基于DSP的動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計

0 引言
交通運輸業(yè)的發(fā)展對國民經(jīng)濟建設(shè)起到了積極的推動作用，但是我國公路運輸車輛超限超載現(xiàn)象極為普遍，在嚴重的地區(qū)，幾乎所有的貨運車輛都存在不同程度的超限超載行為。車輛超限超載運輸對路橋基礎(chǔ)設(shè)施、交通安全、運輸市場及車輛生產(chǎn)秩序造成了極大危害。設(shè)計檢測所需時間短、準確度高的車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)，對公路交通部門有效地實施治理超限，保證行車安全、延長公路的使用壽命、降低公路養(yǎng)護的成本等方面起著至關(guān)重要的作用，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟價值。
目前國內(nèi)的動態(tài)稱重系統(tǒng)主要應(yīng)用在道路交通調(diào)查、超限運輸管理和計重收費方面。2001年以來，國內(nèi)部分省市嘗試采用計重收費這一經(jīng)濟手段治理超限運輸。實踐證明，采取以計重收費與行政手段相結(jié)合的辦法，能有效治理超限運輸。雖然目前計重收費取得了一定的成就，但暴露的問題已嚴重制約動態(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，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人員之間的征費矛盾。
上述問題可以通過改進稱重系統(tǒng)設(shè)計有效解決，本文拋棄了傳統(tǒng)的彎板式稱重平臺設(shè)計方法，采用了壓電石英傳感器作為動態(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。動態(tài)稱重系統(tǒng)硬件采用基于TMS3 20C6416的DSP核心器件設(shè)計，實測表明所設(shè)計的動態(tài)稱重系統(tǒng)運行良好，可應(yīng)用于公路運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)計的動態(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)計算出整車重量。
稱重傳感器作為動態(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)外動態(tài)稱重系統(tǒng)實際應(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、光纖傳感器等。以上傳感器由于價格、性能、使用壽命等問題，容易導致動態(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)下都可進行稱量，同時石英的物理特性比較穩(wěn)定，其靈敏度隨時間變化較小。
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：
(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，動態(tài)響應(yīng)快；
(4)時間老化率低，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是不能在長時間內(nèi)進行靜態(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態(tài)稱重系統(tǒng)的軸重稱重傳感器。

2 動態(tài)稱重系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 硬件系統(tǒng)組成框圖
基于TMS320C6416動態(tài)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括：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信號處理模塊、存儲器模塊、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。