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DSP动态称重系统设计方案解析
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2017-10-21
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0 引言
交通运输业的发展对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是我国公路运输车辆超限超载现象极为普遍，在严重的地区，几乎所有的货运车辆都存在不同程度的超限超载行为。车辆超限超载运输对路桥基础设施、交通安全、运输市场及车辆生产秩序造成了极大危害。设计检测所需时间短、准确度高的车辆动态称重系统，对公路交通部门有效地实施治理超限，保证行车安全、延长公路的使用寿命、降低公路养护的成本等方面起着至关重要的作用，具有显著的社会效益和经济价值。
目前国内的动态称重系统主要应用在道路交通调查、超限运输管理和计重收费方面。2001年以来，国内部分省市尝试采用计重收费这一经济手段治理超限运输。实践证明，采取以计重收费与行政手段相结合的办法，能有效治理超限运输。虽然目前计重收费取得了一定的成就，但暴露的问题已严重制约动态称重系统在全国的普及和推广。分析目前存在的亟待解决的问题主要有：设备安装对已建成的广场开挖面积大，设备安装周期长；车辆走S型通过秤台，走S型能把轮胎向下的压力部分分解为横向扭矩，影响称重结果；尤其是称重结果误差较大容易造成车主和收费人员之间的征费矛盾。
上述问题可以通过改进称重系统设计有效解决，本文抛弃了传统的弯板式称重平台设计方法，采用了压电石英传感器作为动态称重系统的称重传感器，此系统由于设备简单、规模小，减少了安装施工难度，并提高了该系统的称重精度和效率。动态称重系统硬件采用基于TMS3 20C6416的DSP核心器件设计，实测表明所设计的动态称重系统运行良好，可应用于公路运输车辆超限检测等相关行业。
1 称重传感器的选择
车辆动态称重主要有两种方式：整车测量和轴重测量。本文设计的动态称重系统采用轴重测量，即分别测出车辆各轴的轴重，再由称重系统计算出整车重量。
称重传感器作为动态称重系统的核心器件，是测量系统的输入端。目前在国内外动态称重系统实际应用中主要采用共聚化合物式压电传感器、电容式传感器、桥式称重平台、光纤传感器等。以上传感器由于价格、性能、使用寿命等问题，容易导致动态称重系统精度不高。
本文选用压电石英式传感器，它是一种新型的传感器，近几年由于其性能得到较大的提高，目前得到一定的应用。石英传感器的温漂极小，低速、高速状态下都可进行称量，同时石英的物理特性比较稳定，其灵敏度随时间变化较小。
压电石英称重传感器是利用石英晶体的纵向压电效应将重量信号转换成电信号的装置。与其他采用的传感器相比较有以下优点：
（1）量程范围广，结构紧凑、体积小、重量轻；
（2）灵敏度高，测量值可到上百吨载荷，又能分辨出小至几公斤的动态力；
（3）刚度大，固有频率高（几十千赫以上），是同尺寸应变式称重传感器的8倍，动态响应快；
（4）时间老化率低，无热释电现象，工作可靠性高，寿命长；
（5）对温度的敏感性低，灵敏度变化极小，长期稳定性好；
（6）在使用时不用事先调整平衡，操作方便。
石英晶体敏感元件惟一的缺点是不能在长时间内进行静态测量。综上所述，完全可以选择压电石英称重传感器作为动态称重系统的轴重称重传感器。
2 动态称重系统硬件设计
2．1 硬件系统组成框图
基于TMS320C6416动态称重系统的硬件设计主要包括：压电石英式传感器、放大电路模块、滤波电路模块、模／数转换模块、TMS320C*16信号处理模块、存储器模块、PCI接口模块、电源电路模块组成，其组成框图如图1所示。
2．2 系统功能
（1）压电石英式传感器
系统采用奇石乐公司生产的9195型称重传感器，用来采集通过车辆的轴重电压信号。9195型压电石英传感器长1 000 mm，宽度为50 mm，高度为44 mm。
（2）放大及滤波电路模块
由于压电石英称重传感器采集的电信号比较微弱，所以通过放大电路对传感器采集的信号进行放大；滤波电路用来滤除出信号中的噪声。
（3）模／数转换模块
将采集的轴重电压信号转换成DSP处理器可处理的数字信号。本系统采用ADS5517芯片。ADS5517是TI公司新近推出的一款高采样率、高性能的模／数转换器，它拥有小封装体积和高模拟带宽，并且在高频模拟信号输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，无杂散动态范围）。ADS5517最高采样率为200 MIPS，支持11位采样分辨率，支持内部采样和保持。
