基于PC104總線的動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量板的設(shè)計(jì)

摘要： 在分析了現(xiàn)有系統(tǒng)問題的基礎(chǔ)上，提出了基于PC/104總線的、以C8051F060MCU為核心的動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量接口板的設(shè)計(jì)，C8051F060具有獨(dú)立的雙通道16 位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器等功能。經(jīng)一年多的實(shí)際使用證明該設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)化了硬、軟件設(shè)計(jì)、增強(qiáng)了系統(tǒng)的工作可靠性、降低了造價(jià)等優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞：PC/104總線；動(dòng)態(tài)稱重；模數(shù)轉(zhuǎn)換器

    被測(cè)對(duì)象處于非靜止?fàn)顟B(tài)，即被稱重或測(cè)力的物體在運(yùn)動(dòng)則形成了動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量狀態(tài)^[1]，如對(duì)公路上行駛的汽車或鐵道上運(yùn)行的火車進(jìn)行實(shí)時(shí)稱量測(cè)量等被稱為動(dòng)態(tài)稱重。貨物汽車超重載荷已是貨運(yùn)領(lǐng)域一個(gè)共知的事實(shí)。貨物汽車的超重載荷對(duì)公路運(yùn)輸安全、公里路面保養(yǎng)狀況影響巨大，國家有關(guān)部門已專項(xiàng)加以整頓，而汽車動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量系統(tǒng)是治理貨物汽車超重載荷的有力的技術(shù)武器之一。

    在汽車動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量領(lǐng)域已有一些動(dòng)態(tài)稱重儀器在使用中，但它們主要以單片機(jī)為核心、采用低精度、低速度、多元件來構(gòu)成系統(tǒng)，這雖制造成本較低，但其可靠性、工作性能和指標(biāo)等受到了極大的限制^[2，3，4]。鑒于工程的實(shí)際需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了與便攜式PC/104總線計(jì)算機(jī)相配合的高性能的汽車動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量接口板，克服了上述缺點(diǎn)并達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

    與便攜式PC/104總線計(jì)算機(jī)相配合的高性能的汽車動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量接口板的硬件電路由兩部分組成：信號(hào)采集部分和與PC/104總線的接口部分。

1 信號(hào)采集部分設(shè)計(jì)

    當(dāng)前測(cè)控儀器中采用的高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器多為獨(dú)立的集成電路芯片，如此構(gòu)成的高精度測(cè)控系統(tǒng)不免在抗干擾、轉(zhuǎn)換精度、電路板體積以及價(jià)格等方面存在著眾多的、難以解決的實(shí)際問題。使用將高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器與MCU（微控制器或稱為單片機(jī)）集成到一起的集成芯片不失為解決上述問題的一種好方法。C8051F060是一個(gè)由CYGNAL公司生產(chǎn)的、高速的、數(shù)字與模擬電路混合的集成電路MCU芯片，它具有25MIPS的峰值工作速度、靈活的外部存儲(chǔ)器接口和59條數(shù)據(jù)I/O接口線及兩個(gè)片內(nèi)的、獨(dú)立通道的16 位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器等 ^[5]。這兩個(gè)獨(dú)立通道的16位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有如下特點(diǎn)：

Ø         16 位分辨率。

Ø         ±0.75 LSB INL，保證無失碼。

Ø         可編程的轉(zhuǎn)換速率，最大可達(dá)1 Msps。

Ø         芯片內(nèi)部集成了模擬輸入量的跟蹤保持及采樣電路。

Ø         可軟件設(shè)定為兩個(gè)單端輸入的或一個(gè)差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。

Ø         偏移和增益在一定范圍內(nèi)可調(diào)整。

Ø         可進(jìn)行直接存儲(chǔ)器存取操作，數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到RAM 中，不需要額外的軟件開銷。

Ø         具有與數(shù)據(jù)相關(guān)的窗口中斷發(fā)生器。

Ø         專用的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)或可使用外部電壓基準(zhǔn)源。

    兩個(gè)獨(dú)立通道的16 位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器表達(dá)為ADCn(n=0是第一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道ADC0，n=1是第二個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道ADC1)。其中，ADC0有4種轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式；ADC1有5種轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式?？梢酝ㄟ^查詢ADnINT位或以中斷的方式來確定A/D轉(zhuǎn)換何時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)束并加以處理。

    圖1是動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量板的信號(hào)采集部分原理圖。在圖中，通道1的ADC0 IN端子接于測(cè)重傳感器的電橋輸出端，用于采集汽車動(dòng)態(tài)重量信號(hào)，該電橋輸出為毫伏級(jí)的直流電壓信號(hào)。因此，采用儀用放大器AD620——AMP2作為放大元件將信號(hào)放大到MCU（這里指C8051F060）內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器通道0（ADC0）能夠接受的模擬量轉(zhuǎn)換范圍（0-2.4V）。在AMP2前后的C5、R3和C9用于抗干擾濾波；D1和D2用于MCU內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器通道ADC0的電壓輸入過載保護(hù)。放大通道的放大倍數(shù)由電阻R4的阻值（RG）決定，當(dāng)RG=∞（未接放大電阻）時(shí)，通道的放大倍數(shù)（G）為1。

