摘 要:通過(guò)分析目前國(guó)內(nèi)外使用的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)(WIM)存在的問(wèn)題，選擇石英壓電稱(chēng)重傳感器作為動(dòng)態(tài)稱(chēng)重傳感器，并采用TMS320C6416的DSP核心器件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，利用Delphi完成了該動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)測(cè)量精度低、所需時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，通過(guò)實(shí)測(cè)表明該系統(tǒng)運(yùn)行良好，應(yīng)用前景廣泛。

關(guān)鍵詞:動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng); 石英壓電稱(chēng)重傳感器; TMS320C6416; 稱(chēng)重軟件

中圖分類(lèi)號(hào):TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(yùn)輸業(yè)的發(fā)展對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了積極的推動(dòng)作用，但是我國(guó)公路運(yùn)輸車(chē)輛超限超載現(xiàn)象極為普遍，在嚴(yán)重的地區(qū)，幾乎所有的貨運(yùn)車(chē)輛都存在不同程度的超限超載行為。車(chē)輛超限超載運(yùn)輸對(duì)路橋基礎(chǔ)設(shè)施、交通安全、運(yùn)輸市場(chǎng)及車(chē)輛生產(chǎn)秩序造成了極大危害[1]。設(shè)計(jì)檢測(cè)所需時(shí)間短、準(zhǔn)確度高的車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，對(duì)公路交通部門(mén)有效地實(shí)施治理超限，保證行車(chē)安全、延長(zhǎng)公路的使用壽命、降低公路養(yǎng)護(hù)的成本等方面起著至關(guān)重要的作用，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)主要應(yīng)用在道路交通調(diào)查、超限運(yùn)輸管理和計(jì)重收費(fèi)方面。2001年以來(lái)，國(guó)內(nèi)部分省市嘗試采用計(jì)重收費(fèi)這一經(jīng)濟(jì)手段治理超限運(yùn)輸[2]。實(shí)踐證明，采取以計(jì)重收費(fèi)與行政手段相結(jié)合的辦法，能有效治理超限運(yùn)輸。雖然目前計(jì)重收費(fèi)取得了一定的成就，但暴露的問(wèn)題已嚴(yán)重制約動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)在全國(guó)的普及和推廣。分析目前存在的亟待解決的問(wèn)題主要有:設(shè)備安裝對(duì)已建成的廣場(chǎng)開(kāi)挖面積大，設(shè)備安裝周期長(zhǎng);車(chē)輛走S型通過(guò)秤臺(tái)，走S型能把輪胎向下的壓力部分分解為橫向扭矩，影響稱(chēng)重結(jié)果;尤其是稱(chēng)重結(jié)果誤差較大容易造成車(chē)主和收費(fèi)人員之間的征費(fèi)矛盾[3]。

上述問(wèn)題可以通過(guò)改進(jìn)稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效解決，本文拋棄了傳統(tǒng)的彎板式稱(chēng)重平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，采用了壓電石英傳感器作為動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的稱(chēng)重傳感器，此系統(tǒng)由于設(shè)備簡(jiǎn)單、規(guī)模小，減少了安裝施工難度，并提高了該系統(tǒng)的稱(chēng)重精度和效率。動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)硬件采用基于TMS320C6416的DSP核心器件設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)表明所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)運(yùn)行良好，可應(yīng)用于公路運(yùn)輸車(chē)輛超限檢測(cè)等相關(guān)行業(yè)。

1 稱(chēng)重傳感器的選擇

車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重主要有兩種方式:整車(chē)測(cè)量和軸重測(cè)量。本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)采用軸重測(cè)量，即分別測(cè)出車(chē)輛各軸的軸重，再由稱(chēng)重系統(tǒng)計(jì)算出整車(chē)重量。

稱(chēng)重傳感器作為動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的核心器件，是測(cè)量系統(tǒng)的輸入端。目前在國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)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(chēng)重平臺(tái)、光纖傳感器等。以上傳感器由于價(jià)格、性能、使用壽命等問(wèn)題，容易導(dǎo)致動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)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(yīng)用。石英傳感器的溫漂極小，低速、高速狀態(tài)下都可進(jìn)行稱(chēng)量，同時(shí)石英的物理特性比較穩(wěn)定，其靈敏度隨時(shí)間變化較小。

壓電石英稱(chēng)重傳感器是利用石英晶體的縱向壓電效應(yīng)將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。與其他采用的傳感器相比較有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 量程范圍廣，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕;

(2) 靈敏度高，測(cè)量值可到上百?lài)嵼d荷，又能分辨出小至幾公斤的動(dòng)態(tài)力;

(3) 剛度大，固有頻率高(幾十千赫以上)，是同尺寸應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的8倍，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快;

(4) 時(shí)間老化率低，無(wú)熱釋電現(xiàn)象，工作可靠性高，壽命長(zhǎng);

(5) 對(duì)溫度的敏感性低，靈敏度變化極小，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好;

(6) 在使用時(shí)不用事先調(diào)整平衡，操作方便。

石英晶體敏感元件惟一的缺點(diǎn)是不能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量。綜上所述，完全可以選擇壓電石英稱(chēng)重傳感器作為動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的軸重稱(chēng)重傳感器。

2 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)組成框圖

基于TMS320C6416動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(shù)轉(zhuǎn)換模塊、TMS320C6416信號(hào)處理模塊、存儲(chǔ)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(tǒng)硬件組成框圖

2.2 系統(tǒng)功能

(1) 壓電石英式傳感器

系統(tǒng)采用奇石樂(lè)公司生產(chǎn)的9195型稱(chēng)重傳感器，用來(lái)采集通過(guò)車(chē)輛的軸重電壓信號(hào)。9195型壓電石英傳感器長(zhǎng)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(chēng)重傳感器采集的電信號(hào)比較微弱，所以通過(guò)放大電路對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行放大;濾波電路用來(lái)濾除出信號(hào)中的噪聲。

