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高速数据采集在动态称重仪中的应用
发布时间:2021-05-18
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随着中国经济的不断发展和各地物流业的不断扩大,有些人为了追求更高的局部利益,往往会擅自改装运输工具动态称重仪的称重系统,增大车载量,从而导致超载现象屡见不鲜。根据“四次方原则”,车辆超载给我国的公路,桥梁等交通基础设施带来了极大的破坏力。

动态称重仪能够在车辆行驶过程中得知其重量,该自动化称重仪器由于不会给交通带来堵塞而受到各交通部门的青睐。由于动态称重过程中得到的信号是短历程、非平稳信号,称重信号中混杂了很多干扰信号。因此,为了净化信号,本仪器系统设计引入了小波分析去噪和神经网络等新型算法,但这些算法计算量大的缺点严重影响到称重仪的运行效率,即仪器只有等整个称重算法运行完后,才能开始新一轮的数据采集。为此,目前一些动态称重仪使用多CPU来解决这个问题,但这又增加了仪器灵活性和复杂性,而且成本也会提高。

为了解决上述问题.本文设计了一个基于CPLD的数据采集通道,以配合动态电子称重仪完成对动态称重信号的数据采集。

称重仪系统结构

称重传感器将压力变换成电信号,并经放大滤波电路后送入ADC进行模数转换,然后将数字信号写入到CPLD中的一存储体中。该存储体存满后,CPLD将向处理器申请DMA传输,同时将新AD值写入到另一存储体中。本动态称重仪采用S3C44B0X处理器,并将处理器内部ZDMA设置为全服务模式(whole service mode)。当DMA结束时,系统将输出清零信号以将当前读的CPLD存储体清空。

动态称重仪系统设计

2.1  放大电路的设计

选用CS-l型动态称重传感器主要是因为该传感器线性度好,重复性好,具有自动复位和抗偏抗伸能力,而且安装称重仪表使用方便,互换性好。

本称重仪采用铰链式称重平台。为了使平台更稳定设计时采用两个传感器来支撑载荷,两传感器输出的信号分别经称重变送器放大和滤波,然后再叠加并经滤波电路送给ADC电路。

由于ADC芯片MAX120为差分输入,故可将其中一路信号反相后,再送入ADC电路,这样便可实现两路信号的叠加。

2.2  ADC电路的设计

MAX120是集采样保持电路和精密电源电路于一体的12位ADC,它的转换时间是1.6μs,采样率是500 ksps,内外采样模式可选。

本称重仪的采样速率为100 kbps,MAX120工作在模式5,即连续转换模式。在该模式下,MAX120每14个时钟完成一次转换,所以要求输入时钟为1.4 MHz,该时钟可由处理器输出的时钟经CPLD分频得到。

本电路使用内部精密参考电源。传感器的信号经滤波放大后送到MAX120,再经内部采样保持电路后便开始转换,然后经14个时钟周期后完成一次转换,此时INT/BUSY变为低电平,并由D0~D12送出转换后的数字信号,并一直保持到下一次转换结束。该电路用INT/BUSY作为串行时钟,并利用其下降沿将转换后的数据打入CPLD中的存储体。

2.3  CPLD动态称重模块设计

EDA技术的快速发展使FPGA/CPLD的片上资源越来越丰富,尤其是其高速性能和片上RAM,使其特别适用于数据采集的设计。本设计选用Altera公司的FLEX10K30E器件.该器件含有8个EAB(嵌入式阵列),每个EAB能够提供4K位存储位,每个EAB都有双口RAM实现能力:芯片可提供30000逻辑门;门级延时仅6.5 ns。本系统中的CPLD设计主要包含地址发生器、双端口RAM、控制逻辑等。

动态称重系统上电后,ADC一直处于连续转换模式。为了对轴重的全程信号(车轮上称重板到离开称重板的检测信号)进行记录,CPLD模块内部设计有一比较器。可当重量达到一定值时(认为有效轴重),打开门以开始将AD值存储存储体中;而当AD值低于有效轴重时,认为是车轮离开称重板,此时将关闭门并产生DMA请求,以请求将数据取走。

为了进一步提高数据存取的效率,设计中采用了换体存储技术,即将2K字的存储器分为两个存储体I和II,I的地址为0x000~0x3FF,II的地址为0x400~0x7FF,它们均设计为双口RAM。分为两个存储体的好处是在向I写数据时.处理器可以同时从II读取数据,反之亦然,这样便可提高数据的访问效率,同时可简化双口RAM的设计难度(如单元的读写不再会产生冲突)。

称重仪中的地址发生器是10位的加法计数器,它以MAX120的转换信号INT/BUSY作为计数脉冲,其计数值可作为存储体的地址,并在AD转换完后由计数器产生一新单元地址,同时将AD值锁存到数据缓冲中,并将数据存储到该存储单元中。当地址发生器地址越界时(存储体I或II满),系统便向处理器发出DMA请求。

DMA处理结束后,由处理器产生DMA结束中断。在中断程序中,由软件将源地址设为另一存储体的地址,并激活清0信号CLR,以将刚读过的存储体清0,以便在下次DMA请求时传输另一存储体的数据。需要说明的是本系统中的处理器必须在10 ms内响应DMA操作,否则,存储体中的数据可能被破坏。

结束语

在高速数据采集电路中用CPLD来实现数据换体存储及一些复杂的时序逻辑功能,可使电路大大简化;同时与处理器配合并采用DMA数据传输方式可提高称量系统的运行效率。事实上,本系统是针对动态称重仪而设计的数据在采集电路,具有一定的通用性,其动态称重仪表也具有较高的称重精度。

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