基于DSP的動態稱重系統設計

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。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。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。
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TMS3 20C6416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。
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、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SFlDR(Spuribus-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。