基于DSP的稱重系統中濾波器的實現

趙永紅

（商丘師范學院 物理與電氣信息學院，河南 商丘 476000）

用電容稱重裝置測量載荷，由于工作環境惡劣，會使電容稱重傳感器的輸出結果存在很多干擾，而電容稱重傳感器的真實載荷信號非常微弱，這樣會使真實的載荷信號淹沒在干擾信號中，如果不進行有效的濾波處理，就會導致稱重結果的不準確。因此，濾波器設計是車輛電容稱重裝置中的關鍵技術之一，它直接關系到測量的精度。通過數據采集卡將信號調理電路的模擬電壓值轉變為數字量，存儲到計算機中，利用MATLAB仿真軟件對濾波算法的性能進行分析，并將數字濾波算法程序下載到DSP芯片TMS320VC5416中，配合整個電容稱重裝置對車輛載荷稱重的分析。

1 系統總體方案設計

文中采用了以DSP芯片TMS320VC5416為核心的系統方案。測試系統如圖1所示。從結構上說系統包括4部分：電容稱重傳感器、信號調理電路、USB數據采集卡、數據處理電路[1]。

電容稱重傳感器可以將車輛前后軸重量的變化轉變為電容量的變化。信號調理電路選用了具有消除雜散電容影響能力的四相檢測電荷轉移式微電容測量線路。通過數據采集卡可以把信號調理電路的模擬電壓值轉變為數字量，通過USB數據總線與計算機進行通信，將采集到的含有電壓信息的數字量信息存儲到計算機中，借助于計算機中面向對象的數據采集軟件和文中的數字濾波器，可以將結果進行分析、計算、曲線擬合和繪圖[2]。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of system

2 系統硬件設計

本系統以DSP為核心，組成一個集信號采集、處理為一身的電容稱重系統。系統硬件電路由模/數轉換電路、復位電路、電源電路等組成。如圖2所示。

圖2 硬件電路的原理框圖Fig.2 Principle frame of hardware circuit

模/數轉換電路將采集到的實時信號變為數字信號以供濾波器進行處理。電源模塊提供系統工作所需的各種電壓，如I/O電壓、內核電壓等等。本系統中采用了較低工作頻率的DSP復位時鐘模式。JTAG接口供數字信號處理芯片下載程序以進行調試[3]。

2.1 復位電路的設計

為了對系統進行上電復位，保證系統穩定可靠地運行，以及在系統出現故障導致程序指針跑飛的情況下能夠可靠的復位，采用MAX706芯片作為看門狗電路的主芯片。其中，WDWDI為來自系統的輸入信號，它可以清除看門狗的內部計數器，在系統正常工作過程中，系統必須在看門狗的定時時間內給出該信號以便清除看門狗的內部計數器，防止計數器產生溢出而導致系統的復位；WDREST為看門狗的輸出信號，在WDWDI沒有輸入而計數器溢出的情況下，看門狗輸出該信號，作為系統的復位信號。如圖3所示。

圖3 看門狗電路Fig.3 Watchdog circuit

2.2 電源模塊的設計

在本系統中，，由于所需的器件數目和種類比較多，而所需的供電電壓也有很多不同之處，為了滿足這些不同的電壓需求，電源模塊的設計分成3個部分：

第1部分完成220 V市電到9 V交流電壓的轉換，采用交流降壓變壓器來完成。

第2部分完成9 V交流電壓到+6 V和+5 V電壓的轉換，9 V交流電壓先由整流模塊轉換為直流電壓，然后再經由三端穩壓模塊得到所需的直流電壓。

圖4 電源電路Fig.4 Power circuit

第3部分完成直流+5 V到直流+3.3 V和+1.6 V的轉化，采用TPS767D301芯片完成該部分的轉換。該部分的電路如圖 4所示[4-5]。

3 MATLAB軟件仿真結果

根據濾波器的性能和指標，首先對設計性能指標中的頻率，如邊界頻率進行轉換，轉換后的頻率指標作為模擬濾波器原型設計指標[6-7]。利用MATLAB對采集數據進行濾波仿真，其程序如下：

由上面程序得到仿真結果如圖5所示。

圖5 IIR低通濾波器仿真結果Fig.5 Simulation of IIR Low-pass filter

圖6 輸入的采樣數據及濾波后的結果Fig.6 Input sample data and the filtered results

圖7 輸入采樣數據的幅值及相位Fig.7 Amplitude of the input sample data and phase

4 結 論

通過用MATLAB軟件進行調試仿真，設計合適的濾波器參數，并對采樣數據進行仿真輸出，再次調式濾波器設計參數到仿真輸出滿意的濾波效果，并根據MATLAB調式好的濾波器參數編寫程序，最終輸出的濾波結果證明文中所提出的對車輛電容稱重裝置的采集信號進行數字濾波處理的方案是切實可行的，系統的軟硬件設計也達到了預期的要求。

[1]趙永紅.車輛電容稱重裝置中數字濾波器的設計[D].鎮江：江蘇大學，2008.

[2]張寧.基于虛擬儀器的車輛稱重傳感器的分析[J].電子設計工程，2011（10）:67-69.

ZHANG Ning.Analysis of transducer in the traffic weighting based on Virtual Instrument[J].Electronic Design Engineering，2011（10）:67-69.

[3]趙綱領，蔚永強，張寧，等.基于DSP I/O口的多路高速數據采集系統設計[J].電測與儀表，2007（2）：54-56.

ZHAO Gang-ling，YU Yong-qiang，ZHANG Ning，et al.Amultichannel high speed acquisition method based on DSP I/O port[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2007（2）54-56.

[4]趙綱領，張寧，楊三序.基于AD7891的車輛稱重采集系統設計[J].電子設計工程，2009（6）：104-105.

ZHAO Gang-ling，ZHANG Ning，YANG San-xu.Design of vehicle weighing data acquisition system based on AD7891[J].Electronic Design Engineering，2009（6）:104-105.

[5]Senini S，Wolfs P J.Analysis and design of a multipleloop control system for a hybrid active filted[J].IEEE Trans.On Industry Electronics，2002，49 （6）:1283-1292.

[6]屈星，唐寧.基于FPGA的IIR數字濾波器的設計與仿真 [J].計算機仿真，2009，26（8）:304-307.

QU Xing，TANG Ning.Design of IIR digital filter based on FPGA[J].Computer Simulate，2009，26（8）:304-307.

[7]劉寶明，崔玉萍，潘青.基于運放的窄帶濾波器設計[J].電子設計工程，2011（11）： 91-93.

LIU Bao-ming，CUI Yu-ping，PAN Qing.Design of narrow-band filter based on operational amplifier[J].Electronic Design Engineering，2011（11）:91-93.