亮度自适应机动车非接触测速无线显示装置的研究与创新

程序★ 顾娜

（1.江苏省计量科学研究院，江苏 南京 210023；2.南京铁道职业技术学院，江苏 南京 210031）

0 引言

随着我国经济社会的持续快速发展，截至2020年9月，全国机动车保有量达到3.65亿辆，在快速进入汽车社会的现状下，道路交通安全问题就显得尤为重要。机动车测速仪作为道路交通速度监测的重要手段之一，以其测速准确、灵活机动、便于安装等特点，广泛应用于国内外交通安全领域，在实时监测交通情况保障交通安全的同时也为有关部门提供重要执法依据，因此与群众生活息息相关，从而受到全社会的关注和重视。

目前，国内对固定安装在道路上的机动车测速仪，采取模拟检测和现场检测两步进行的方式，由于非接触式测速仪具有准确度较高、使用方便等特点，所以现场检测方式采用非接触式汽车速度计作为现场标准器，将机动车测速仪的示值与标准测速仪示值进行比较，对机动车测速仪的现场测速误差进行检定[1-2]。

1 现有显示方法存在的缺陷

光电非接触式测速仪配套一块速度显示装置，现今标准测速仪的示值主要来源于检测人员对测速抓拍区域的估算，以手动方式对监控显示装置上的标准速度值进行截取。此方法有以下几个缺点：（1）显示装置显示亮度不够，在阴天或隧道里使用时监控相机可以拍清显示装置上的数字，但在晴天阳光直射的条件下，就无法拍清装置上显示的信息；（2）显示信息量不全，显示装置上目前只能显示从非接触测速仪读取的当前速度值，而没有当前时间以及行驶距离等参数，不能作为今后区间测速的标准装置使用；（3）安装连接不便，现有的显示装置需要连接独立电源线、串口数据线，并且需要安装在前车牌位置，为日常检测工作带来了很大的不便。该方法不确定度大、效率低，无法与测速系统的实际抓拍值进行时间点上的吻合。因此，为了进一步提高非接触式测速仪的准确性、安全性及检测效率，亟待设计一种新型的现场显示装置，以准确高效地显示检测车辆的标准速度，克服现行显示装置的缺陷。

2 无线显示方法概述

非接触式无线显示装置采用自主开发软件，将非接触式测速仪的实时速度与行驶距离等信号经过无线方式直接传输至显示装置进行显示，而内置的高精度卫星定位授时模块能将当前的授时信息同时显示。显示装置内集成了一组可充电锂电池，可多次循环使用，单次使用时间最长约4小时，可以完全实现显示装置的无线使用，以适应不同车辆型号以及不同使用场景[3]。

3 系统硬件组成与结构

为实现上述功能，系统硬件由系统控制模块、LED显示/驱动模块、测试传感器数据的无线传输与解码模块以及定位授时模块四部分组成。系统拓扑图如图1所示。

图1 系统拓扑图

3.1 系统控制模块

系统控制模块汇集了定位/授时模块的时间信息和数据传输模块的测速传感器数据，连接LED显示/驱动模块进行显示，主要包括主控芯片及其外围工作电路、高精度晶振、加速度传感器及外围电路等。系统采用Cortex-M3内核的32位ARM微控制器STM32F103作为主控芯片，可以接收定位系统传达的定位授时数据并进行数据解算，通过WiFi实现各种传感器的无线数据连接，避免了繁琐的布线工作，并且系统可以把融合后的数据通过无线传输的方式与外界系统实现数据的同步。通过融合所接收的信息传达至LED显示/驱动模块，可以实现数据的直观显示、实时刷新和亮度控制等功能。速度显示装置采用锂电池组为整个系统提供运行所需的能量，可以达到重复循环使用的效果。系统控制电路的原理图如图2所示。

图2 系统控制LED 显示驱动原理图

3.2 LED显示/驱动模块

系统显示采用加装光学薄膜覆膜的LED高亮度显示阵列，结合PWM控制实现亮度的实时调节，可完成在不同环境光工作情况下的亮度调节，使得无论在强光还是弱光环境下，显示信息都能够被肉眼或摄像头等清晰识别，有效改善了不同类型产品在阴天或隧道等环境光不足的情况下无法清晰显示信息的缺点。同时，采用无线遥控方式控制显示屏的通断，可有效延长系统的工作时间。LED显示驱动使用74HC595芯片实现大电流驱动模式，有工作电压高、工作电流大的优点，灌电流达500mA，可轻松满足LED显示阵列驱动的系统工作需求[4]。PCB板布线图如图3所示。

