基于DSP的動態稱重系統設計

摘 要:通過分析目前國內外使用的動態稱重系統(WIM)存在的問題，選擇石英壓電稱重傳感器作為動態稱重傳感器，并采用TMS320C6416的DSP核心器件設計并實現了相應的動態稱重系統，利用Delphi完成了該動態稱重系統的軟件設計。該系統克服了傳統動態稱重系統測量精度低、所需時間長等缺點，通過實測表明該系統運行良好，應用前景廣泛。

關鍵詞:動態稱重系統; 石英壓電稱重傳感器; TMS320C6416; 稱重軟件

中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0183-04

Design of Dynamic Weigh-in-Motion System Based on DSP

PAN Ruo-yu

(Department of Communication Engineering， Xi’an Post Telecommunication College， Xi’an 710121， China)

Abstract: The piezoelectric quartz weighing sensor is selected as a weigh-in-motion (WIM) sensor for solving the problems of WIM used at home and abroad. The WIM system is designed and realized by adopting the DSP kernel device of TMS320C6416， and the software design of WIM system is completed by Delphi. The WIM system overcomes shortcomings of the traditional WIM system， such as low-precision and long time. The simulation results show that the WIM system has good operation and wide application foreground.

Keywords: weigh-in-motion system; piezoelectric quartz weighing sensor; TMS320C6416; weighing software

0 引 言

交通運輸業的發展對國民經濟建設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象極為普遍，在嚴重的地區，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設施、交通安全、運輸市場及車輛生產秩序造成了極大危害[1]。設計檢測所需時間短、準確度高的車輛動態稱重系統，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、降低公路養護的成本等方面起著至關重要的作用，具有顯著的社會效益和經濟價值。

目前國內的動態稱重系統主要應用在道路交通調查、超限運輸管理和計重收費方面。2001年以來，國內部分省市嘗試采用計重收費這一經濟手段治理超限運輸[2]。實踐證明，采取以計重收費與行政手段相結合的辦法，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稱重系統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:設備安裝對已建成的廣場開挖面積大，設備安裝周期長;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，影響稱重結果;尤其是稱重結果誤差較大容易造成車主和收費人員之間的征費矛盾[3]。

上述問題可以通過改進稱重系統設計有效解決，本文拋棄了傳統的彎板式稱重平臺設計方法，采用了壓電石英傳感器作為動態稱重系統的稱重傳感器，此系統由于設備簡單、規模小，減少了安裝施工難度，并提高了該系統的稱重精度和效率。動態稱重系統硬件采用基于TMS320C6416的DSP核心器件設計，實測表明所設計的動態稱重系統運行良好，可應用于公路運輸車輛超限檢測等相關行業。

1 稱重傳感器的選擇

車輛動態稱重主要有兩種方式:整車測量和軸重測量。本文設計的動態稱重系統采用軸重測量，即分別測出車輛各軸的軸重，再由稱重系統計算出整車重量。

稱重傳感器作為動態稱重系統的核心器件，是測量系統的輸入端。目前在國內外動態稱重系統實際應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，容易導致動態稱重系統精度不高[4]。

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，目前得到一定的應用。石英傳感器的溫漂極小，低速、高速狀態下都可進行稱量，同時石英的物理特性比較穩定，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將重量信號轉換成電信號的裝置。與其他采用的傳感器相比較有以下優點:

(1) 量程范圍廣，結構緊湊、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力;

(3) 剛度大，固有頻率高(幾十千赫以上)，是同尺寸應變式稱重傳感器的8倍，動態響應快;

(4) 時間老化率低，無熱釋電現象，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，長期穩定性好;

(6) 在使用時不用事先調整平衡，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進行靜態測量。綜上所述，完全可以選擇壓電石英稱重傳感器作為動態稱重系統的軸重稱重傳感器。

2 動態稱重系統硬件設計

2.1 硬件系統組成框圖

基于TMS320C6416動態稱重系統的硬件設計主要包括:壓電石英式傳感器、放大電路模塊、濾波電路模塊、模/數轉換模塊、TMS320C6416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。

圖1 系統硬件組成框圖

2.2 系統功能

(1) 壓電石英式傳感器

系統采用奇石樂公司生產的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/數轉換模塊

將采集的軸重電壓信號轉換成DSP處理器可處理的數字信號。本系統采用ADS5517芯片。ADS5517是TI公司新近推出的一款高采樣率、高性能的模/數轉換器，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SFDR(Spurious-Free Dynamic Range，無雜散動態范圍)。ADS5517最高采樣率為200 MIPS，支持11位采樣分辨率，支持內部采樣和保持。

