趙永紅

（商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘 476000）

用電容稱(chēng)重裝置測(cè)量載荷，由于工作環(huán)境惡劣，會(huì)使電容稱(chēng)重傳感器的輸出結(jié)果存在很多干擾，而電容稱(chēng)重傳感器的真實(shí)載荷信號(hào)非常微弱，這樣會(huì)使真實(shí)的載荷信號(hào)淹沒(méi)在干擾信號(hào)中，如果不進(jìn)行有效的濾波處理，就會(huì)導(dǎo)致稱(chēng)重結(jié)果的不準(zhǔn)確。因此，濾波器設(shè)計(jì)是車(chē)輛電容稱(chēng)重裝置中的關(guān)鍵技術(shù)之一，它直接關(guān)系到測(cè)量的精度。通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)調(diào)理電路的模擬電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，利用MATLAB仿真軟件對(duì)濾波算法的性能進(jìn)行分析，并將數(shù)字濾波算法程序下載到DSP芯片TMS320VC5416中，配合整個(gè)電容稱(chēng)重裝置對(duì)車(chē)輛載荷稱(chēng)重的分析。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

文中采用了以DSP芯片TMS320VC5416為核心的系統(tǒng)方案。測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。從結(jié)構(gòu)上說(shuō)系統(tǒng)包括4部分：電容稱(chēng)重傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、USB數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理電路[1]。

電容稱(chēng)重傳感器可以將車(chē)輛前后軸重量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓Ｐ盘?hào)調(diào)理電路選用了具有消除雜散電容影響能力的四相檢測(cè)電荷轉(zhuǎn)移式微電容測(cè)量線路。通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡可以把信號(hào)調(diào)理電路的模擬電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，通過(guò)USB數(shù)據(jù)總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，將采集到的含有電壓信息的數(shù)字量信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，借助于計(jì)算機(jī)中面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)采集軟件和文中的數(shù)字濾波器，可以將結(jié)果進(jìn)行分析、計(jì)算、曲線擬合和繪圖[2]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以DSP為核心，組成一個(gè)集信號(hào)采集、處理為一身的電容稱(chēng)重系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路由模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、復(fù)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(shù)轉(zhuǎn)換電路將采集到的實(shí)時(shí)信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)以供濾波器進(jìn)行處理。電源模塊提供系統(tǒng)工作所需的各種電壓，如I/O電壓、內(nèi)核電壓等等。本系統(tǒng)中采用了較低工作頻率的DSP復(fù)位時(shí)鐘模式。JTAG接口供數(shù)字信號(hào)處理芯片下載程序以進(jìn)行調(diào)試[3]。

2.1 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)位，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，以及在系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致程序指針跑飛的情況下能夠可靠的復(fù)位，采用MAX706芯片作為看門(mén)狗電路的主芯片。其中，WDWDI為來(lái)自系統(tǒng)的輸入信號(hào)，它可以清除看門(mén)狗的內(nèi)部計(jì)數(shù)器，在系統(tǒng)正常工作過(guò)程中，系統(tǒng)必須在看門(mén)狗的定時(shí)時(shí)間內(nèi)給出該信號(hào)以便清除看門(mén)狗的內(nèi)部計(jì)數(shù)器，防止計(jì)數(shù)器產(chǎn)生溢出而導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)位；WDREST為看門(mén)狗的輸出信號(hào)，在WDWDI沒(méi)有輸入而計(jì)數(shù)器溢出的情況下，看門(mén)狗輸出該信號(hào)，作為系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)。如圖3所示。

圖3 看門(mén)狗電路Fig.3 Watchdog circuit

2.2 電源模塊的設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，，由于所需的器件數(shù)目和種類(lèi)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(shè)計(jì)分成3個(gè)部分：

第1部分完成220 V市電到9 V交流電壓的轉(zhuǎn)換，采用交流降壓變壓器來(lái)完成。

第2部分完成9 V交流電壓到+6 V和+5 V電壓的轉(zhuǎn)換，9 V交流電壓先由整流模塊轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后再經(jīng)由三端穩(wěn)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(zhuǎn)化，采用TPS767D301芯片完成該部分的轉(zhuǎn)換。該部分的電路如圖 4所示[4-5]。

3 MATLAB軟件仿真結(jié)果

根據(jù)濾波器的性能和指標(biāo)，首先對(duì)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)中的頻率，如邊界頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的頻率指標(biāo)作為模擬濾波器原型設(shè)計(jì)指標(biāo)[6-7]。利用MATLAB對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波仿真，其程序如下：

由上面程序得到仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 IIR低通濾波器仿真結(jié)果Fig.5 Simulation of IIR Low-pass filter

圖6 輸入的采樣數(shù)據(jù)及濾波后的結(jié)果Fig.6 Input sample data and the filtered results

圖7 輸入采樣數(shù)據(jù)的幅值及相位Fig.7 Amplitude of the input sample data and phase

4 結(jié) 論

通過(guò)用MATLAB軟件進(jìn)行調(diào)試仿真，設(shè)計(jì)合適的濾波器參數(shù)，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真輸出，再次調(diào)式濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)到仿真輸出滿意的濾波效果，并根據(jù)MATLAB調(diào)式好的濾波器參數(shù)編寫(xiě)程序，最終輸出的濾波結(jié)果證明文中所提出的對(duì)車(chē)輛電容稱(chēng)重裝置的采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理的方案是切實(shí)可行的，系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)也達(dá)到了預(yù)期的要求。

[1]趙永紅.車(chē)輛電容稱(chēng)重裝置中數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2008.

[2]張寧.基于虛擬儀器的車(chē)輛稱(chēng)重傳感器的分析[J].電子設(shè)計(jì)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(lǐng)，蔚永強(qiáng)，張寧，等.基于DSP I/O口的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電測(cè)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(lǐng)，張寧，楊三序.基于AD7891的車(chē)輛稱(chēng)重采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)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(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與仿真 [J].計(jì)算機(jī)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(yùn)放的窄帶濾波器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)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.