关键词：超声检测 信号处理 CPU接口
0 序 言
超声脉冲回波技术是历史最久、应用最广的一种超声无损检测技术。它具有安全、可靠、精度高、可操作性强、维护简便等一系列优点。而目前被广泛使用的单片机则具有可靠性好、易于扩展、控制功能强等特点。因此，我们尝试将超声检测手段与单片机技术结合起来，综合两者的优点，集成为一个基于单片机的超声检测系统，以期更好的解决交通量的自动检测记录的问题，并能在经济性、方便性、智能性和可操作性上优于同功能产品 。
1 仪器的检测原理及数学模型的建立
1.1 物理原理
本交通量检测系统采用的是超声脉冲回波法，它所利用的是超声波在声阻抗率不同的媒质界面处产生反射的原理。收发一体的超声探头安装在车辆经过道路的上方适当高度处，在主机电信号的激励下，它以一定的时间间隔向垂直于路面方向发射超声脉冲。当声波传播至路面时，由于空气与路面声阻抗率的显著差异，将产生反射波沿原路折回并被探头接收，成为标志探头至路面距离的背景信号。当有车辆从超声探头下经过时，超声波向地面的传播即被阻断，探头接收的将只有车顶的回波信号。该信号触发超声发射电路，使探头发射下一个声脉冲。这种过程不断地重复，便得到一个脉冲系列。将回波信号由后续电路进行分析处理，即可完成对交通量的检测和记录。
按照脉冲声传播的规律，在探头敏感元件直径、工作频率和脉冲持续时间相同的情况下，传声媒质的声速越低（即波长越短），检测所能达到的空间分辨力越高。而空气几乎是声速最低（常温下约为340m／s）的媒质，回波中包含的目标物结构信息更容易检测出来。再者，当超声波的工作频率大大高于环境噪声频率时，就会有较强的抗干扰能力。交通量自动检测记录系统恰恰利用了这些特点和规律。
1.2 车辆高度的检测
收发一体的超声探头安装于道路上方高为H处（一般由空中架线或安装专用龙门架解决，如图1所示）。探头发射超声波向下辐射，遇到车辆由下方通过，其顶部将使超声波发生反射并被同一探头接收（见图2）。设声速为C，自探头发出超声脉冲至收到回波信号的时间间隔为T，车辆高度为D，则有：
D＝H－C·T／2 （1）
1.3 车辆速度的检测
将探头为成组安装于道路上方，每个车道上相距L的两个探头同时工作（见图2）。当车辆自奇数号探头向偶数号探头行驶时，若其速度为V，由奇数号探头下方与到达偶数号探头下方时间差为△T1，则有：
1.4 车辆长度的检测
当车辆通过探头下方时，必然会有一个持续时间。若车辆头尾到达同一探头时间差为△T2，车辆长度为d，则有：
1.5 车辆分型的判别
对于车辆分型的判别，我们采用的是模糊判别法。由于车辆的外形轮廓的差别，其超声回波也会不尽相同。具体言之，根据超声波的传播规律，回波信号的大小当与车辆外形 、反射面的几何尺寸有关。故从车辆的外形基本上可以确定其类型。而车长d，车高D又是反映车辆外形的主要参数，再结合车速V，我们可以建立一个与L、D、V相关的函数E，即：
E＝F（D、L、V） （4）
通过计算E，再将E与寄存在计算机内的车型参量进行比较，算出相关度，即可将车辆分型。
2 仪器结构组成及硬件实现
仪器主要由声路部件与计算机系统两部分组成（如图3所示）。声路部件的主要任务是超声检测信号的发射与超声回波信号的提取。计算机系统的主要任务是信号的控制、分析及处理。
2.1 声路部件
声路部分的最关键部件是超声探头，它承担着发射超声脉冲及接收回波信号的重要任务，其性能直接关系到仪器的灵敏度和检测精度等重要指标。其中实现电／声和声／电转换的是采用弯曲振动模式的锆钛酸铅（PZT）换能器，它可以在空气媒质中获得较高的发射、接收效率。此外，我们在换能器前方安装了耦合片和喇叭型的塑料辐射罩，这样不但提高了换能器的发射效率、接收灵敏度，而且获得了良好的指向性，解决了探头间声波干扰的问题，实现了在同一车道由成组探头联合检测，提高了车型的分辨力。
2.2 计算机系统的设计及技术实现
