響。
3)路基應變特征參數(shù)提取及采樣參數(shù)的設定
將去噪處理后的信號通過各通道系數(shù)的調整，轉化為實際應變值；通過本裝置提供的算法可以自動計算應變的峰值及相鄰峰值的間隔；為了便于事后分析，可以將濾波處理后的數(shù)據(jù)進行存儲。此外，為了便于調整測試的結果，可以通過軟件設置各通道的增益；實現(xiàn)主控制器實時時鐘芯片時間的校準；對各采集通道進行標定，保證各通道測試結果的準確性。
在自動計算峰值及峰值的間隔時，提出以下求導處理方法，且通過對比分析，認為采用前后10點計算導數(shù)的求導方法較為合理。在計算應變表征參數(shù)時，首先通過下述公式對小波處理后的應變信號進行求導，導數(shù)為0的點即峰值點或谷值點，結合導數(shù)為0時刻數(shù)據(jù)的應變值，確定峰值所在的位置，根據(jù)各峰值的出現(xiàn)時刻確定峰值之間的間隔。
式中，i表示采樣點的序號；
yi為第i個采樣點求導后的結果；
xi+j代表第i+j個采樣點。
作為一種典型的實施方式，如圖1所示，本發(fā)明提出的實現(xiàn)方法包括4部分：太陽能充電鋰電池組電源、車輛到位感知模塊、數(shù)據(jù)采集存儲單元及上位機分析軟件。其中前3部分布置在測試現(xiàn)場，車輛到位感知模塊用于確定車輛是否到達路基應變測試區(qū)域，如果車輛到位則發(fā)送命令控制數(shù)據(jù)采集存儲單元采集路基應變數(shù)據(jù)，每個車輛產(chǎn)生的路基應變數(shù)據(jù)都存儲至大容量flash存儲器中。上述工作過程均自動實現(xiàn)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)無人值守工作。通過太陽能充電鋰電池組電源給上述兩個部件供電，保證整個系統(tǒng)可以長期工作。上位機分析軟件用于從大容量flash存儲器中讀出數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行去噪處理波及特征參數(shù)提取等工作；此外，通過上位機軟件還可以對數(shù)據(jù)采集存儲單元各測試通道進行標定，設置數(shù)據(jù)采集存儲單元的實時時鐘及各通道增益等參數(shù)。
如圖2所示，系統(tǒng)包括1塊主控制器及3塊采集板。每塊采集板能夠處理8路應變信號，故系統(tǒng)最多能處理及采集24路通道信號。主控制器采用stc12c5a60s2單片機作為控制核心，一旦系統(tǒng)需要采集數(shù)據(jù)時，2.5v恒壓源將電壓送給全橋應變傳感器，傳感器輸入的信號依次經(jīng)過差分運算放大器、低通濾波電路及可調增益放大器進入max197芯片的采樣通道中。主控制器單片機依次控制每個采集板上的max197芯片采集24通道的信號，采集的每通道信號都隨即存儲至高速靜態(tài)ram中，直到各通道數(shù)據(jù)采集和暫存完畢后，主控制器單片機將ram中暫存的各通道數(shù)據(jù)、實時時鐘記錄的時間，通過ch376s存入大容量flash存儲器中。為了實現(xiàn)各通道增益的調整，主控制器單片機可以接收上位機傳送的增益設置參數(shù)，并通過串口將各參數(shù)依次發(fā)給每個采集板的單片機stc12c2052ad，并由該單片機控制各ad526實現(xiàn)對應增益的設置。主控制器單片機還可以根據(jù)接收的上位機傳送的時鐘數(shù)據(jù)對實時時鐘芯片的工作進行配置。
如圖3所示，主控制器以stc12c5a60s2單片機為控制核心；主控制器單片機對各外圍器件進行控制管理，包括各通道增益設置、各通道數(shù)據(jù)采集及暫存、日期時間設置及當前時間讀取、大容量flash存儲器的訪問等功能。采用74hc573地址鎖存器及625128高速靜態(tài)ram作為暫存單元，存放采集過程的臨時數(shù)據(jù)；采用ch376s文件管理芯片擴展大容量flash存儲器接口電路；采用pcf8563實時時鐘芯片記錄每次采樣的時刻；通過max705硬件看門狗芯片保證整個工作的可靠性；此外采用max232芯片實現(xiàn)了2路串口通訊功能，1路串口通訊與上位機軟件連接用于接收控制參數(shù)，另外，該路串口還可與車輛到位感知模塊連接，用于接收到位信息；另一路串口則用于同各采集板的單片機相連，發(fā)送各通道的增益參數(shù)。
