基于AD7891的車輛稱重采集系統(tǒng)設(shè)計

引言
    為徹底消滅超載現(xiàn)象，禁止超載車輛上路，實現(xiàn)司機在駕駛室內(nèi)就可知道車輛的載荷情況，而地面稽查人員通過無線通信裝置可隨時隨地檢測車輛的載荷量，從而有利于制止車輛的超載行為。因此，這里提出一種基于AD7891的車輛稱重采集系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)設(shè)計采用電容法檢測車輛載荷，并利用車輛本身的板彈簧作為稱重傳感器的彈性體。

2 車輛稱重系統(tǒng)簡介
    車輛電容稱重裝置安裝在被測車輛上。稱重裝置的核心器件是電容稱重傳感器，電容傳感器的極板安裝在車輛輪軸的中部上方與車廂底(或車架)之間，通過測量車輛板彈簧的形變轉(zhuǎn)換為電容值的變化，得到載荷值。圖1為車載式電容稱重傳感器示意圖。

    在車輛稱重系統(tǒng)中，若車輛有前后兩根輪軸，則圖2為車輛稱重系統(tǒng)框圖。前后傳感器將載荷變化轉(zhuǎn)換為電容變化；電容測量電路將電容值轉(zhuǎn)換為電壓值；DSP將傳感器輸出的電壓值進行加轉(zhuǎn)換，其數(shù)據(jù)經(jīng)運算、處理后，將整車載荷值送至顯示器。由于系統(tǒng)中需采集的數(shù)據(jù)量較大，特別是動態(tài)稱重測量，為了滿足系統(tǒng)的實時性需求，車輛稱重采集系統(tǒng)采用AD7891和TMS320LF2407 DSP實現(xiàn)車輛稱重數(shù)據(jù)采集。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)采用美國ADI公司的AD7891型A／D轉(zhuǎn)換器，它是一種內(nèi)含輸入多路轉(zhuǎn)換器和采樣保持放大器的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，輸入模擬信號范圍為-10～+10 V，理論精度指標可達4．88 mV，適合與各種微處理器、控制器以及數(shù)字信號處理機連接。它和DSP有并行和串行兩種工作模式，并有8個具有過壓保護的模擬信號通道，允許過壓值為±17 V，只對1個通道信號采樣時，最大采樣速率可達454．5 kS／s。AD7891采用單電源工作，功耗低。非常適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試設(shè)備等方面應(yīng)用。因此，該車輛稱重系統(tǒng)采用AD7891完全能夠滿足系統(tǒng)各項要求。在高速采集系統(tǒng)中，AD7891與DSP相結(jié)合通常采用串行或并行方式，利用軟件控制數(shù)據(jù)線方式實現(xiàn)系統(tǒng)要求的采集速度。AD7891與DSP采用并行方式，使用DSPI／O端口的A、B、C、D、E數(shù)據(jù)和方向控制器實現(xiàn)AD7891的時序控制。另外由于DSP的I/O端口電壓為3．3 V，而AD7-891的端口電壓為5 V，當(dāng)DSP的端口只向AD7891的端口發(fā)送信號時．通過DSP的I／O端口直接接至AD7891；但如果從AD7891的端口直接向DSP的端口發(fā)送信號則有可能損壞DSP。因此需要高速雙向電平轉(zhuǎn)換器，這里選用P174LVCC424-5A，由于一片P174LVCC4245A只能處理8位數(shù)據(jù)線，因此需要2片P174LVCC4245A進行電平匹配。其硬件連接電路如圖3所示．圖3中DSP對A。D7891的時序控制完全是通過TMS320LF2407 DSP的I/O端口實現(xiàn)，D[O：11]指向DSP接口。AD7891的CS、WR、CONVST、RD、EOC時序控制引腳分別與DSP I／O端口的IOPB4、IOPB5、IOPB6、IOPB7、IOPF4相匹配。AD7891引腳和DSP I／O端口通過2片電平轉(zhuǎn)換器P174LVCC4245A連接，其引腳配置如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)程序流程主要是對采集到的數(shù)據(jù)進行誤差分析處理。圖4為車輛稱重數(shù)據(jù)處理程序流程．其中初始化DSP、AD7891和外圍元件，包括設(shè)置堆棧指針，設(shè)置定時器工作模式并使其能中斷，設(shè)置數(shù)據(jù)存儲器初值及對A／D轉(zhuǎn)換器初始化等。系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行初始化程序。初始化完成后．調(diào)用信號采集和A／D轉(zhuǎn)換程序，分別采集前、后輪軸的電容傳感器輸出信號和車輛加速度傳感器輸出信號。
    通過圖4看出．程序的關(guān)鍵就是準確采集到傳感器輸出電壓。為實現(xiàn)車輛稱重系統(tǒng)的高速采樣，首先分析AD7891的時序，圖5為AD7891并行工作時序。

    圖5中，t1為從CS到RD/WR的觸發(fā)時間，t2為寫脈沖寬度，不小于35 ns；t3為寫有效數(shù)據(jù)時間，不小于25 ns；t4為有效數(shù)據(jù)保持時間，不小于5 ns；t5為CS到RD/WR的保持時間，t6為CONVST脈沖寬度時間，不小于35 ns;t7為EOC脈沖寬度時間，不小于55 ns；t8為度脈沖寬度，不小于35 ns；t9為RD下降沿之后讀數(shù)據(jù)時間，不小于25 ns；tCONV為轉(zhuǎn)換時間，不大于1．6μs。為實現(xiàn)測控系統(tǒng)的高速實時采樣必須合理準確分配以上各時間，AD7891的工作時序全部由DSP的I／O端口實現(xiàn)。系統(tǒng)DSP主頻時鐘為30 MHz，采用分頻15 MHz輸出，單周期指令運行的時間為33 ns。用C語言執(zhí)行一個I／O端口指令，編譯完后，大概需要4個周期指令時間。下面是測控系統(tǒng)DSP對通道1采集的C語言程序代碼：

6 結(jié)論
    車輛稱重采集系統(tǒng)采用DSP的I／O端口讀取AD7891的數(shù)據(jù)。通過對DSP編程完全控制AD7891的時序，雖然占用大量的DSP I／O端口．但由于TMS320LF2407 DSP I／O端口豐富，因此這種實現(xiàn)方式完全可行。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，不僅能夠滿足車輛的靜態(tài)稱重，而且動態(tài)稱重的精度也高于2％，完全能滿足公路超載檢測要求。