仪器的总体电路是一个以P8031芯片为CPU的具有64K外部ROM，64K静态RAM，支持4位LED数码显示，5个功能键键盘输入，有并行打印机接口的计算机系统。由于整个系统较大 ，在仪器的设计上我们采用了主从式多单片机系统进行联合控制。主机的任务是：系统管理、初值设定、通过串行通讯接口发送各种命令和初值、接收从机发来的数据、对数据进行运算处理并输出最终结果。从机的任务是：接收主机的命令，按主机的命令对现场探头的输出信号进行采集，并将采集好的数据通过串行接口向主机发送，从而实现高速、可靠的检测（其原理框图见图4）。
仪器电路的工作原理是：首先由主机发出一个发射命令，从机接收命令后，控制收／发切换电路使其自动切换到发射电路，发射电路发出电压窄脉冲以激励探头。探头响应激励发出超声波脉冲，超声波脉冲遇到目标车辆后，产生回波。这时，控制电路切换到接收电路，通过探头，接收电路收到目标回波信号。经过信号预处理电路，将目标回波信号处理为计算机使用的数字信号，这些信号经过从机的处理，从而得到目标车辆的速度、高度、长度等一系列参数。同时，从机调用外存储器中的程序，将数据进行程序上的判别，以确定目标车辆的类型，将分型后的信号分门别类的进行累加，并将数据通过串口电路发送给主机。主机接收数据后，进行统计分析，然后列表寄放在寄存器中，以便传输给输出设备。整个系统的功能通过键盘设置好之后，控制时钟按功能完成定长时间或整日的交通量的统计。
2.2.1 单片机的选择
单片机是整个仪器系统的核心部分，其性能直接决定了整个系统的性能。由于Intel公司MCS－51系列芯片是目前在国内应用最广泛、技术最成熟，且功能较完善的产品，故我们选用其中的PP8031芯片作为仪器的CPU。PP8031芯片是一种无片内ROM型的单片机，它具有128字节的片内RAM，5个中断源（含2个优先级），2个16位定时／计数器，32条I／O总线，其最高时钟频率为12MHz。
P8031的优点在于其速度快、功能强大。而更为重要的在于其性能稳定，且和多种芯片兼容（如P8051）易于替换。对于整个系统来讲，这一点尤为重要。
2.2.2 存储容量的扩展
虽然PP8031具有较强的功能，但仍然有美中不足之处。由于该芯片片内无集成程序存储器，且片内RAM亦只有128字节，存储容量非常小，因此，必须对 P8031进行存储容量的扩展。在其外围配置的设计上我们采用了Intel公司的UVEPROM（紫外线擦除）存储器芯片2764（可存放65536个二进制八位程序代码）及静态RAM存储器芯片6264（可存放65536个二进制八位实时数据）。
我们注意到，由于P8031内外数据存储器都是单独计算地址，不免造成一定的重复区 ，而在其指令集中提供了MOV和MOVX两种不同的命令（MOV用于内部数据RAM传送，MOVX用于外部RAM数据传送），因此在编程的时候特别注意不将其混淆。
2.2.3 外部中断源的扩展
P8031芯片提供了两个外部中断源，两个中断优先级。对于交通量自动检测记录这样一个复杂的实时检测系统而言显然是不够用的。因此需对P8031的外中断源进行进一步扩展。
在外中断源的扩展上，我们选用了Intel公司为此目的专门设计的芯片8259A。一片8259A可扩展和管理8个中断源，并可以有8个优先中断。当中断源中有一个或一个以上提出中断申请，8259A就会向CPU发出中断请求，还能确定最高级中断申请，并将其服务程序入口地址送给CPU。8259A的另一个特点是中断入口地址可以由用户来设定，并安排在存储器的任何一个部位。由此可见，8259A确可以大大加强P8031系统的中断控制功能，不仅外部中断源的数目可以扩展，中断优先级也由两极变为多级。
由于8259A与P8031芯片的特性不完全兼容，所以，在设计它们的接口时我们作了一些处理，即对P8031输出的控制信号进行相应的变换。从8259A的工作原理可知，当8259A发出中断请求信号后，处理器必须连续发出个中断应答信号