（4）TMS320C6416信号处理模块
该模块采用高性能的TI公司的TMS320C6416DSP芯片负责数据的采集和处理。TMS320C6416是目前能力最强大的处理器（DSP），它的主频高达600 MHz，内部包括1个DSP内核、一级数据Cache、一级程序Cache、二级存储器、增强型DMA控制器（EDMA）、Vterbi译码协处理器（VCP）、T-urbo译码协处理器（TCP）；对外接口包括2个外部存储器接口（EMIFA和EMIFB）、主机接口（HPI）、PCI接口、UTOPIA接口、多通道缓冲串口（McB-SP）。
TMS320C6416采用了两级超高速缓存器，即16 KB的一级数据Cache、16 KB的一级程序Cache和1 024 KB的数据和程序统一内存。如果需要扩展缓存，1 024 Kb内存中的256 Kb存储空问可设置用作二级Cache。在内存和外设接口（EMIFA接口、EMIFB接口、HPI或PCI接口、McBSP串口、UTOPIA接口等）之间所有的数据传输都由EDMA来处理。TMS320C6416的EDMA共有64个通道，每个通道的优先级都可编程设置，每个通道都对应一个专用同步触发事件，使得EDMA可以被外设来的中断、外部硬件中断、其他EDMA传输完成的中断等事件触发，开始进行数据的搬移。 EDMA完成一个完整的数据搬移后，可从通道传输参数记录指定的链接地址处重新加载该通道传输参数。EDMA传输完成后，EDMA控制器可以产生一个到DSP内核的中断，也可以产生一个中断触发另一个EDMA通道开始传输。
（5）PCI接口模块
该模块采用PCI Technology公司的桥接芯片PCI9052。PCI9052是PLX技术公司继PCI9050之后推出的低成本低功耗、高性能的总线接口芯片，通过该芯片可使多种局部总线快速转换到PCI总线上。根据PCI规范，主设备和从设备的划分本质上是确定数据传输双方访问与被访问的能力和关系。在此，PCI9052只能由主机或拥有总线主控制能力的其他设备进行数据的读写操作，但由于其内部有64 B写FIFO和32 B读FIFO，使PCI9052的局部总线和PCI总线能互相独立工作。PCI9052允许设计相对的低速局部总线在PCI总线上获得132 MB／s的突发数据传输速度。
交通运输业的发展对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是我国公路运输车辆超限超载现象极为普遍，在严重的地区，几乎所有的货运车辆都存在不同程度的超限超载行为。车辆超限超载运输对路桥基础设施、交通安全、运输市场及车辆生产秩序造成了极大危害。设计检测所需时间短、准确度高的车辆动态称重系统，对公路交通部门有效地实施治理超限，保证行车安全、延长公路的使用寿命、降低公路养护的成本等方面起着至关重要的作用，具有显著的社会效益和经济价值。
目前国内的动态称重系统主要应用在道路交通调查、超限运输管理和计重收费方面。2001年以来，国内部分省市尝试采用计重收费这一经济手段治理超限运输。实践证明，采取以计重收费与行政手段相结合的办法，能有效治理超限运输。虽然目前计重收费取得了一定的成就，但暴露的问题已严重制约动态称重系统在全国的普及和推广。分析目前存在的亟待解决的问题主要有：设备安装对已建成的广场开挖面积大，设备安装周期长；车辆走S型通过秤台，走S型能把轮胎向下的压力部分分解为横向扭矩，影响称重结果；尤其是称重结果误差较大容易造成车主和收费人员之间的征费矛盾。
上述问题可以通过改进称重系统设计有效解决，本文抛弃了传统的弯板式称重平台设计方法，采用了压电石英传感器作为动态称重系统的称重传感器，此系统由于设备简单、规模小，减少了安装施工难度，并提高了该系统的称重精度和效率。动态称重系统硬件采用基于TMS3 20C6416的DSP核心器件设计，实测表明所设计的动态称重系统运行良好，可应用于公路运输车辆超限检测等相关行业。
1 称重传感器的选择
车辆动态称重主要有两种方式：整车测量和轴重测量。本文设计的动态称重系统采用轴重测量，即分别测出车辆各轴的轴重，再由称重系统计算出整车重量。
称重传感器作为动态称重系统的核心器件，是测量系统的输入端。目前在国内外动态称重系统实际应用中主要采用共聚化合物式压电传感器、电容式传感器、桥式称重平台、光纤传感器等。以上传感器由于价格、性能、使用寿命等问题，容易导致动态称重系统精度不高。