圖1 動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量板的信號(hào)采集部分原理圖

    AMP2的輸出經(jīng)濾波后送到C80C51F060片內(nèi)的16位A/D轉(zhuǎn)換器通道（ADC0）的外部輸入引腳AIN0（MCU的18腳），數(shù)據(jù)的采樣、保持和A/D轉(zhuǎn)換等全部在MCU芯片內(nèi)部通過軟件的控制來完成。

    在圖1中，起始于ADC1 IN端子的A/D通道2的信號(hào)處理過程和原理與上述的相同。

    C80C51F060片內(nèi)的16位A/D轉(zhuǎn)換器（通道0和通道1）的參考電壓取自MCU內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)電路。MCU內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)電路由一個(gè)1.2V的、溫度穩(wěn)定性好（典型值為15ppm/℃）的、負(fù)載調(diào)整率優(yōu)（典型值為0.5ppm/µA）的帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和一個(gè)兩倍增益的輸出緩沖放大器組成。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓可以通過VREF引腳（MCU的4腳）連到器件的外部。將VREF引腳與通道0參考電壓端的VREF0引腳（MCU的21腳）和通道1參考電壓端的VREF1引腳（MCU的6腳）相連，為兩個(gè)16位ADC提供參考電壓。該參考電壓值（典型值是2.43V）決定了ADC的模擬量輸入范圍。

    接于測(cè)重傳感器電橋輸入端的給定電壓也源自于MCU內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓源，由雙運(yùn)算放大器AMP3以及R7、R8、R6和V1等組成參考電壓放大、穩(wěn)幅和擴(kuò)流輸出等電路，完成測(cè)重傳感器電橋輸入電壓的精密給定。

    由圖1中可以看到，包括放大電路和測(cè)重傳感器電橋輸入電壓的精密給定在內(nèi)，該動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量板的信號(hào)采集部分的硬件電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)潔。顯而易見，它與傳統(tǒng)的由多片器件組成的A/D轉(zhuǎn)換器相比具有工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格也極具競(jìng)爭(zhēng)能力（一片C80C51F060MCU僅售不足300元人民幣）。

    當(dāng)二個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)工作由MCU的Timer3的溢出來啟動(dòng)并采用中斷方式來取轉(zhuǎn)換結(jié)果值時(shí)， ADC0或ADC1的轉(zhuǎn)換結(jié)果值在相應(yīng)通道的中斷子程序中讀取，根據(jù)需要再進(jìn)行保存或做進(jìn)一步的處理。在設(shè)置中應(yīng)注意使Timer3的定時(shí)時(shí)間要大于或等于ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換結(jié)果值的讀取時(shí)間（中斷子程序的運(yùn)行時(shí)間）之和。

2 測(cè)量板接口部分設(shè)計(jì)

    PC/104是嵌入式PC的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)，他秉承了IBM PC開放式總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，與IBM PC完全兼容，它具備嵌入式控制的特殊要求：體積小、高可靠性、長壽命、編程調(diào)試方便，所以在測(cè)試領(lǐng)域基于PC104的智能儀器得到了廣泛應(yīng)用^[6]。由于PC/104總線裝置具有體積小、高可靠、長壽命、編程調(diào)試方便等特點(diǎn)，適合于制作高密度、小體積的便攜式測(cè)試儀器或控制裝置。PC/104總線系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)與現(xiàn)有的其它通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全相同，故現(xiàn)有的所有開發(fā)軟件均可以使用，所以，在測(cè)控領(lǐng)域基于PC/104的智能測(cè)控系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。為了便于系統(tǒng)的開發(fā)與使用，本動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量系統(tǒng)采用了ＰＣ/104總線系統(tǒng)作為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用平臺(tái)，測(cè)量板與之配合來完成信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙ぷ鳌?

