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1 引言 上世紀80年代后期，國內開始壓實度計方面的研究，也曾開發出機載式壓實度儀，由于采用數碼管顯示，沒有采用先進的計算機技術，盡管成本低，但在實際應用中效果并不理想。儀器的實時性不強，顯示值和實際測量值不能很好地對應。 在國內外現有檢測方法的基礎上，本文對現有的壓實度測量系統進行了改進。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。 2 工作原理 現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使用最廣泛的一種壓實機械，其主要由發動機、傳動系統、操作系統、行走裝置和機架構成。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構。當振動壓路機在作業時，振動輪帶動偏心塊高速旋轉，偏心塊產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中，振動輪的動力學參數的變化和路面的剛度密切相關，而路面的剛度與壓實度正相關，因此，振動輪的動力學參數變化和壓實度密切相關。通過對振動輪的動力學參數的分析，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，振動輪的響應小。隨著壓實次數增加，路基的剛度增大，阻尼變小，振動輪的響應變大。 當路面的壓實度增大到一定程度后，由于偏心塊系統的不平衡性及非線性，振動壓路機能夠產生跳振，因而產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，可以實現對壓實度的準確測量。 圖2 硬件系統結構圖 3 硬件系統設計 集成系統硬件設計的基本原則是：安全可靠：硬件設備要滿足使用環境的溫度、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。經濟合理：計算機和外部設備在滿足測試系統的速度、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、實時性要求高等特點，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(以下簡稱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。經電荷放大器放大后，分為兩路。一路經濾波器濾波，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生的一次諧波通過。在LF2407A內部對兩路信號首先進行A/D轉換，然后再對數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，是系統中很關鍵的部件，通過鍵盤按鍵響應與液晶菜單選擇，實現檢測里程設置、壓路機參數設置、振動頻率顯示、保存、打印等功能。 圖3 軟件設計流程 4 軟件系統設計 軟件是實現集成系統各種功能的關鍵。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，要考慮盡可能降低對操作人員專業知識的要求，做到系統界面簡潔、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，以便在發生故障時，便于查找故障部位。 LF2407A支持匯編語言和C語言編程。使用C語言編程時，其代碼的優化率可以達到90%。而且在編程過程中可以嵌入匯編語言，因此編程靈活、方便。 軟件設計流程如圖3所示。其中，按鍵服務子程序又包括：檢測里程設置、壓路機參數設置、土類設置、連續動態檢測設置、保存、打印、退出等。 5 結語 本文論述的系統在結合現有檢測技術的基礎上，采用先進的DSP，駕駛員可以從顯示器上隨時查看壓實情況、振動頻率、運行速度，能夠實現壓實質量的實時控制，精度高、實時性強。 |
