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高速數據采集在動態稱重儀中的應用
發布時間:2021-05-18
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隨著中國經濟的不斷發展和各地物流業的不斷擴大,有些人為了追求更高的局部利益,往往會擅自改裝運輸工具動態稱重儀的稱重系統,增大車載量,從而導致超載現象屢見不鮮。根據“四次方原則”,車輛超載給我國的公路,橋梁等交通基礎設施帶來了極大的破壞力。

動態稱重儀能夠在車輛行駛過程中得知其重量,該自動化稱重儀器由于不會給交通帶來堵塞而受到各交通部門的青睞。由于動態稱重過程中得到的信號是短歷程、非平穩信號,稱重信號中混雜了很多干擾信號。因此,為了凈化信號,本儀器系統設計引入了小波分析去噪和神經網絡等新型算法,但這些算法計算量大的缺點嚴重影響到稱重儀的運行效率,即儀器只有等整個稱重算法運行完后,才能開始新一輪的數據采集。為此,目前一些動態稱重儀使用多CPU來解決這個問題,但這又增加了儀器靈活性和復雜性,而且成本也會提高。

為了解決上述問題.本文設計了一個基于CPLD的數據采集通道,以配合動態電子稱重儀完成對動態稱重信號的數據采集。

稱重儀系統結構

稱重傳感器將壓力變換成電信號,并經放大濾波電路后送入ADC進行模數轉換,然后將數字信號寫入到CPLD中的一存儲體中。該存儲體存滿后,CPLD將向處理器申請DMA傳輸,同時將新AD值寫入到另一存儲體中。本動態稱重儀采用S3C44B0X處理器,并將處理器內部ZDMA設置為全服務模式(whole service mode)。當DMA結束時,系統將輸出清零信號以將當前讀的CPLD存儲體清空。

動態稱重儀系統設計

2.1  放大電路的設計

選用CS-l型動態稱重傳感器主要是因為該傳感器線性度好,重復性好,具有自動復位和抗偏抗伸能力,而且安裝稱重儀表使用方便,互換性好。

本稱重儀采用鉸鏈式稱重平臺。為了使平臺更穩定設計時采用兩個傳感器來支撐載荷,兩傳感器輸出的信號分別經稱重變送器放大和濾波,然后再疊加并經濾波電路送給ADC電路。

由于ADC芯片MAX120為差分輸入,故可將其中一路信號反相后,再送入ADC電路,這樣便可實現兩路信號的疊加。

2.2  ADC電路的設計

MAX120是集采樣保持電路和精密電源電路于一體的12位ADC,它的轉換時間是1.6μs,采樣率是500 ksps,內外采樣模式可選。

本稱重儀的采樣速率為100 kbps,MAX120工作在模式5,即連續轉換模式。在該模式下,MAX120每14個時鐘完成一次轉換,所以要求輸入時鐘為1.4 MHz,該時鐘可由處理器輸出的時鐘經CPLD分頻得到。

本電路使用內部精密參考電源。傳感器的信號經濾波放大后送到MAX120,再經內部采樣保持電路后便開始轉換,然后經14個時鐘周期后完成一次轉換,此時INT/BUSY變為低電平,并由D0~D12送出轉換后的數字信號,并一直保持到下一次轉換結束。該電路用INT/BUSY作為串行時鐘,并利用其下降沿將轉換后的數據打入CPLD中的存儲體。

2.3  CPLD動態稱重模塊設計

EDA技術的快速發展使FPGA/CPLD的片上資源越來越豐富,尤其是其高速性能和片上RAM,使其特別適用于數據采集的設計。本設計選用Altera公司的FLEX10K30E器件.該器件含有8個EAB(嵌入式陣列),每個EAB能夠提供4K位存儲位,每個EAB都有雙口RAM實現能力:芯片可提供30000邏輯門;門級延時僅6.5 ns。本系統中的CPLD設計主要包含地址發生器、雙端口RAM、控制邏輯等。

動態稱重系統上電后,ADC一直處于連續轉換模式。為了對軸重的全程信號(車輪上稱重板到離開稱重板的檢測信號)進行記錄,CPLD模塊內部設計有一比較器。可當重量達到一定值時(認為有效軸重),打開門以開始將AD值存儲存儲體中;而當AD值低于有效軸重時,認為是車輪離開稱重板,此時將關閉門并產生DMA請求,以請求將數據取走。

為了進一步提高數據存取的效率,設計中采用了換體存儲技術,即將2K字的存儲器分為兩個存儲體I和II,I的地址為0x000~0x3FF,II的地址為0x400~0x7FF,它們均設計為雙口RAM。分為兩個存儲體的好處是在向I寫數據時.處理器可以同時從II讀取數據,反之亦然,這樣便可提高數據的訪問效率,同時可簡化雙口RAM的設計難度(如單元的讀寫不再會產生沖突)。

稱重儀中的地址發生器是10位的加法計數器,它以MAX120的轉換信號INT/BUSY作為計數脈沖,其計數值可作為存儲體的地址,并在AD轉換完后由計數器產生一新單元地址,同時將AD值鎖存到數據緩沖中,并將數據存儲到該存儲單元中。當地址發生器地址越界時(存儲體I或II滿),系統便向處理器發出DMA請求。

DMA處理結束后,由處理器產生DMA結束中斷。在中斷程序中,由軟件將源地址設為另一存儲體的地址,并激活清0信號CLR,以將剛讀過的存儲體清0,以便在下次DMA請求時傳輸另一存儲體的數據。需要說明的是本系統中的處理器必須在10 ms內響應DMA操作,否則,存儲體中的數據可能被破壞。

結束語

在高速數據采集電路中用CPLD來實現數據換體存儲及一些復雜的時序邏輯功能,可使電路大大簡化;同時與處理器配合并采用DMA數據傳輸方式可提高稱量系統的運行效率。事實上,本系統是針對動態稱重儀而設計的數據在采集電路,具有一定的通用性,其動態稱重儀表也具有較高的稱重精度。

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