基于DSP的壓路機路面壓實度檢測系統(tǒng)設(shè)計方案解析

上世紀80年代后期，國內(nèi)開始壓實度計方面的研究，也曾開發(fā)出機載式壓實度儀，由于采用數(shù)碼管顯示，沒有采用先進的計算機技術(shù)，盡管成本低，但在實際應(yīng)用中效果并不理想。儀器的實時性不強，顯示值和實際測量值不能很好地對應(yīng)。
　　在國內(nèi)外現(xiàn)有檢測方法的基礎(chǔ)上，本文對現(xiàn)有的壓實度測量系統(tǒng)進行了改進。采用了先進的DSP芯片作為主控制器，充分利用DSP的高速運算能力，達到了對被壓實路面壓實度的實時、準確測量。
　　工作原理
　　現(xiàn)代壓路機按壓實原理可分為靜力式壓路機、振動式壓路機和沖擊式壓路機。其中，振動壓路機是目前國內(nèi)使用最廣泛的一種壓實機械，其主要由發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、行走裝置和機架構(gòu)成。振動輪是從動輪，也是壓實輪，其采用的是一種不平衡偏心塊式結(jié)構(gòu)。當振動壓路機在作業(yè)時，振動輪帶動偏心塊高速旋轉(zhuǎn)，偏心塊產(chǎn)生的離心力就成為干擾力。振動輪將此干擾力傳遞到土壤，使路基產(chǎn)生振動，在振動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，路基的壓實度增加。
　　
　　圖1 壓路機—路基壓實系統(tǒng)模型
　　振動壓路機模型如圖1所示。在由振動壓路機—路基組成的壓實系統(tǒng)中，振動輪的動力學參數(shù)的變化和路面的剛度密切相關(guān)，而路面的剛度與壓實度正相關(guān)，因此，振動輪的動力學參數(shù)變化和壓實度密切相關(guān)。通過對振動輪的動力學參數(shù)的分析，可以反映路面壓實度變化。
　　壓實初期，路基填料比較疏松，壓實度低，路基的彈性剛度小，因而阻尼大，振動輪的響應(yīng)小。隨著壓實次數(shù)增加，路基的剛度增大，阻尼變小，振動輪的響應(yīng)變大。
　　當路面的壓實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。而且壓實度越高，次諧波分量成分也越高。通過對基波與二次諧波的比值與壓實度進行標定，可以實現(xiàn)對壓實度的準確測量。
　　
　　圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　硬件系統(tǒng)設(shè)計
　　集成系統(tǒng)硬件設(shè)計的基本原則是：安全可靠：硬件設(shè)備要滿足使用環(huán)境的溫度、濕度、振動、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)濟合理：計算機和外部設(shè)備在滿足測試系統(tǒng)的速度、存儲容量、兼容性、可靠性的基礎(chǔ)上，合理選用和設(shè)計系統(tǒng)硬件。
　　針對本系統(tǒng)中涉及的采樣參數(shù)較多、運算量大、實時性要求高等特點，用普通的單片機難以達到系統(tǒng)設(shè)計要求。因此本系統(tǒng)采用了德州儀器（TI）公司的TMS320LF2407A（以下簡稱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壓路機壓實輪的軸承上，用來采集振動輪在垂直方向的加速度信號，此信號包含來自軸承、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產(chǎn)生的一次諧波通過。在LF2407A內(nèi)部對兩路信號首先進行A/D轉(zhuǎn)換，然后再對數(shù)字信號分別進行快速傅立葉變換，最終得到一個與路基壓實度成比例的值，通過對該值和壓實度值進行標定，可以用來準確表示壓實度值變化。
　　速度傳感器安裝在車輪上，采集來的信號輸入A/D采樣通道1，用來計算振動壓路機的行駛速度和里程。
　　鍵盤用于輸入用戶指令，是系統(tǒng)中很關(guān)鍵的部件，通過鍵盤按鍵響應(yīng)與液晶菜單選擇，實現(xiàn)檢測里程設(shè)置、壓路機參數(shù)設(shè)置、振動頻率顯示、保存、打印等功能。