基于DSP的車(chē)載式壓實(shí)度實(shí)時(shí)檢測系統設計
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引言
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/21390.htm上世紀80年代后期，國內開(kāi)始壓實(shí)度計方面的研究，也曾開(kāi)發(fā)出機載式壓實(shí)度儀，由于采用數碼管顯示，沒(méi)有采用先進(jìn)的計算機技術(shù)，盡管成本低，但在實(shí)際應用中效果并不理想。儀器的實(shí)時(shí)性不強，顯示值和實(shí)際測量值不能很好地對應。
在國內外現有檢測方法的基礎上，本文對現有的壓實(shí)度測量系統進(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，達到了對被壓實(shí)路面壓實(shí)度的實(shí)時(shí)、準確測量。
工作原理
現代壓路機按壓實(shí)原理可分為靜力式壓路機、振動(dòng)式壓路機和沖擊式壓路機。其中，振動(dòng)壓路機是目前國內使用最廣泛的一種壓實(shí)機械，其主要由發(fā)動(dòng)機、傳動(dòng)系統、操作系統、行走裝置和機架構成。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構。當振動(dòng)壓路機在作業(yè)時(shí)，振動(dòng)輪帶動(dòng)偏心塊高速旋轉，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。
圖1 壓路機—路基壓實(shí)系統模型 振動(dòng)壓路機模型如圖1所示。在由振動(dòng)壓路機—路基組成的壓實(shí)系統中，振動(dòng)輪的動(dòng)力學(xué)參數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)參數變化和壓實(shí)度密切相關(guān)。通過(guò)對振動(dòng)輪的動(dòng)力學(xué)參數的分析，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)輪的響應小。隨著(zhù)壓實(shí)次數增加，路基的剛度增大，阻尼變小，振動(dòng)輪的響應變大。
當路面的壓實(shí)度增大到一定程度后，由于偏心塊系統的不平衡性及非線(xiàn)性，振動(dòng)壓路機能夠產(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)對基波與二次諧波的比值與壓實(shí)度進(jìn)行標定，可以實(shí)現對壓實(shí)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(mǎn)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(jīng)濟合理：計算機和外部設備在滿(mǎn)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(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，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(jiǎn)稱(chēng)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(dòng)壓路機壓實(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，此信號包含來(lái)自軸承、激振馬達等的干擾波。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(dòng)產(chǎn)生的一次諧波通過(guò)。在lf2407a內部對兩路信號首先進(jìn)行a/d轉換，然后再對數字信號分別進(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)對該值和壓實(shí)度值進(jìn)行標定，可以用來(lái)準確表示壓實(shí)度值變化。
速度傳感器安裝在車(chē)輪上，采集來(lái)的信號輸入a/d采樣通道1，用來(lái)計算振動(dòng)壓路機的行駛速度和里程。
鍵盤(pán)用于輸入用戶(hù)指令，是系統中很關(guān)鍵的部件，通過(guò)鍵盤(pán)按鍵響應與液晶菜單選擇，實(shí)現檢測里程設置、壓路機參數設置、振動(dòng)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(shí)現集成系統各種功能的關(guān)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(jìn)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(shí)，要考慮盡可能降低對操作人員專(zhuān)業(yè)知識的要求，做到系統界面簡(jiǎn)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(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)化率可以達到90%。而且在編程過(guò)程中可以嵌入匯編語(yǔ)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(wù)子程序又包括：檢測里程設置、壓路機參數設置、土類(lèi)設置、連續動(dòng)態(tài)檢測設置、保存、打印、退出等。
結語(yǔ)
本文論述的系統在結合現有檢測技術(shù)的基礎上，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、運行速度，能夠實(shí)現壓實(shí)質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制，精度高、實(shí)時(shí)性強。
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