如圖4所示，采集板電路通過2.5v恒壓源mc1403給各全橋應變傳感器供電，傳感器輸出信號首先送入lm258運算放大器進行差分放大，同時通過低通濾波電路對信號進行處理；初步處理的信號送入ad526可調增益放大器中對放大倍數(shù)進行二次調節(jié)；調節(jié)后的電壓信號送入max197模數(shù)轉換單元中進行采集，采集后的信號暫存至主控制器的高速ram中；為了保證能夠對正負全橋傳感器信號進行處理，采集板中通過12v轉正負5v開關電源模塊產(chǎn)生正負電壓，并送給lm258和ad526；ad526的增益調整則通過板載的小型單片機stc12c2052ad進行控制。
如圖5所示，車輛到位感知模塊以freescaledz60單片機為控制核心，主要是利用該單片機的輸入捕捉及串口通訊功能，實現(xiàn)車輛到位判斷及向數(shù)據(jù)采集存儲模塊發(fā)出控制命令的功能。首先通過三極管將到位傳感器的信號進行降幅，使得信號的高電平為5v；降幅處理后的信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器4093整形后成為ttl電平的脈沖信號，將該信號送入單片機的輸入捕獲引腳，當車輛到位時觸發(fā)中斷，單片機據(jù)此確定車輛到位。單片機一方面會通過狀態(tài)指示電路顯示車輛到位信息；另外，通過max232串口通訊電路給數(shù)據(jù)采集存儲單元發(fā)送命令，控制其開始采集路基應變數(shù)據(jù)。另外，車輛到位感知模塊通過6組指示燈指示當前系統(tǒng)的狀態(tài)，方便操作人員了解當前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。當車輛到位時，到位指示燈亮起；數(shù)據(jù)采集存儲單元工作在不同階段，如數(shù)據(jù)開始采集、結束采集、開始存儲數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)存儲完畢時，數(shù)據(jù)采集存儲單元的主控制器會向車輛到位感知模塊發(fā)送狀態(tài)命令，模塊收到命令后會控制對應的指示燈亮起，指示當前系統(tǒng)的狀態(tài)。
圖6為上位機軟件功能示意圖，軟件主要具備3個功能：1)flash存儲器數(shù)據(jù)提?。?)采樣數(shù)據(jù)去噪處理；3)路基應變特征參數(shù)提取及采樣參數(shù)的設定。
flash存儲器數(shù)據(jù)提取時，需要導入的數(shù)據(jù)量大，如果定義靜態(tài)數(shù)組，由于靜態(tài)數(shù)組存放在棧區(qū)，數(shù)組大小受到限制，每次導入的數(shù)據(jù)量少，需要多次導入，進而影響數(shù)據(jù)導入的速度。本方法提出在數(shù)據(jù)導入時采用動態(tài)數(shù)組方式，動態(tài)數(shù)組定義在堆空間，可以定義更大的存儲空間，一次可以導入更多數(shù)據(jù)，進而提高數(shù)據(jù)導入效率。
圖7為大容量flash存儲器中數(shù)據(jù)存儲格式示意圖，數(shù)據(jù)導入過程中按預定的存儲規(guī)則進行，首先導入每組采樣數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)頭及數(shù)據(jù)采集發(fā)生的時間信息；然后，依次導入每組采樣的數(shù)據(jù)，每組采樣數(shù)據(jù)包括多行數(shù)據(jù)，其中，每行數(shù)據(jù)均為4個通道的數(shù)據(jù)，每個通道的數(shù)據(jù)都占三個字節(jié)，依次為通道號、采樣數(shù)據(jù)高位及低位，共計12個字節(jié)的數(shù)據(jù)；當遇到表征數(shù)據(jù)尾的一行數(shù)據(jù)時，表明本組采樣的數(shù)據(jù)全部讀取結束；繼而，開始下一組數(shù)據(jù)的導入過程；最終完成整個數(shù)據(jù)的導入。
圖8(a)為實際測試的道路應變信號波形，由圖可見，由于傳感器使用過程中自身存在變形等原因，導致輸出信號的基準線偏離零線，圖8(b)為圖8(a)中的信號經(jīng)基準線調整后的結果，由圖可見，通過該處理方法可以有效消除基準線偏離零線的問題。
常規(guī)數(shù)字濾波方法處理的效果，由圖9(a)可見，當干擾信號的頻帶與有效信號頻帶重疊少時，濾波方法可以得到較好的處理效果；由圖9(b)所示，當干擾信號的頻帶與有效信號重疊多時，常規(guī)濾波方法將有效信號的能量衰減較大，不利于信號峰值的提取。圖9(c)為小波處理的效果，從處理后信號的幅值看，該方法在消除干擾成分的基礎上，盡量保留有效信號的能量，信號的能量衰減較小。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。
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