基于DSP的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了積極的推動(dòng)作用，但是我國公路運(yùn)輸車輛超限超載現(xiàn)象極為普遍，在嚴(yán)重的地區(qū)，幾乎所有的貨運(yùn)車輛都存在不同程度的超限超載行為。車輛超限超載運(yùn)輸對路橋基礎(chǔ)設(shè)施、交通安全、運(yùn)輸市場及車輛生產(chǎn)秩序造成了極大危害。設(shè)計(jì)檢測所需時(shí)間短、準(zhǔn)確度高的車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，對公路交通部門有效地實(shí)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(hù)的成本等方面起著至關(guān)重要的作用，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前國內(nèi)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要應(yīng)用在道路交通調(diào)查、超限運(yùn)輸管理和計(jì)重收費(fèi)方面。2001年以來，國內(nèi)部分省市嘗試采用計(jì)重收費(fèi)這一經(jīng)濟(jì)手段治理超限運(yùn)輸。實(shí)踐證明，采取以計(jì)重收費(fèi)與行政手段相結(jié)合的辦法，能有效治理超限運(yùn)輸。雖然目前計(jì)重收費(fèi)取得了一定的成就，但暴露的問題已嚴(yán)重制約動(dòng)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(tái)，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(fèi)人員之間的征費(fèi)矛盾。

上述問題可以通過改進(jìn)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效解決，本文拋棄了傳統(tǒng)的彎板式稱重平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，采用了壓電石英傳感器作為動(dòng)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(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)硬件采用基于TMS3 20C6416的DSP核心器件設(shè)計(jì)，實(shí)測表明所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)運(yùn)行良好，可應(yīng)用于公路運(yùn)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(dòng)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(jì)的動(dòng)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(jì)算出整車重量。

稱重傳感器作為動(dòng)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(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)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(tái)、光纖傳感器等。以上傳感器由于價(jià)格、性能、使用壽命等問題，容易導(dǎo)致動(dòng)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(yīng)用。石英傳感器的溫漂極小，低速、高速狀態(tài)下都可進(jìn)行稱量，同時(shí)石英的物理特性比較穩(wěn)定，其靈敏度隨時(shí)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(yīng)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(diǎn)：

(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(dòng)態(tài)力；

(3)剛度大，固有頻率高(幾十千赫以上)，是同尺寸應(yīng)變式稱重傳感器的8倍，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；

(4)時(shí)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(shí)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(diǎn)是不能在長時(shí)間內(nèi)進(jìn)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(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的軸重稱重傳感器。

2 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 硬件系統(tǒng)組成框圖

基于TMS320C6416動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(chǔ)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(jìn)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(dòng)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理。TMS320C6416是目前能力最強(qiáng)大的處理器(DSP)，它的主頻高達(dá)600 MHz，內(nèi)部包括1個(gè)DSP內(nèi)核、一級數(shù)據(jù)Cache、一級程序Cache、二級存儲(chǔ)器、增強(qiáng)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(gè)外部存儲(chǔ)器接口(EMIFA和EMIFB)、主機(jī)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(kuò)展緩存，1 024 Kb內(nèi)存中的256 Kb存儲(chǔ)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(gè)通道，每個(gè)通道的優(yōu)先級都可編程設(shè)置，每個(gè)通道都對應(yīng)一個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)的搬移。  EDMA完成一個(gè)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(gè)到DSP內(nèi)核的中斷，也可以產(chǎn)生一個(gè)中斷觸發(fā)另一個(gè)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(jī)或擁有總線主控制能力的其他設(shè)備進(jìn)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(dú)立工作。PCI9052允許設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)、稱重收費(fèi)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(shí)現(xiàn)稱重?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示。

3．1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(chǔ)管理子系統(tǒng)

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

3．3 稱重收費(fèi)子系統(tǒng)

稱重收費(fèi)系統(tǒng)是利用測量數(shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)算法計(jì)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(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)顯示需繳納的費(fèi)用，其界面如圖6所示。實(shí)測表明，此系統(tǒng)用戶界面友好、操作簡單、運(yùn)行時(shí)間短，可有效縮短測量時(shí)間，提高運(yùn)行效率和精度。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要特點(diǎn)是節(jié)省時(shí)間、效率高，使得稱重時(shí)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(yīng)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(dòng)態(tài)稱重時(shí)間長、精度差、對路面破壞嚴(yán)重且維修困難的問題。具體體現(xiàn)在：

(1)動(dòng)態(tài)稱重平臺(tái)的設(shè)計(jì)上拋棄了傳統(tǒng)的平板式稱重平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，采用了壓電石英傳感器作為動(dòng)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(jì)基于TMS320C6416的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，并利用Delphi完成動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，并能夠完成稱重?cái)?shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、收費(fèi)等功能，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

通過實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行良好，車重結(jié)果數(shù)據(jù)可靠，完全達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。