(3) 模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

將采集的軸重電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP處理器可處理的數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)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(hào)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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍)。ADS5517最高采樣率為200 MIPS，支持11位采樣分辨率，支持內(nèi)部采樣和保持。

(4) TMS320C6416信號(hào)處理模塊

該模塊采用高性能的TI公司的TMS320C6416 DSP芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理。TMS320C6416是目前能力最強(qiáng)大的處理器(DSP)，它的主頻高達(dá)600 MHz，內(nèi)部包括1個(gè)DSP內(nèi)核、一級(jí)數(shù)據(jù)Cache、一級(jí)程序Cache、二級(jí)存儲(chǔ)器、增強(qiáng)型DMA控制器(EDMA)、Vterbi譯碼協(xié)處理器(VCP)、Turbo譯碼協(xié)處理器(TCP);對(duì)外接口包括2個(gè)外部存儲(chǔ)器接口(EMIFA和EMIFB)、主機(jī)接口(HPI)、PCI接口、UTOPIA接口、多通道緩沖串口(McBSP)。

TMS320C6416采用了兩級(jí)超高速緩存器，即16 KB的一級(jí)數(shù)據(jù)Cache、16 KB的一級(jí)程序Cache和1 024 KB的數(shù)據(jù)和程序統(tǒng)一內(nèi)存。如果需要擴(kuò)展緩存，1 024 Kb內(nèi)存中的256 Kb存儲(chǔ)空間可設(shè)置用作二級(jí)Cache。在內(nèi)存和外設(shè)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(shù)據(jù)傳輸都由EDMA來(lái)處理。 TMS320C6416的EDMA共有64個(gè)通道，每個(gè)通道的優(yōu)先級(jí)都可編程設(shè)置，每個(gè)通道都對(duì)應(yīng)一個(gè)專(zhuān)用同步觸發(fā)事件，使得EDMA可以被外設(shè)來(lái)的中斷、外部硬件中斷、其他EDMA傳輸完成的中斷等事件觸發(fā)，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的搬移。EDMA完成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)搬移后，可從通道傳輸參數(shù)記錄指定的鏈接地址處重新加載該通道傳輸參數(shù)。EDMA傳輸完成后，EDMA控制器可以產(chǎn)生一個(gè)到DSP內(nèi)核的中斷，也可以產(chǎn)生一個(gè)中斷觸發(fā)另一個(gè)EDMA通道開(kāi)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(shù)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(guò)該芯片可使多種局部總線快速轉(zhuǎn)換到PCI總線上。根據(jù)PCI規(guī)范，主設(shè)備和從設(shè)備的劃分本質(zhì)上是確定數(shù)據(jù)傳輸雙方訪問(wèn)與被訪問(wèn)的能力和關(guān)系。在此，PCI9052只能由主機(jī)或擁有總線主控制能力的其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，但由于其內(nèi)部有64 B寫(xiě)FIFO和32 B讀FIFO，使PCI9052的局部總線和PCI總線能互相獨(dú)立工作。PCI9052允許設(shè)計(jì)相對(duì)的低速局部總線在PCI總線上獲得132 MB/s的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸速度。

2.3 硬件電路

系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

3 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)、稱(chēng)重收費(fèi)子系統(tǒng)三部分組成。軟件利用Delphi語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件具有友好的用戶(hù)界面，可方便地實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示。

3.1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)流程圖

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)軟件其主要功能包括實(shí)時(shí)采集稱(chēng)重傳感器的電壓信號(hào)，并可調(diào)整數(shù)據(jù)采集速率，顯示測(cè)試電壓值，并保存現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。其中用戶(hù)界面如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)

該系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的后臺(tái)管理軟件。兩廂轎車(chē)通過(guò)傳感器實(shí)測(cè)后采集的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)軟件界面

圖5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)的顯示界面

3.3 稱(chēng)重收費(fèi)子系統(tǒng)

稱(chēng)重收費(fèi)系統(tǒng)是利用測(cè)量數(shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)算法計(jì)算車(chē)量，系統(tǒng)界面可直接顯示車(chē)輛總重，并可通過(guò)輸入收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)顯示需繳納的費(fèi)用，其界面如圖6所示。實(shí)測(cè)表明，此系統(tǒng)用戶(hù)界面友好、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行時(shí)間短，可有效縮短測(cè)量時(shí)間，提高運(yùn)行效率和精度。

圖6 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重子系統(tǒng)的用戶(hù)界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)主要特點(diǎn)是節(jié)省時(shí)間、效率高，使得稱(chēng)重時(shí)不至于造成對(duì)正常交通的干擾，這對(duì)公路建設(shè)與管理有著極為重要的應(yīng)用，尤其解決了目前高速公路所采用的稱(chēng)重系統(tǒng)存在的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重時(shí)間長(zhǎng)、精度差、對(duì)路面破壞嚴(yán)重且維修困難的問(wèn)題。具體體現(xiàn)在:

(1) 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重平臺(tái)的設(shè)計(jì)上拋棄了傳統(tǒng)的平板式稱(chēng)重平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，采用了壓電石英傳感器作為動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的稱(chēng)重傳感器，提高了該系統(tǒng)的稱(chēng)重精度和效率。

(2) 設(shè)計(jì)基于TMS320C6416的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，并利用Delphi完成動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，并能夠完成稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、收費(fèi)等功能，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)軟硬件運(yùn)行良好，車(chē)重結(jié)果數(shù)據(jù)可靠，完全達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。

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