本文选用压电石英式传感器，它是一种新型的传感器，近几年由于其性能得到较大的提高，目前得到一定的应用。石英传感器的温漂极小，低速、高速状态下都可进行称量，同时石英的物理特性比较稳定，其灵敏度随时间变化较小。
压电石英称重传感器是利用石英晶体的纵向压电效应将重量信号转换成电信号的装置。与其他采用的传感器相比较有以下优点：
（1）量程范围广，结构紧凑、体积小、重量轻；
（2）灵敏度高，测量值可到上百吨载荷，又能分辨出小至几公斤的动态力；
（3）刚度大，固有频率高（几十千赫以上），是同尺寸应变式称重传感器的8倍，动态响应快；
（4）时间老化率低，无热释电现象，工作可靠性高，寿命长；
（5）对温度的敏感性低，灵敏度变化极小，长期稳定性好；
（6）在使用时不用事先调整平衡，操作方便。
石英晶体敏感元件惟一的缺点是不能在长时间内进行静态测量。综上所述，完全可以选择压电石英称重传感器作为动态称重系统的轴重称重传感器。
2 动态称重系统硬件设计
2．1 硬件系统组成框图
基于TMS320C6416动态称重系统的硬件设计主要包括：压电石英式传感器、放大电路模块、滤波电路模块、模／数转换模块、TMS320C*16信号处理模块、存储器模块、PCI接口模块、电源电路模块组成，其组成框图如图1所示。
2．2 系统功能
（1）压电石英式传感器
系统采用奇石乐公司生产的9195型称重传感器，用来采集通过车辆的轴重电压信号。9195型压电石英传感器长1 000 mm，宽度为50 mm，高度为44 mm。
（2）放大及滤波电路模块
由于压电石英称重传感器采集的电信号比较微弱，所以通过放大电路对传感器采集的信号进行放大；滤波电路用来滤除出信号中的噪声。
（3）模／数转换模块
将采集的轴重电压信号转换成DSP处理器可处理的数字信号。本系统采用ADS5517芯片。ADS5517是TI公司新近推出的一款高采样率、高性能的模／数转换器，它拥有小封装体积和高模拟带宽，并且在高频模拟信号输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，无杂散动态范围）。ADS5517最高采样率为200 MIPS，支持11位采样分辨率，支持内部采样和保持。
（4）TMS320C6416信号处理模块
该模块采用高性能的TI公司的TMS320C6416DSP芯片负责数据的采集和处理。TMS320C6416是目前能力最强大的处理器（DSP），它的主频高达600 MHz，内部包括1个DSP内核、一级数据Cache、一级程序Cache、二级存储器、增强型DMA控制器（EDMA）、Vterbi译码协处理器（VCP）、T-urbo译码协处理器（TCP）；对外接口包括2个外部存储器接口（EMIFA和EMIFB）、主机接口（HPI）、PCI接口、UTOPIA接口、多通道缓冲串口（McB-SP）。
TMS320C6416采用了两级超高速缓存器，即16 KB的一级数据Cache、16 KB的一级程序Cache和1 024 KB的数据和程序统一内存。如果需要扩展缓存，1 024 Kb内存中的256 Kb存储空问可设置用作二级Cache。在内存和外设接口（EMIFA接口、EMIFB接口、HPI或PCI接口、McBSP串口、UTOPIA接口等）之间所有的数据传输都由EDMA来处理。TMS320C6416的EDMA共有64个通道，每个通道的优先级都可编程设置，每个通道都对应一个专用同步触发事件，使得EDMA可以被外设来的中断、外部硬件中断、其他EDMA传输完成的中断等事件触发，开始进行数据的搬移。 EDMA完成一个完整的数据搬移后，可从通道传输参数记录指定的链接地址处重新加载该通道传输参数。EDMA传输完成后，EDMA控制器可以产生一个到DSP内核的中断，也可以产生一个中断触发另一个EDMA通道开始传输。
（5）PCI接口模块
该模块采用PCI Technology公司的桥接芯片PCI9052。PCI9052是PLX技术公司继PCI9050之后推出的低成本低功耗、高性能的总线接口芯片，通过该芯片可使多种局部总线快速转换到PCI总线上。根据PCI规范，主设备和从设备的划分本质上是确定数据传输双方访问与被访问的能力和关系。在此，PCI9052只能由主机或拥有总线主控制能力的其他设备进行数据的读写操作，但由于其内部有64 B写FIFO和32 B读FIFO，使PCI9052的局部总线和PCI总线能互相独立工作。PCI9052允许设计相对的低速局部总线在PCI总线上获得132 MB／s的突发数据传输速度。
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