———给8259A，以控制调用指令机器码的发送。但是P8031没有专门的信号线，不会自动发送———信号，因此我们采用硬件与软件相结合的办法来解决这个问题。具体做法为：当8259A受到外部中断请求后，发出中断请求信号———向P8031申请中断。P8031允许中断后，在中断服务子程序中连续三次使用MOVX指7令，利用MOVX指令时序中的RD信号与一片选信号（称之为中断服务信号）相结合，就可以得到所需的———信号。另外，P8031不能直接使用8259A送来的CALL指令，亦即二者CALL指令的机器码不兼容，但CALL指令包含的中断入口地址还是可以利用的。在中断服务程序中对于先读入的CALL机器码可不必保留，而将陆续收到的两字节中断入口地址存放DPTR寄存器，再用转移指令跳至中断服务程序的入口，这样即可使8259A与P8031完成接口。2.2.4 系统时钟的控制
系统的时钟是由一实时时钟芯片提供，在本设计中，我们采用了DALLAS公司的DS12887芯片。DS12887是一种带ROM的实时时钟芯片，芯片内部包含有一个锂电池，并集成石英振荡及写保护电路，故它是一个完整的子系统。它可以向系统提供非易失时钟（计秒、分、时、年、月、日等，并有闰年补偿功能），可编程中断、方波发生器及114字节非易失RAM等功能。DS12887的优点在于功耗小，外围接口简单，精度高，工作稳定可靠，尤其是它在断电的情况下仍能保持其时间及内存（可达10年之久）。
2.2.5 多机系统及其通讯
由于本仪器是一个实时检测系统，需对多个探头进行并行实时控制。虽然单个CPU有多任务处理系统，但那是分时（时间片）对单个任务进行轮流操作，在某一时刻只为某一任务服务。就本系统而言，系统的结构复杂，需处理的数据量较大，单个CPU不能满足其实时并行处理的要求，故我们在设计中采用了主从结构的多处理机系统。整个系统为分布存储器型，即：系统没有共享存储器，各CPU之间通过信息交换来连接。系统的处理方式为MIMD方式，即各CPU按自己固有的程序进行不同数据处理。当主机系统的CPU和从机系统的CPU进行通讯时，发送方将数据制成数据包，通过通讯接口，发往接收方。这样，系统将处理和功能等多任务分散于各个CPU，使其可靠性得到了保证，运行速度得到了提高。
由于P8031内部有一个串行口，其引脚为P3．0和P3．1，它们分别是RXD和TXD。因此，在多片P8031用RS－232－C总线进行通讯是十分简便的。主机系统的P8031通过MC1488和MC1489接口芯片和从机系统的P8031利用RS－232－C总线进行通讯。通讯过程由主机的P8031来控制，从机的P8031通过串口中断来处理。在串口的通讯方式上，我们采用了方式1的工作方式。
2.2.6 信号的处理
仪器的信号处理包括了超声发射信号及其控制、超声回波信号的采集及识别等相关的技术处理。
在系统中，超声波的发射与接收是由一超声波专用芯片完成的。这个专用芯片中包含有一个脉冲调制发射器、一个高增益接收器、一个脉冲调制检测器和噪声抑制电路，它可以将超声回波信号直接以计算机可识别的逻辑信号输出。
2.2.6.1 信号处理过程
其处理过程为：计算机系统以一定的时间间隔发出一个脉冲控制信号，这个控制信号分送两路：一路送至一超声专用芯片，触发其内部的超声发射器，由超声发射器发出电压窄脉冲驱动探头发射超声波；另一路送至一单稳态电路，得出一个有一定延时的负脉冲信号。由控制脉冲信号的下降沿触发超声专用芯片中的接收器，就可以使探头由发射状态切换到接收状态，从而得到一组含有发射信号与回波的超声信号。最后将这组超声信号和带延迟的负脉冲相“与”，即可将信号中的发射信号 “与”掉，得到只记录有回波信息的信号。
2.2.6.2 盲区的控制
本系统中采用的换能器探头是“收／发一体式”的，在发射模式下，换能器在被电信号驱动后产生机械振动，要使其停下来时要一些时间的。根据阻尼的大小，这种振动发声可能要持续一定周期。这种机械振动产生一个足够强的电信号使专用芯片中的检测器保持在接通状态，掩盖了在这时出现的任何一种回波信号，这就出现了盲区的问题。
