動態稱重信號采集系統設計

摘要：目前車輛動態稱重信號采集系統存在體積大、集成度低等問題，PSoC(Programmable System onChip)內部具有豐富的數字資源和模擬資源，本文主要介紹了基于具有全速USB接口的PSoC芯片CY8C24794的車輛動態稱重信號采集系統的軟、硬件設計方法和實現。該系統小巧實用，便于攜帶，節省了USB接口芯片、AD等功能芯片，與VXI高速采集系統采集的信號相比，本系統的實驗結果與VXI實驗結果類似，系統很好滿足了信號采集的要求。
關鍵詞：PSoC；USB；動態稱重；CY8C24794

車輛動態稱重WIM(Weighing In Motion)在道路運輸管理與交通執法等方面有廣泛應用價值。目前比較成熟的商品化WIM系統中采用的動態稱重傳感器大多是彎板傳感器，其安裝、維護比較麻煩。采用壓電電纜作為WIM系統的動態稱重傳感器，具有應用簡便的優勢。常規信號的采集和處理電路存在電路板面積大和成本高等缺陷。本文介紹了基于Cypress半導體公司PSoC器件CY8C24794實現的動態稱重信號的采集系統。整個系統設計無須再選擇USB、A／D等器件，節約了成本和電路板的面積。所有PSoC器件都是可動態重配置的，使設計人員能動態地設計并實現新的系統功能。設計人員可在不同的時間段配置同一模塊給不同的管腳，從而提高了芯片利用率。

1 系統結構及硬件電路
在車輛壓力沖擊下，壓電電纜中被擠出電荷，經電荷放大器放大轉換后，轉換成常見的電壓信號，經過CY8C24794適當的處理后傳送給計算機，進行后續的處理。
如圖1所示動態稱重信號采集系統結構，整個系統中，除了壓電電纜和電荷放大器之外，就只有PSoC器件CY8C24794，因此省去了USB接口、A／D轉換等功能芯片，最大程度上簡化了電路。

1．1 壓電電纜
壓電電纜利用壓電效應的原理，當輪胎經過壓電電纜時，傳感器受到壓力作用產生電荷信號，經過電荷放大和電壓放大以及一些信號處理之后，即獲得所需電壓信號，其幅度與所受壓力成正比，信號的周期和輪胎停留在傳感器上的時間相同。本試驗采用的是韓國XIRE壓電電纜，比現有高分子材料PVDF傳感器具有更高的靈敏度，采用FLEXFZT技術，克服現有化工陶瓷材料脆性，柔韌性強。常規壓電電纜的安裝是采用單股安裝，存在精度低的缺點。本文采用了將一根壓電電纜繞成多股進行信號的采集，實驗表明有較好的效果。
1．2 電荷放大器
根據壓電元件的工作原理，與壓電元件配套的放大測量電路也有兩種形式：一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比；另一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。
電荷放大器的輸出與傳感器和電纜電容無關，但須視增益附加增益放大；電壓(高阻)放大器的輸出與傳感器和電纜電容有關，增益與時間常數獨立可調。由于電荷放大器與傳感器和電纜電容無關，所以本試驗就采用電荷放大器。在非理想運放下的的電荷放大電路如圖2所示。

圖2中Q是壓電電纜產生輸入電荷，Cs是傳感器的電容，Ce是電纜電容，Ci是放大器的輸入電容，Cf是反饋電容，Rf是反饋電阻。當開環增益K足夠大的時，Cs、Ce、Ci的影響可忽略不計。并聯反饋電阻避免電容不斷累積電荷而造成運放輸出飽和。經分析可得，電荷放大器輸出電壓僅取決于輸入電荷Q和反饋電路參數Cf，綜合體積和成本等各方面因素，AD538是最適合的芯片。汽車所產生的電荷在一定的范圍內，所以選擇一個合適的Cf，就會使得U0在合理的范圍內。