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基于DSP的压路机路面压实度检测系统设计方案解析
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2017-11-26
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上世纪80年代后期，国内开始压实度计方面的研究，也曾开发出机载式压实度仪，由于采用数码管显示，没有采用先进的计算机技术，尽管成本低，但在实际应用中效果并不理想。仪器的实时性不强，显示值和实际测量值不能很好地对应。
在国内外现有检测方法的基础上，本文对现有的压实度测量系统进行了改进。采用了先进的DSP芯片作为主控制器，充分利用DSP的高速运算能力，达到了对被压实路面压实度的实时、准确测量。
工作原理
现代压路机按压实原理可分为静力式压路机、振动式压路机和冲击式压路机。其中，振动压路机是目前国内使用最广泛的一种压实机械，其主要由发动机、传动系统、操作系统、行走装置和机架构成。振动轮是从动轮，也是压实轮，其采用的是一种不平衡偏心块式结构。当振动压路机在作业时，振动轮带动偏心块高速旋转，偏心块产生的离心力就成为干扰力。振动轮将此干扰力传递到土壤，使路基产生振动，在振动轮自身重力和冲击力的作用下，路基土壤颗粒间的摩擦力和粘结力被克服，小的颗粒填充到大颗粒土的空隙中，路基的压实度增加。
图1 压路机—路基压实系统模型
振动压路机模型如图1所示。在由振动压路机—路基组成的压实系统中，振动轮的动力学参数的变化和路面的刚度密切相关，而路面的刚度与压实度正相关，因此，振动轮的动力学参数变化和压实度密切相关。通过对振动轮的动力学参数的分析，可以反映路面压实度变化。
压实初期，路基填料比较疏松，压实度低，路基的弹性刚度小，因而阻尼大，振动轮的响应小。随着压实次数增加，路基的刚度增大，阻尼变小，振动轮的响应变大。
当路面的压实度增大到一定程度后，由于偏心块系统的不平衡性及非线性，振动压路机能够产生跳振，因而产生特殊的次谐波分量。而且压实度越高，次谐波分量成分也越高。通过对基波与二次谐波的比值与压实度进行标定，可以实现对压实度的准确测量。
图2 硬件系统结构图
硬件系统设计
集成系统硬件设计的基本原则是：安全可靠：硬件设备要满足使用环境的温度、湿度、振动、粉尘等要求。有足够的抗干扰能力：硬件系统有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常的必要条件。经济合理：计算机和外部设备在满足测试系统的速度、存储容量、兼容性、可靠性的基础上，合理选用和设计系统硬件。
针对本系统中涉及的采样参数较多、运算量大、实时性要求高等特点，用普通的单片机难以达到系统设计要求。因此本系统采用了德州仪器（TI）公司的TMS320LF2407A（以下简称LF2407A）处理器作为主控芯片。
硬件系统基本结构如图2所示，加速度传感器安装在振动压路机压实轮的轴承上，用来采集振动轮在垂直方向的加速度信号，此信号包含来自轴承、激振马达等的干扰波。经电荷放大器放大后，分为两路。一路经滤波器滤波，去掉干扰波信号后，送入A/D采样通道2；另一路经谐波滤波器，送入A/D采样通道3，此处谐波滤 波器的作用是仅使振动产生的一次谐波通过。在LF2407A内部对两路信号首先进行A/D转换，然后再对数字信号分别进行快速傅立叶变换，最终得到一个与路基压实度成比例的值，通过对该值和压实度值进行标定，可以用来准确表示压实度值变化。
速度传感器安装在车轮上，采集来的信号输入A/D采样通道1，用来计算振动压路机的行驶速度和里程。
键盘用于输入用户指令，是系统中很关键的部件，通过键盘按键响应与液晶菜单选择，实现检测里程设置、压路机参数设置、振动频率显示、保存、打印等功能。
在国内外现有检测方法的基础上，本文对现有的压实度测量系统进行了改进。采用了先进的DSP芯片作为主控制器，充分利用DSP的高速运算能力，达到了对被压实路面压实度的实时、准确测量。
工作原理
现代压路机按压实原理可分为静力式压路机、振动式压路机和冲击式压路机。其中，振动压路机是目前国内使用最广泛的一种压实机械，其主要由发动机、传动系统、操作系统、行走装置和机架构成。振动轮是从动轮，也是压实轮，其采用的是一种不平衡偏心块式结构。当振动压路机在作业时，振动轮带动偏心块高速旋转，偏心块产生的离心力就成为干扰力。振动轮将此干扰力传递到土壤，使路基产生振动，在振动轮自身重力和冲击力的作用下，路基土壤颗粒间的摩擦力和粘结力被克服，小的颗粒填充到大颗粒土的空隙中，路基的压实度增加。
图1 压路机—路基压实系统模型
振动压路机模型如图1所示。在由振动压路机—路基组成的压实系统中，振动轮的动力学参数的变化和路面的刚度密切相关，而路面的刚度与压实度正相关，因此，振动轮的动力学参数变化和压实度密切相关。通过对振动轮的动力学参数的分析，可以反映路面压实度变化。
压实初期，路基填料比较疏松，压实度低，路基的弹性刚度小，因而阻尼大，振动轮的响应小。随着压实次数增加，路基的刚度增大，阻尼变小，振动轮的响应变大。
当路面的压实度增大到一定程度后，由于偏心块系统的不平衡性及非线性，振动压路机能够产生跳振，因而产生特殊的次谐波分量。而且压实度越高，次谐波分量成分也越高。通过对基波与二次谐波的比值与压实度进行标定，可以实现对压实度的准确测量。
图2 硬件系统结构图
硬件系统设计
集成系统硬件设计的基本原则是：安全可靠：硬件设备要满足使用环境的温度、湿度、振动、粉尘等要求。有足够的抗干扰能力：硬件系统有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常的必要条件。经济合理：计算机和外部设备在满足测试系统的速度、存储容量、兼容性、可靠性的基础上，合理选用和设计系统硬件。
针对本系统中涉及的采样参数较多、运算量大、实时性要求高等特点，用普通的单片机难以达到系统设计要求。因此本系统采用了德州仪器（TI）公司的TMS320LF2407A（以下简称LF2407A）处理器作为主控芯片。
硬件系统基本结构如图2所示，加速度传感器安装在振动压路机压实轮的轴承上，用来采集振动轮在垂直方向的加速度信号，此信号包含来自轴承、激振马达等的干扰波。经电荷放大器放大后，分为两路。一路经滤波器滤波，去掉干扰波信号后，送入A/D采样通道2；另一路经谐波滤波器，送入A/D采样通道3，此处谐波滤 波器的作用是仅使振动产生的一次谐波通过。在LF2407A内部对两路信号首先进行A/D转换，然后再对数字信号分别进行快速傅立叶变换，最终得到一个与路基压实度成比例的值，通过对该值和压实度值进行标定，可以用来准确表示压实度值变化。
速度传感器安装在车轮上，采集来的信号输入A/D采样通道1，用来计算振动压路机的行驶速度和里程。
键盘用于输入用户指令，是系统中很关键的部件，通过键盘按键响应与液晶菜单选择，实现检测里程设置、压路机参数设置、振动频率显示、保存、打印等功能。
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