(4) TMS320C6416信號處理模塊

該模塊采用高性能的TI公司的TMS320C6416 DSP芯片負責數據的采集和處理。TMS320C6416是目前能力最強大的處理器(DSP)，它的主頻高達600 MHz，內部包括1個DSP內核、一級數據Cache、一級程序Cache、二級存儲器、增強型DMA控制器(EDMA)、Vterbi譯碼協處理器(VCP)、Turbo譯碼協處理器(TCP);對外接口包括2個外部存儲器接口(EMIFA和EMIFB)、主機接口(HPI)、PCI接口、UTOPIA接口、多通道緩沖串口(McBSP)。

TMS320C6416采用了兩級超高速緩存器，即16 KB的一級數據Cache、16 KB的一級程序Cache和1 024 KB的數據和程序統一內存。如果需要擴展緩存，1 024 Kb內存中的256 Kb存儲空間可設置用作二級Cache。在內存和外設接口(EMIFA接口、EMIFB接口、HPI或PCI接口、McBSP串口、UTOPIA接口等)之間所有的數據傳輸都由EDMA來處理。 TMS320C6416的EDMA共有64個通道，每個通道的優先級都可編程設置，每個通道都對應一個專用同步觸發事件，使得EDMA可以被外設來的中斷、外部硬件中斷、其他EDMA傳輸完成的中斷等事件觸發，開始進行數據的搬移。EDMA完成一個完整的數據搬移后，可從通道傳輸參數記錄指定的鏈接地址處重新加載該通道傳輸參數。EDMA傳輸完成后，EDMA控制器可以產生一個到DSP內核的中斷，也可以產生一個中斷觸發另一個EDMA通道開始傳輸。

(5) PCI接口模塊

該模塊采用PCI Technology公司的橋接芯片PCI9052。PCI9052是PLX技術公司繼PCI9050之后推出的低成本低功耗、高性能的總線接口芯片，通過該芯片可使多種局部總線快速轉換到PCI總線上。根據PCI規范，主設備和從設備的劃分本質上是確定數據傳輸雙方訪問與被訪問的能力和關系。在此，PCI9052只能由主機或擁有總線主控制能力的其他設備進行數據的讀寫操作，但由于其內部有64 B寫FIFO和32 B讀FIFO，使PCI9052的局部總線和PCI總線能互相獨立工作。PCI9052允許設計相對的低速局部總線在PCI總線上獲得132 MB/s的突發數據傳輸速度。

2.3 硬件電路

系統硬件電路圖如圖2所示。

圖2 系統硬件電路圖

3 動態稱重系統軟件設計

系統的軟件設計由數據采集子系統、數據存儲管理子系統、稱重收費子系統三部分組成。軟件利用Delphi語言編寫，軟件具有友好的用戶界面，可方便地實現稱重數據的存儲、顯示。

3.1 數據采集子系統軟件設計

數據采集軟件設計的流程圖如圖3所示。

圖3 數據采集子系統流程圖

數據采集子系統軟件其主要功能包括實時采集稱重傳感器的電壓信號，并可調整數據采集速率，顯示測試電壓值，并保存現場數據。其中用戶界面如圖4所示。

3.2 數據存儲管理子系統

該系統是動態稱重系統的后臺管理軟件。兩廂轎車通過傳感器實測后采集的數據如圖5所示。

圖4 數據采集子系統軟件界面

圖5 數據存儲管理子系統的顯示界面

3.3 稱重收費子系統

稱重收費系統是利用測量數據根據相關算法計算車量，系統界面可直接顯示車輛總重，并可通過輸入收費標準，實時顯示需繳納的費用，其界面如圖6所示。實測表明，此系統用戶界面友好、操作簡單、運行時間短，可有效縮短測量時間，提高運行效率和精度。

圖6 動態稱重子系統的用戶界面

4 結 語

本文設計的動態稱重系統主要特點是節省時間、效率高，使得稱重時不至于造成對正常交通的干擾，這對公路建設與管理有著極為重要的應用，尤其解決了目前高速公路所采用的稱重系統存在的動態稱重時間長、精度差、對路面破壞嚴重且維修困難的問題。具體體現在:

(1) 動態稱重平臺的設計上拋棄了傳統的平板式稱重平臺設計方法，采用了壓電石英傳感器作為動態稱重系統的稱重傳感器，提高了該系統的稱重精度和效率。

(2) 設計基于TMS320C6416的動態稱重系統，并利用Delphi完成動態稱重系統的軟件設計，并能夠完成稱重數據的采集、存儲、收費等功能，系統運行穩定。

通過實驗表明，該系統軟硬件運行良好，車重結果數據可靠，完全達到實際應用要求。

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