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(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了積極的推動(dòng)作用，但是我國(guó)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(duì)路橋基礎(chǔ)設(shè)施、交通安全、運(yùn)輸市場(chǎng)及車輛生產(chǎn)秩序造成了極大危害。設(shè)計(jì)檢測(cè)所需時(shí)間短、準(zhǔn)確度高的車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，對(duì)公路交通部門有效地實(shí)施治理超限，保證行車安全、延長(zhǎng)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(guó)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(lái)，國(guó)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(wèn)題已嚴(yán)重制約動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)在全國(guó)的普及和推廣。分析目前存在的亟待解決的問(wèn)題主要有：設(shè)備安裝對(duì)已建成的廣場(chǎng)開(kāi)挖面積大，設(shè)備安裝周期長(zhǎng)；車輛走S型通過(guò)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(wèn)題可以通過(guò)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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)量和軸重測(cè)量。本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)采用軸重測(cè)量，即分別測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的輸入端。目前在國(guó)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(wèn)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(cè)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(wú)熱釋電現(xiàn)象，工作可靠性高，壽命長(zhǎng)；
(5)對(duì)溫度的敏感性低，靈敏度變化極小，長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)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、TMS320C6 416信號(hào)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(lè)公司生產(chǎn)的9195型稱重傳感器，用來(lái)采集通過(guò)車輛的軸重電壓信號(hào)。9195型壓電石英傳感器長(zhǎng)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(hào)比較微弱，所以通過(guò)放大電路對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行放大；濾波電路用來(lái)濾除出信號(hào)中的噪聲。
(3)模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊
將采集的軸重電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP處理器可處理的數(shù)字信號(hào)。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(hào)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(wú)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。