基于DSP的動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

交通運輸業(yè)的發(fā)展對國民經(jīng)濟建設(shè)起到了積極的推動作用，但是我國公路運輸車輛超限超載現(xiàn)象極為普遍，在嚴重的地區(qū)，幾乎所有的貨運車輛都存在不同程度的超限超載行為。車輛超限超載運輸對路橋基礎(chǔ)設(shè)施、交通安全、運輸市場及車輛生產(chǎn)秩序造成了極大危害。設(shè)計檢測所需時間短、準確度高的車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)，對公路交通部門有效地實施治理超限，保證行車安全、延長公路的使用壽命、降低公路養(yǎng)護的成本等方面起著至關(guān)重要的作用，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟價值。

目前國內(nèi)的動態(tài)稱重系統(tǒng)主要應用在道路交通調(diào)查、超限運輸管理和計重收費方面。2001年以來，國內(nèi)部分省市嘗試采用計重收費這一經(jīng)濟手段治理超限運輸。實踐證明，采取以計重收費與行政手段相結(jié)合的辦法，能有效治理超限運輸。雖然目前計重收費取得了一定的成就，但暴露的問題已嚴重制約動態(tài)稱重系統(tǒng)在全國的普及和推廣。分析目前存在的亟待解決的問題主要有：設(shè)備安裝對已建成的廣場開挖面積大，設(shè)備安裝周期長；車輛走S型通過秤臺，走S型能把輪胎向下的壓力部分分解為橫向扭矩，影響稱重結(jié)果；尤其是稱重結(jié)果誤差較大容易造成車主和收費人員之間的征費矛盾。

上述問題可以通過改進稱重系統(tǒng)設(shè)計有效解決，本文拋棄了傳統(tǒng)的彎板式稱重平臺設(shè)計方法，采用了壓電石英傳感器作為動態(tài)稱重系統(tǒng)的稱重傳感器，此系統(tǒng)由于設(shè)備簡單、規(guī)模小，減少了安裝施工難度，并提高了該系統(tǒng)的稱重精度和效率。動態(tài)稱重系統(tǒng)硬件采用基于TMS3 20C6416的DSP核心器件設(shè)計，實測表明所設(shè)計的動態(tài)稱重系統(tǒng)運行良好，可應用于公路運輸車輛超限檢測等相關(guān)行業(yè)。

1 稱重傳感器的選擇

車輛動態(tài)稱重主要有兩種方式：整車測量和軸重測量。本文設(shè)計的動態(tài)稱重系統(tǒng)采用軸重測量，即分別測出車輛各軸的軸重，再由稱重系統(tǒng)計算出整車重量。

稱重傳感器作為動態(tài)稱重系統(tǒng)的核心器件，是測量系統(tǒng)的輸入端。目前在國內(nèi)外動態(tài)稱重系統(tǒng)實際應用中主要采用共聚化合物式壓電傳感器、電容式傳感器、橋式稱重平臺、光纖傳感器等。以上傳感器由于價格、性能、使用壽命等問題，容易導致動態(tài)稱重系統(tǒng)精度不高。

本文選用壓電石英式傳感器，它是一種新型的傳感器，近幾年由于其性能得到較大的提高，目前得到一定的應用。石英傳感器的溫漂極小，低速、高速狀態(tài)下都可進行稱量，同時石英的物理特性比較穩(wěn)定，其靈敏度隨時間變化較小。

壓電石英稱重傳感器是利用石英晶體的縱向壓電效應將重量信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。與其他采用的傳感器相比較有以下優(yōu)點：

(1)量程范圍廣，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕；

(2)靈敏度高，測量值可到上百噸載荷，又能分辨出小至幾公斤的動態(tài)力；

(3)剛度大，固有頻率高(幾十千赫以上)，是同尺寸應變式稱重傳感器的8倍，動態(tài)響應快；

(4)時間老化率低，無熱釋電現(xiàn)象，工作可靠性高，壽命長；

(5)對溫度的敏感性低，靈敏度變化極小，長期穩(wěn)定性好；

(6)在使用時不用事先調(diào)整平衡，操作方便。

石英晶體敏感元件惟一的缺點是不能在長時間內(nèi)進行靜態(tài)測量。綜上所述，完全可以選擇壓電石英稱重傳感器作為動態(tài)稱重系統(tǒng)的軸重稱重傳感器。

2 動態(tài)稱重系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 硬件系統(tǒng)組成框圖

基于TMS320C6416動態(tài)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括：壓電石英式傳感器、放大電路模塊、濾波電路模塊、模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、TMS320C*16信號處理模塊、存儲器模塊、PCI接口模塊、電源電路模塊組成，其組成框圖如圖1所示。

2．2 系統(tǒng)功能

(1)壓電石英式傳感器

系統(tǒng)采用奇石樂公司生產(chǎn)的9195型稱重傳感器，用來采集通過車輛的軸重電壓信號。9195型壓電石英傳感器長1 000 mm，寬度為50 mm，高度為44 mm。

(2)放大及濾波電路模塊

由于壓電石英稱重傳感器采集的電信號比較微弱，所以通過放大電路對傳感器采集的信號進行放大；濾波電路用來濾除出信號中的噪聲。

(3)模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

將采集的軸重電壓信號轉(zhuǎn)換成DSP處理器可處理的數(shù)字信號。本系統(tǒng)采用ADS5517芯片。ADS5517是TI公司新近推出的一款高采樣率、高性能的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，它擁有小封裝體積和高模擬帶寬，并且在高頻模擬信號輸入的前提下可以得到很高的SNR(Signal-to-Noise Ratio，信噪比)和SFlDR(Spuribus-Free Dynamic Range，無雜散動態(tài)范圍)。ADS5517最高采樣率為200 MIPS，支持11位采樣分辨率，支持內(nèi)部采樣和保持。