图3 LED 显示PCB 板布线图

3.3 测试传感器数据的无线传输与解码模块

采用Kistler L-350非接触式光学传感器，可现场捕获机动车的运行参数，含运行速度、行驶距离等。传感器可通过自带RS232、CAN等接口连接数据线进行数据传输，但安装比较繁琐。考虑到现今的WiFi无线传输技术已较为成熟，使用工业级、超低功耗、高速传输的WiFi模块，可稳定可靠地实现显示装置和各种传感器之间的无线数据传输；并可根据需要，制定开发适配于各种传感器的数据传输协议。因此通过自制的无线数据传输模块，将测速传感器的数据快速、准确、便捷地导入本项目系统中，并进行解码[5-7]；其中，无线数据传输模块采用USR-C322。

3.4 定位/授时模块

北斗卫星系统是我国现有的具有高准度、高效率的导航系统，拥有定位、通信、授时等多方面功能；其性能十分可靠，可用于本系统的定位/授时模块，可精准定位高速行驶车辆的准确位置并传输到数据模块当中。而GPS全球定位系统可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。本设计要求系统可以通过定位功能，得出车辆运行的精准信息。选用正点原子S1218的模块，可接收北斗卫星和GPS卫星两种系统的授时信息，自动选择信号稳定的授时来源，保证整套系统能够可靠、稳定地运行[8-10]。

4 系统软件结构

系统通电后，首先将STM32的各种寄存器进行初始化，包含端口配置寄存器、中断配置寄存器等，从而实现各端口的相应功能。初始化完成后，开启定时器，实现定时显示数据等功能；打开串口，实现与外设的串口通信；打开中断，实现中断接收GPS数据。通过中断接收到GPS数据后，更新显示数据堆栈；通过定时器，定时更新时间、速度、里程等信息。其流程图如图4所示。

GPS接收中断是在STM32接收到由GPS模块发送的数据帧后，先读取和搜索数据帧头，再截取完整有效的数据帧，根据NMEA通讯协议，获得UTC时间、瞬时速度等信息后，返回数据。GPS接收中断由GPS模块通讯触发。其流程图如图5所示。

HC595显示中断时，端口初始化由主程序的初始化寄存器完成，根据HC595芯片的使用说明，STM32发送控制字和需要显示的数据，最后刷新显示指令，从而更新显示数据。HC595的显示中断由定时器中断触发，时间间隔可调。其流程图如图6所示。

Kistler L-350非接触式光学传感器中的串行通讯接口输出电平为标准RS-232电平，输出方式为连续数据输出，设定传感器工作参数，使传感器串口数据传输速率与无线通信发送模块一致，一般为9.6kbps。USR-C322的无线数据包由前导码Peramble、地址码ADDR、有效数PAYLOAD(最大为32字节)及CRC校验组成，其中前导码、地址码和CRC校验由无线收发器按模块寄存器配置自动完成。因此，这里仅对数据包中的数据PAYLOAD，进行结构规定如下：每个数据帧共10个字节，其中，第1字节为数据帧起始符；第2字节至第7字节为仪表显示的测量数据(ASCII字符)；第8字节为仪表指示灯状态；第9字节表示数据正负及小数点位置；最后一个字节为数据帧结束标志。其流程图如图7所示。接收模块主程序对自身进行初始化后，进入接收等待状态，监视周围的无线信号，并判断是否有发送模块的数据包装，如果有，则由串口输出所收到的数据。发送及接收模块主函数的流程图如图7和图8所示。

图4主程序流程图

图5GPS 接收中断

图6HC595 显示中断

图7 数据发送流程图

图8 数据接收流程图

6 创新特色

（1）超高亮度显示，亮度可调：采用长寿命、高亮度、高质量的食人鱼型绿色LED灯珠，搭配可靠的LED驱动电源设计，实现自动或手动的亮度调节，无论在强光还是弱光环境下，都能够被肉眼或摄像头等清晰识别。

（2）无线数据传输，使用方便：使用成熟的WiFi无线数据传输技术，实现了传感器等与标准时钟显示装置的数据链接，避免了繁琐不便的布线工作，安装方式更为灵活简便，便于收纳和维护。

（3）北斗卫星授时，可靠稳定：可接收北斗卫星和GPS卫星两种系统的授时信息，自动选择信号稳定的授时来源，保证整套系统可靠稳定地运行。

（4）锂电系统供电，安全环保：使用长寿命锂电池供电，配有电量检测和显示的功能，保障使用过程中的用电安全，且绿色环保。

7 结语

作为计量测试的一种辅助手段，机动车非接触式测速无线显示装置有着广泛的应用前景，使非接触式汽车测速计作为机动车测速仪的现场计量检定工具，测速显示更加精准，能够适应更多显示环境，从而将检测人员从检测速度依靠手动截取的繁琐工作中解放出来，避免繁琐的人工操作带来的测量误差；从而进一步减少因超速行驶所引发的交通事故，保障人民群众的生命、财产安全，与此同时也给交通管理部门的执法提供了更有力的技术保障。