動態(tài)稱重信號采集系統(tǒng)設計

摘要：目前車輛動態(tài)稱重信號采集系統(tǒng)存在體積大、集成度低等問題，PSoC(Programmable System onChip)內(nèi)部具有豐富的數(shù)字資源和模擬資源，本文主要介紹了基于具有全速USB接口的PSoC芯片CY8C24794的車輛動態(tài)稱重信號采集系統(tǒng)的軟、硬件設計方法和實現(xiàn)。該系統(tǒng)小巧實用，便于攜帶，節(jié)省了USB接口芯片、AD等功能芯片，與VXI高速采集系統(tǒng)采集的信號相比，本系統(tǒng)的實驗結(jié)果與VXI實驗結(jié)果類似，系統(tǒng)很好滿足了信號采集的要求。
關鍵詞：PSoC；USB；動態(tài)稱重；CY8C24794

    車輛動態(tài)稱重WIM(Weighing In Motion)在道路運輸管理與交通執(zhí)法等方面有廣泛應用價值。目前比較成熟的商品化WIM系統(tǒng)中采用的動態(tài)稱重傳感器大多是彎板傳感器，其安裝、維護比較麻煩。采用壓電電纜作為WIM系統(tǒng)的動態(tài)稱重傳感器，具有應用簡便的優(yōu)勢。常規(guī)信號的采集和處理電路存在電路板面積大和成本高等缺陷。本文介紹了基于Cypress半導體公司PSoC器件CY8C24794實現(xiàn)的動態(tài)稱重信號的采集系統(tǒng)。整個系統(tǒng)設計無須再選擇USB、A／D等器件，節(jié)約了成本和電路板的面積。所有PSoC器件都是可動態(tài)重配置的，使設計人員能動態(tài)地設計并實現(xiàn)新的系統(tǒng)功能。設計人員可在不同的時間段配置同一模塊給不同的管腳，從而提高了芯片利用率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件電路
    在車輛壓力沖擊下，壓電電纜中被擠出電荷，經(jīng)電荷放大器放大轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換成常見的電壓信號，經(jīng)過CY8C24794適當?shù)奶幚砗髠魉徒o計算機，進行后續(xù)的處理。
    如圖1所示動態(tài)稱重信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)中，除了壓電電纜和電荷放大器之外，就只有PSoC器件CY8C24794，因此省去了USB接口、A／D轉(zhuǎn)換等功能芯片，最大程度上簡化了電路。

1．1 壓電電纜
   壓電電纜利用壓電效應的原理，當輪胎經(jīng)過壓電電纜時，傳感器受到壓力作用產(chǎn)生電荷信號，經(jīng)過電荷放大和電壓放大以及一些信號處理之后，即獲得所需電壓信號，其幅度與所受壓力成正比，信號的周期和輪胎停留在傳感器上的時間相同。本試驗采用的是韓國XIRE壓電電纜，比現(xiàn)有高分子材料PVDF傳感器具有更高的靈敏度，采用FLEXFZT技術，克服現(xiàn)有化工陶瓷材料脆性，柔韌性強。常規(guī)壓電電纜的安裝是采用單股安裝，存在精度低的缺點。本文采用了將一根壓電電纜繞成多股進行信號的采集，實驗表明有較好的效果。
1．2 電荷放大器
    根據(jù)壓電元件的工作原理，與壓電元件配套的放大測量電路也有兩種形式：一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比；另一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。
    電荷放大器的輸出與傳感器和電纜電容無關，但須視增益附加增益放大；電壓(高阻)放大器的輸出與傳感器和電纜電容有關，增益與時間常數(shù)獨立可調(diào)。由于電荷放大器與傳感器和電纜電容無關，所以本試驗就采用電荷放大器。在非理想運放下的的電荷放大電路如圖2所示。

    圖2中Q是壓電電纜產(chǎn)生輸入電荷，Cs是傳感器的電容，Ce是電纜電容，Ci是放大器的輸入電容，Cf是反饋電容，Rf是反饋電阻。當開環(huán)增益K足夠大的時，Cs、Ce、Ci的影響可忽略不計。并聯(lián)反饋電阻避免電容不斷累積電荷而造成運放輸出飽和。經(jīng)分析可得，電荷放大器輸出電壓僅取決于輸入電荷Q和反饋電路參數(shù)Cf，綜合體積和成本等各方面因素，AD538是最適合的芯片。汽車所產(chǎn)生的電荷在一定的范圍內(nèi)，所以選擇一個合適的Cf，就會使得U0在合理的范圍內(nèi)。
1．3 PSoC器件
    CY8C24794 CY8C24794包括一個全速(12 Mbps)USB2．0SIE(含有一個精度達0．25％的準確時鐘和一個符合USB2．0定時規(guī)范的集成振蕩器)，且不需要外部晶體，因而減少了元件和引腳數(shù)目。該器件提供了4個單向端點和1個雙向控制端點，以支持控制型、中斷型、等時型和成批型傳輸以及靈活的同步處理。它提供了多達48個模擬輸入，除了6個標準PSoC可配置模擬塊和4個數(shù)字塊之外，它還提供了16 kb快閃程序存儲器、1 kb SRAM數(shù)據(jù)存儲器和一個至專用256 b緩沖器的易用型8通道DMA(供USB SIE之用)。
    CY8C24794得到了開發(fā)軟件的支持，從而能夠在不到1小時的時間里完成基本實現(xiàn)方案的構(gòu)建。該軟件包括一個用戶模塊，可使設計方案得以快速實現(xiàn)。這種USBFS協(xié)議用戶模塊可生成旨在實現(xiàn)簡易型開發(fā)的應用程序設計接口(API)，并包括一個設置向?qū)?。該用戶模塊及其對應的API在用戶模塊數(shù)據(jù)表中進行了清晰的說明。還包括一個帶向?qū)У腍ID模塊。
    CY8C24794采用56引腳(8 mmx8 mm)MLF封裝。其工作電壓范圍為3．0～5．25 V，工作溫度范圍為-40～85℃，批量購買時的單價不到2.00美元。
    此模塊主要實現(xiàn)以下幾個功能：1)對電荷放大器轉(zhuǎn)換后的電壓信號進行放大濾波；2)將濾波后的模擬信號進行AD轉(zhuǎn)換，變成計算機能夠處理的數(shù)字信號；3)將轉(zhuǎn)換后的信號通過其內(nèi)含的USB接口傳送到計算機上。從實現(xiàn)的功能和價格等方面考慮，所以CY8C24794是最合理的選擇。

