1 引 言
考虑到车辆的行驶安全，以及现代城市交通的立体化趋势，对车辆的载货高度是有所限制的。载货过高的车辆往往容易损坏立交桥、隧道等交通设施，影响电源、通讯线路等城市命脉以及照明设施。所以，车辆高度的监控对城市交通的管理是个必不可少的环节。然而，许多大中城市都架设电车线路，而电车的两根集电杆往往超过一般限高(4.5m)。所以，实际要求限制普通车辆的高度，而又能让电车这类“必须超高”的车辆通行。本系统就是针对该实用课题要求开发研制的，并有效地解决了实际工程应用中遇到的各种干扰问题。
2 系统设计方案
2.1 检测超高车辆的原理
利用光学方法，在道路上方的标准高度处设置横向光路。普通车辆对光路无影响，而超高车辆经过时必然切割光路，给出一阻挡脉冲信号，此信号可作为差别车辆是否超高的依据，将其转换成电信号后便于处理和控制。
2.2 电车检测原理
电车外形最具有特征的是两根“辫子”形状的集电杆，但超高车辆形式千变万化，完全有可能出现具有类似“辫子”的超高车辆，所以，以判断车辆外形模式区分电车并不可靠。电车的根本特征在于靠供电线路供给能量，驱动直流电机运行。在电车线路上安装传感器，必须在可靠获取信号的同时能承受大的冲击力，又能耐受恶劣环境。经反复试验，得到较理想的电车传感器，其原理如图1所示。电车滑过绝缘板时，电车电机暂时与供电线路脱离，这时依靠惯性车辆仍保持一定速度。当其导轨轮搭上金属块时，由于直流电机转子并未停止转动，在金属块上得到一电压信号，该电压与供给电机电压方向相反，不妨称其为反电动势。该反电动势可作为判断是否有电车的信号。利用该信号给出电车信息，并屏蔽掉相应的电车超高信号。
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3 检测系统实际组成结构和抗干扰设计
3.1 检测系统组成结构
主要分超高车辆检测、电车检测和单片机控制系统等功能模块。
3.1.1 超高车辆检测系统构成 主要分光发射部分和光接收部分。两部分分别放置道路两端，构成道路上空的横向光路。
光发射部分包括半导体激光器和相应的伺服系统(稳压电源、制冷器)、调制电路、光学镜头组等。考虑到仪器的可靠和寿命，光源用半导体激光器(LD)，工作波长810nm，具有优良的大气穿透能力。而且LD可以电调制，调制方便，长期运作稳定。光学系统包括光束整圆棱镜和准直透镜。原理框图如图2。
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图2 激光发射系统
光接收部分包括了光电转换与相应信号前期处理部分，以及为提高系统整体性能的抗干扰设计。其原理框图如图3。
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图3 激光接收系统
3.1.2 电车检测系统构成 主要包括电车传感器和相应的信号处理电器。传感器安装于电车线路上，通过其上的金属块引出电车经过时直流电动机的反电动势信号。将传感器直接采集的强电信号转换成TTL逻辑电平，即是处理电路的功能［1］。基本的思路为：电车的导轨轮从接上传感器的金属块开始，到滑离金属块，得到反电动势信号基本为一脉冲形式，该信号电压辐值很高，达上千伏，不能直接送至后续开关电路，必须先经积分电路缓冲，降低电压，同时波形得到初步整形。用该较规整的波形送至开关电路，从而判断出电车信号的有无。并进一步整形信号，将较规范的脉冲信号送至后续控制电路。电路框图如图4：
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图4 电车信号处理电路框图
实际操作中为提高捕捉电车信号的正确率，在电车线路正、负线都安装传感器，利用二极管的单向导通性保证信号分别送至相应的处理电路。不过，因为电车线路的感应，平时传感器上保持一定的电压(200—300V)，所以要注意二极管的反向耐压。一般，正线传感器上的反压和得到的电车反电动势信号都要比负线强。
3.1.3 单片机控制系统构成 单片机是整个系统逻辑判断的控制核心。采用8751作为处理芯片。基本的逻辑功能为：有超高车辆信号时发超高车警报，有电车时发电车信号，并同时屏蔽相应电车集电杆的超高信号。
3.2 检测系统的抗干扰措施