(4)TMS320C6416信號處理模塊

該模塊采用高性能的TI公司的TMS320C6416DSP芯片負責數(shù)據(jù)的采集和處理。TMS320C6416是目前能力最強大的處理器(DSP)，它的主頻高達600 MHz，內(nèi)部包括1個DSP內(nèi)核、一級數(shù)據(jù)Cache、一級程序Cache、二級存儲器、增強型DMA控制器(EDMA)、Vterbi譯碼協(xié)處理器(VCP)、T-urbo譯碼協(xié)處理器(TCP)；對外接口包括2個外部存儲器接口(EMIFA和EMIFB)、主機接口(HPI)、PCI接口、UTOPIA接口、多通道緩沖串口(McB-SP)。

TMS320C6416采用了兩級超高速緩存器，即16 KB的一級數(shù)據(jù)Cache、16 KB的一級程序Cache和1 024 KB的數(shù)據(jù)和程序統(tǒng)一內(nèi)存。如果需要擴展緩存，1 024 Kb內(nèi)存中的256 Kb存儲空問可設(shè)置用作二級Cache。在內(nèi)存和外設(shè)接口(EMIFA接口、EMIFB接口、HPI或PCI接口、McBSP串口、UTOPIA接口等)之間所有的數(shù)據(jù)傳輸都由EDMA來處理。TMS320C6416的EDMA共有64個通道，每個通道的優(yōu)先級都可編程設(shè)置，每個通道都對應一個專用同步觸發(fā)事件，使得EDMA可以被外設(shè)來的中斷、外部硬件中斷、其他EDMA傳輸完成的中斷等事件觸發(fā)，開始進行數(shù)據(jù)的搬移。  EDMA完成一個完整的數(shù)據(jù)搬移后，可從通道傳輸參數(shù)記錄指定的鏈接地址處重新加載該通道傳輸參數(shù)。EDMA傳輸完成后，EDMA控制器可以產(chǎn)生一個到DSP內(nèi)核的中斷，也可以產(chǎn)生一個中斷觸發(fā)另一個EDMA通道開始傳輸。

(5)PCI接口模塊

該模塊采用PCI Technology公司的橋接芯片PCI9052。PCI9052是PLX技術(shù)公司繼PCI9050之后推出的低成本低功耗、高性能的總線接口芯片，通過該芯片可使多種局部總線快速轉(zhuǎn)換到PCI總線上。根據(jù)PCI規(guī)范，主設(shè)備和從設(shè)備的劃分本質(zhì)上是確定數(shù)據(jù)傳輸雙方訪問與被訪問的能力和關(guān)系。在此，PCI9052只能由主機或擁有總線主控制能力的其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)的讀寫操作，但由于其內(nèi)部有64 B寫FIFO和32 B讀FIFO，使PCI9052的局部總線和PCI總線能互相獨立工作。PCI9052允許設(shè)計相對的低速局部總線在PCI總線上獲得132 MB／s的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸速度。

2．3 硬件電路

系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。

3 動態(tài)稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲管理子系統(tǒng)、稱重收費子系統(tǒng)三部分組成。軟件利用Delphi語言編寫，軟件具有友好的用戶界面，可方便地實現(xiàn)稱重數(shù)據(jù)的存儲、顯示。

3．1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計的流程圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)軟件其主要功能包括實時采集稱重傳感器的電壓信號，并可調(diào)整數(shù)據(jù)采集速率，顯示測試電壓值，并保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)。其中用戶界面如圖4所示。

3．2 數(shù)據(jù)存儲管理子系統(tǒng)

該系統(tǒng)是動態(tài)稱重系統(tǒng)的后臺管理軟件。兩廂轎車通過傳感器實測后采集的數(shù)據(jù)如圖5所示。

3．3 稱重收費子系統(tǒng)

稱重收費系統(tǒng)是利用測量數(shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)算法計算車量，系統(tǒng)界面可直接顯示車輛總重，并可通過輸入收費標準，實時顯示需繳納的費用，其界面如圖6所示。實測表明，此系統(tǒng)用戶界面友好、操作簡單、運行時間短，可有效縮短測量時間，提高運行效率和精度。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的動態(tài)稱重系統(tǒng)主要特點是節(jié)省時間、效率高，使得稱重時不至于造成對正常交通的干擾，這對公路建設(shè)與管理有著極為重要的應用，尤其解決了目前高速公路所采用的稱重系統(tǒng)存在的動態(tài)稱重時間長、精度差、對路面破壞嚴重且維修困難的問題。具體體現(xiàn)在：

(1)動態(tài)稱重平臺的設(shè)計上拋棄了傳統(tǒng)的平板式稱重平臺設(shè)計方法，采用了壓電石英傳感器作為動態(tài)稱重系統(tǒng)的稱重傳感器，提高了該系統(tǒng)的稱重精度和效率。

(2)設(shè)計基于TMS320C6416的動態(tài)稱重系統(tǒng)，并利用Delphi完成動態(tài)稱重系統(tǒng)的軟件設(shè)計，并能夠完成稱重數(shù)據(jù)的采集、存儲、收費等功能，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

通過實驗表明，該系統(tǒng)軟硬件運行良好，車重結(jié)果數(shù)據(jù)可靠，完全達到實際應用要求。