    根據(jù)以上幾個功能可以將CY8C24794配置成放大器、低通濾波器、AD和USB接口。CY8C24794的原理圖如圖3所示，信號從INPUT輸入，從D+、D-輸出，SCL和SDA為芯片的動態(tài)配置引腳。

2 PSoC內(nèi)部資源配置
    賽普拉斯半導體公司宣布推出業(yè)界首款也是唯一在單個封裝中包括無代碼與高級語言編程模式的集成設計環(huán)境PSoC Designer 5．0。賽普拉斯將其革命性的PSoC Express可視化嵌入式系統(tǒng)設計工具與功能齊全的PSoC Designer軟件進行完美結(jié)合，創(chuàng)建了一個全新的設計范例?，F(xiàn)在用戶可以在拖放式可視化設計模式(系統(tǒng)級瀏覽)下開始項目設計，然后移入C語言(芯片級瀏覽)進行基于代碼的設計，以精調(diào)并定制他們的項目，而所有這些步驟均可用一個PSoC Designer 5．0工具來完成。PSoC設計必須先完成芯片內(nèi)部資源規(guī)劃，其具體流程為：確定系統(tǒng)需求、選擇用戶模塊、放置用戶模塊、設置全局變量和用戶模塊參數(shù)、定義輸出引腳、產(chǎn)生應用代碼、編輯應用代碼。
    本系統(tǒng)所配置主要包括以下幾個用戶模塊：PGA模塊、LPF模塊、A／D模塊和USB模塊。配置的內(nèi)部硬件資源包括2個數(shù)字模塊：Counter16、ADCI NC1 2—1和3個模擬模塊LPF1、CMPP RG-1、PGA。
    PSoC全局資源配置如圖4所示。PSoC用戶模塊參數(shù)設置及內(nèi)部硬件資源配置如圖5所示。

    圖中上面一部分主要是AD數(shù)字部分的配置，利用了兩個數(shù)字模塊，圖的下方主要是濾波器和放大器部分的配置，放大器利用了一個模擬模塊，濾波器利用了兩個模擬模塊，AD也使用了一個模擬模塊。將它們的接口分別于內(nèi)部的模塊相連即完成了配置。用戶模塊的參數(shù)設置：PGA模塊設置的參數(shù)Gain為48，LPF模塊設置如圖6所示。

3 軟件設計
    PSoC芯片中的用戶模塊方便了硬件電路的實現(xiàn)，另外在對相應的模塊函數(shù)聲明之后，就可以方便地調(diào)整用戶模塊的API，從而非常直觀地進行模塊設置和系統(tǒng)編程。
    本系統(tǒng)的PSoc內(nèi)部程序如下：
 
    本程序主要工作流程：首先開單片機的全局時鐘，調(diào)用個模塊的API接口函數(shù)，使得單片機在規(guī)定的時鐘下進行采樣，數(shù)據(jù)傳輸。

4 試驗
    按照要求設計出電路板，將壓電電纜、電路板和PC按照一定次序連接，然后進行試驗，其中放大倍數(shù)和低通濾波器的參數(shù)設置可以根據(jù)試驗數(shù)據(jù)來進行合理的調(diào)整，然后在試驗過程中進行動態(tài)重配置，大大縮小了開發(fā)時間。在選擇了合適的參數(shù)后，得到的試驗結(jié)果如圖7所示。

    通過對信號波形的分析，在相同的試驗條件下，利用本系統(tǒng)所得到的波形和實驗室VXI系統(tǒng)所得波形基本上沒有什么差別，達到了初始的目的。
    圖7是車輛通過壓電電纜的圖形，圖中兩個波峰是車輛的前后輪通過壓電電纜的峰值，只要將此信號運用適當?shù)姆椒ǎ涂梢缘玫剿?jīng)過的車輛的真實重量。

5 結(jié)論
    PSoC的模擬和數(shù)字的高度集成為電子系統(tǒng)設計提供了一個良好的平臺。采用PSoC器件開發(fā)的動態(tài)稱重信號具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點。借助集成設計環(huán)境PSoC Designer5．0。設計人員更能充分發(fā)揮其靈活性，以難以置信的速度來解決現(xiàn)實環(huán)境中的各種設計問題。本系統(tǒng)能夠有效的采集車輛重量信號，遏制超重現(xiàn)象的發(fā)生，有望在國內(nèi)公路信息采集和管理系統(tǒng)中得到廣泛應用。