    由于MCU與PC/104總線在信號(hào)工作頻率和接口時(shí)序等方面很難一致，因此，MCU與PC/104總線的I/O數(shù)據(jù)接口應(yīng)采用異步并行緩沖接口方式，即采用74HC373、74HC374等器件鎖存PC/104總線一方數(shù)據(jù)總線的輸出數(shù)據(jù)及握手信號(hào)，MCU一方依據(jù)握手信號(hào)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取或傳送；而MCU一方的輸出數(shù)據(jù)多采用通用并行口，其帶有數(shù)據(jù)保持功能，因此，可用74HC244、74HC245等總線驅(qū)動(dòng)芯片來進(jìn)行MCU向PC/104總線的數(shù)據(jù)隔離與驅(qū)動(dòng)，如此可實(shí)現(xiàn)雙方向的異步數(shù)據(jù)傳送功能^[7]。

    C8051F060的外部存儲(chǔ)器接口接有一個(gè)128KB的RAM（IS62LV1024）芯片用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)， MCU與PC/104總線的數(shù)據(jù)接口在C8051F060一側(cè)由通用并行接口（P0、P1、P2和P3等）來完成，其通用并行口帶有數(shù)據(jù)保持功能，因此，采用了8位總線驅(qū)動(dòng)器74HC245來進(jìn)行MCU指向PC/104總線的電平轉(zhuǎn)移（C8051F060為3V工作電源，PC/104總線為5V工作電源）與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、而PC/104的數(shù)據(jù)總線不具有數(shù)據(jù)保持功能，因此，采用了具有三態(tài)輸出控制功能的8D數(shù)據(jù)鎖存器74HC374來進(jìn)行PC/104總線指向MCU的數(shù)據(jù)傳送、保持工作（C8051F060可直接接收5V信號(hào)電平）。由于C8051F060的P2口需雙向操作功能，因此，PC/104總線與MCU的數(shù)據(jù)傳送方向由來自PC/104總線的鎖存信號(hào)來決定和指明。

    由于測(cè)量板需要的不止是一個(gè)譯碼地址，為此，在使用了8位模似比較器——74HC688作為比較譯碼芯片進(jìn)行地址譯碼的基礎(chǔ)上又增加了74HC393（二——四譯碼器）進(jìn)行細(xì)分地址譯碼^[8]。設(shè)計(jì)中為了節(jié)省芯片而放棄了地址線A0參與譯碼，因此，地址譯碼輸出R1/W1及R2/W2各占二個(gè)地址，如R1/W1可通過改變JUM1的跳線設(shè)定為200H——3C0H或201H——3C1H。這樣，通過MCU與PC/104總線計(jì)算機(jī)的軟件配合即可實(shí)現(xiàn)微機(jī)之間的命令與數(shù)據(jù)的傳送。

圖3  MCU程序處理流程簡(jiǎn)圖

3控制軟件設(shè)計(jì)

    MCU與PC/104總線間的數(shù)據(jù)傳送采用主/從方式，PC/104總線系統(tǒng)為主機(jī)，MCU為從機(jī)。為了保證主/從方式的數(shù)據(jù)傳送能順利實(shí)施， MCU采用中斷方式（對(duì)應(yīng)于PC/104總線D3位的MCU的P02引腳已預(yù)編程為中斷響應(yīng)引腳INT0并采用邊緣觸發(fā)方式）響應(yīng)PC/104總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送啟動(dòng)，可隨時(shí)進(jìn)行任意字節(jié)值的雙向數(shù)據(jù)傳送。PC/104總線系統(tǒng)用C語言操作接口讀、寫分別采用inportb()函數(shù)和outportb()指令，其工作流程框圖如圖2所示。

    在C8051F060MCU的程序設(shè)計(jì)中，接收PC/104總線微機(jī)的命令和與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交換采用外部程序中斷方式；數(shù)據(jù)采樣采用ADC中斷的方式。其中，數(shù)據(jù)采樣包括基值采樣（無車輪壓下條件的兩路測(cè)重傳感器輸出）和軸重采樣（兩路測(cè)重傳感器一次測(cè)汽車一個(gè)軸的重量）。C8051F060MCU程序處理流程簡(jiǎn)圖如圖3所示。在軸重采樣中，MCU根據(jù)所給定的車輛軸數(shù)和采樣門限條件自動(dòng)判斷車輪和測(cè)重傳感器之間的位置并自動(dòng)進(jìn)行重量值采樣。當(dāng)車輪停在測(cè)重傳感器上面時(shí)，MCU將根據(jù)設(shè)定的超限時(shí)間值大小自動(dòng)停止數(shù)據(jù)采樣。

4 結(jié)束語

    現(xiàn)今市售的PC/104總線的接口板種類有限且價(jià)格較高，隨著PC/104總線系統(tǒng)的大量采用，PC/104總線的接口板設(shè)計(jì)將成為了系統(tǒng)成敗的瓶頸。提升PC/104總線的接口板的性能并降低其價(jià)格，對(duì)PC/104總線系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)起到極大的推動(dòng)作用。

    基于PC104總線的動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量板的設(shè)計(jì)經(jīng)一年多的實(shí)際使用證明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

ü         使用的元件少并簡(jiǎn)化了硬、軟件設(shè)計(jì)；

ü         增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和工作可靠性；

ü         充分利用了MCU的資源；

ü         具有產(chǎn)品價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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