检测系统的设计指标要求当超高车辆速度在60km/h，至少能检测出2cm宽的超高物，电车的漏检率小于1×10－4。为保证复杂的现场条件下仪器的高可靠性，在检测系统的研制过程中，如何解决干扰问题占有很大比重。
仪器使用现场为道路两旁，是露天环境。使用时不光要排除因日常交通带来的干扰，还要保证在恶劣天气状况(雨、雪、雾)时仪器能正常使用。设计采用一对LD形成双光路结构，利用信号冗余法提高识别精度。超高车经过时，将分别切割LD形成的两束光路，光路间有足够间隔(约10cm)。在检测处理软件中只有连续得到两个超高车信号，才认为有超高车经过，从而避免周围环境干扰物(漂浮物、雪花)的影响。当一只LD工作出现故障时，另一只LD则可保证在检修时系统仍能正常运转。
日常环境光的变化对检测系统形成背景噪声，设计中采用激光的调制发射和解调接收滤去干扰，检出有效信号，并使用带宽为100的干涉滤光片抑制太阳光背景噪声。
由于不同大气条件对辐射功率的吸收有强有弱，因此采用两组不同功率的LD(30mW和250mW)［2］。通常天气状况良好，一对小功率LD处于开启状态，而大功率LD处于关闭状态。当天气恶劣，能见度差，探测器接收到的光能极其微弱时，即开启大功率LD。平时由于超高车阻挡而使探测器无光信号时则不会引起大功率LD的自动开启。因天气变化而导致达到探测器光能量的变化与其是有区别的，前者是缓变信号，后者是瞬变信号。接收装置所接收的信号在不同条件下有很大差异，最大和最小信号间可相差几十分贝。显然，接收信号微弱时，要求放大器有较高的增益，而当接受信号强时，要求放大器不致于饱和。这一作用由自动增益控制电路(AGC)完成［3］。
外部环境的随机干扰(飘浮物、雪花等)，在软件内设置相应的检测避免功能。电车信号从8751的一口线输入，超高车则占用INTO中断口，同时两路超高车信号也拉至两口线，以检测信号形式。
电源监控和单片机状态的监控(Watchdog)。在本系统的实验过程中，特别是在电车线路附近，由于电车导轨轮与线路的摩擦、跳动，甚至打火花，都会干扰处理电路，曾观察到单片机程序“跑飞”现象。针对应用环境中遇到的问题，本文设计了电源监控和单片机状态监控电路，解决了上述问题。
电源监控主要由MAXIM7705电源监控芯片构成。单片机状态监控的基本电路如图5所示［4］，图中，虚线表示非常状态，8751不断向P口发出周期为TC的连续脉冲波形CPL P；只要TC小于单稳触发器的输出周期宽度Ti，在单稳的一Q端就一直持续低电平。当发生程序“跑飞”，软件功能紊乱时，P口的脉冲波形缺失，一Q端跳至高电平，触发第二个单稳，输出一足够宽度脉冲至RST，使程序重新得以执行。另外，在ROM的剩余空地址，设置些软“陷阱”，使其跳至程序的某个地址，如：JMP START；
使“跑飞”的程序重新得以初始化执行。这也是个有效的办法。
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图5 电源和单片机状态监控电路
4 实 验 结 果
本套检测系统经严格的现场实验，在城市公交电车线路装上传感器，引入电车信号，再与相应的超高信号一起送至后续处理电路，以发出正确的警报信息。实验结果如下。
电车检测模块：连续三天对电车检测系统进行现场实验，分别记录正线和负线传感器的输出信号和处理电路最后送出的TTL逻辑电平信号。
表1 电车实验结果(共600辆)
正 线 负 线 最终有效信号
信号得到次数 600 598 600
实验结果正线的漏检率为零，负线的漏检率为1/300，综合两者的有效信号已达到漏检率1/10000的指标。
超高车辆检测模块：将检测系统的发射端和接收端分别放置现场道路两旁，构成标准限高处的横向光路。实验采取的方法：
1.利用叉车前端升降机，
2.卡车上绑缚超高障碍物，模拟超高车辆，
3.挥动长杆，人为遮挡横向光路，模拟超高车辆信号。
按照设计要求，分别进行20、15、300次实验，全部得到符合要求的超高车警报信号。
进行了雨、雪、雾等非常条件下的实验，结果表明该检测系统完全胜任。
实验结果表明，检测系统能按照设计要求，可靠地检测出超高车辆，发出超高警报，并能以极高的准确率捕捉到电车，送出相应信号，从而解决了城市交通的实际问题。对于实际工程应用环境遇到的各种干扰，在检测系统中也得到解决，保证了系统的实用性和高可靠性要求。