在技术实现中我们注意到，带延迟的负脉冲的脉宽应大于发射信号的脉宽，这样就可以将盲区“与”，使其不对回波信号生产影响。因此，对于延迟信号的脉宽的选择是很重要的。脉宽选择过宽，会将回波信号也一起“与”掉；脉宽选择过窄，会将探头振动的余响为回波信号。在系统中，我们将延迟信号的脉宽设计为手动调节，以便在不同的环境中作出相应的调节。
3 系统软件的实现
系统软件的编制为汇编语言。
主程序负责完成对整个系统的自动控制及功能实现，将获取的目标信息进行综合处理 、分析和模糊判别，完成对交通量的分类自动统计记录。流程图见图5。
主程序的工作过程如下：为整机工作做准备，初始化系统的各部分(1)，按用户要求设置检测功能(2)，并对系统进行管理控制、协调(3)。开始工作后，收到回波首先进行预处理，提取信息(4)。根据探头的状态信息判断是否是车辆回波(5)，如不是车辆则返回重新处理接收回波，若是车辆则对其进行车辆类型的模糊判别(6)，并将其记录下来(7)。功能应答(8)是指是否与外设及用户交换信息。最后将检测结果保存下来(9)，以备用。
4 测试结果及分析
我们对仪器作过多次的实验及现场测试，并已在多个地区的交通量观察站试运行。
以山东省滨州地区交通局为例，我们从1999年2月安装调试后，至今在不间断运行。在使用仪器进行自动记录的同时，我们安排了人工亦进行观测。我们试将两组数据进行对比，以评价仪器的性能（见表1）。
通过表1，我们可以看到，仪器记录的数据要大于人工记录的数据。如果以工人记录的数据的准确率为100%，那么，仪器记录的准确率则在105%左右。但是，根据测算，人工观测的数据一般会出现负差（即观测数小于实际数），尤其是在夜间，一天的负差约在5%左右。那么折算后，仪器的实际准确率大约在98% 左右。在车辆分型方面，通过数据对比（见表2），我们可以看到，在某些车型的分辨上还不尽如人意。如小货车、小拖位机分辨不清；小货车、中型货车分辨不清；大货车、大客车分辨不清。经过实地观测，我们发现造成以上原因主要是统计口径不同。人工观测的分型是以车辆的大小和目测其吨位来判断，而仪器则根据车辆的轮廓来判断。另一个原因是目前车型极其复杂，且有的车辆严重超载，从轮廓上很难分别客车与货车。所以，我们在车辆的分型上仍需作进一步的完善。单就检测手段及分型所依据的原理而言，分型的精确度的提高是比较困难的。但是，根据我国现行的规定，各交通量调查站所上报的数据不是实际观测所得的绝对交通量，而是经过折算过后的等效交通量。具体算法为：
等效交通量＝绝对交通量×折算系数 (5)
其中：拖斗车折算系数为1．5；小客车为0．5；其他车辆均为1。由此可以看出，车辆的分型是为折算等效交通量服务的。通过表2我们可以得到，系统自动记录的车量的等效交通量的准确率达103%，若考虑人工观察的误差5%，则等效交通量的实际准确率可达97%。
5 结 语
通过实验及所得数据，我们可以看出，超声波交通量自动记录仪在计数精度及电气性能上均达到了预期的目标。仪器实现了将计算机技术同超声检测技术相结合的目的，具有较高的智能化。在可操作性方面，仪器自动完成从检测、记录到打印等一系列工作，不需人工实时操作；在经济性方面，仪器的价格大大低于国内其他同功能设备，且安装方便，不受使用环境位置的限制。因此，我们相信，随着我国公路事业的不断发展，超声波交通量自动记录仪在交通量调查事业中的应用越来越广泛。
在本文的写作过程中得到了牛凤岐教授的悉心指导及刘子健先生的大力协助，在此深表谢意。
参考文献
1 侯伯亨著．多微机处理器系统及其实例．西安：西安电子科技大学出版社，1995
2 袁易全著．近代超声原理与应用．南京：南京大学出版社，1996
3 冯若等著．超声手册．南京：南京大学出版社，1999
4 J·西拉德著．超声检测新技术．［英］北京：科学出版社，1991
5 高阪悠二，谷本雅显．全自动形超音波式车感知器.［日］住友电，No．114
6 荒牧．交通量计测装置.［日］住友电，No．115
8 艾伦·卡里克．计算机与仪器测量、接口和控制电路实用手册．［英］北京：国防工业出版 社，1989