动态称重信号采集系统设计

摘要：目前车辆动态称重信号采集系统存在体积大、集成度低等问题，PSoC(Programmable System onChip)内部具有丰富的数字资源和模拟资源，本文主要介绍了基于具有全速USB接口的PSoC芯片CY8C24794的车辆动态称重信号采集系统的软、硬件设计方法和实现。该系统小巧实用，便于携带，节省了USB接口芯片、AD等功能芯片，与VXI高速采集系统采集的信号相比，本系统的实验结果与VXI实验结果类似，系统很好满足了信号采集的要求。
关键词：PSoC；USB；动态称重；CY8C24794

    车辆动态称重WIM(Weighing In Motion)在道路运输管理与交通执法等方面有广泛应用价值。目前比较成熟的商品化WIM系统中采用的动态称重传感器大多是弯板传感器，其安装、维护比较麻烦。采用压电电缆作为WIM系统的动态称重传感器，具有应用简便的优势。常规信号的采集和处理电路存在电路板面积大和成本高等缺陷。本文介绍了基于Cypress半导体公司PSoC器件CY8C24794实现的动态称重信号的采集系统。整个系统设计无须再选择USB、A／D等器件，节约了成本和电路板的面积。所有PSoC器件都是可动态重配置的，使设计人员能动态地设计并实现新的系统功能。设计人员可在不同的时间段配置同一模块给不同的管脚，从而提高了芯片利用率。

1 系统结构及硬件电路
    在车辆压力冲击下，压电电缆中被挤出电荷，经电荷放大器放大转换后，转换成常见的电压信号，经过CY8C24794适当的处理后传送给计算机，进行后续的处理。
    如图1所示动态称重信号采集系统结构，整个系统中，除了压电电缆和电荷放大器之外，就只有PSoC器件CY8C24794，因此省去了USB接口、A／D转换等功能芯片，最大程度上简化了电路。

1．1 压电电缆
   压电电缆利用压电效应的原理，当轮胎经过压电电缆时，传感器受到压力作用产生电荷信号，经过电荷放大和电压放大以及一些信号处理之后，即获得所需电压信号，其幅度与所受压力成正比，信号的周期和轮胎停留在传感器上的时间相同。本试验采用的是韩国XIRE压电电缆，比现有高分子材料PVDF传感器具有更高的灵敏度，采用FLEXFZT技术，克服现有化工陶瓷材料脆性，柔韧性强。常规压电电缆的安装是采用单股安装，存在精度低的缺点。本文采用了将一根压电电缆绕成多股进行信号的采集，实验表明有较好的效果。
1．2 电荷放大器
    根据压电元件的工作原理，与压电元件配套的放大测量电路也有两种形式：一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比；另一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比。
    电荷放大器的输出与传感器和电缆电容无关，但须视增益附加增益放大；电压(高阻)放大器的输出与传感器和电缆电容有关，增益与时间常数独立可调。由于电荷放大器与传感器和电缆电容无关，所以本试验就采用电荷放大器。在非理想运放下的的电荷放大电路如图2所示。

    图2中Q是压电电缆产生输入电荷，Cs是传感器的电容，Ce是电缆电容，Ci是放大器的输入电容，Cf是反馈电容，Rf是反馈电阻。当开环增益K足够大的时，Cs、Ce、Ci的影响可忽略不计。并联反馈电阻避免电容不断累积电荷而造成运放输出饱和。经分析可得，电荷放大器输出电压仅取决于输入电荷Q和反馈电路参数Cf，综合体积和成本等各方面因素，AD538是最适合的芯片。汽车所产生的电荷在一定的范围内，所以选择一个合适的Cf，就会使得U0在合理的范围内。
1．3 PSoC器件
    CY8C24794 CY8C24794包括一个全速(12 Mbps)USB2．0SIE(含有一个精度达0．25％的准确时钟和一个符合USB2．0定时规范的集成振荡器)，且不需要外部晶体，因而减少了元件和引脚数目。该器件提供了4个单向端点和1个双向控制端点，以支持控制型、中断型、等时型和成批型传输以及灵活的同步处理。它提供了多达48个模拟输入，除了6个标准PSoC可配置模拟块和4个数字块之外，它还提供了16 kb快闪程序存储器、1 kb SRAM数据存储器和一个至专用256 b缓冲器的易用型8通道DMA(供USB SIE之用)。
    CY8C24794得到了开发软件的支持，从而能够在不到1小时的时间里完成基本实现方案的构建。该软件包括一个用户模块，可使设计方案得以快速实现。这种USBFS协议用户模块可生成旨在实现简易型开发的应用程序设计接口(API)，并包括一个设置向导。该用户模块及其对应的API在用户模块数据表中进行了清晰的说明。还包括一个带向导的HID模块。
    CY8C24794采用56引脚(8 mmx8 mm)MLF封装。其工作电压范围为3．0～5．25 V，工作温度范围为-40～85℃，批量购买时的单价不到2.00美元。
    此模块主要实现以下几个功能：1)对电荷放大器转换后的电压信号进行放大滤波；2)将滤波后的模拟信号进行AD转换，变成计算机能够处理的数字信号；3)将转换后的信号通过其内含的USB接口传送到计算机上。从实现的功能和价格等方面考虑，所以CY8C24794是最合理的选择。

    根据以上几个功能可以将CY8C24794配置成放大器、低通滤波器、AD和USB接口。CY8C24794的原理图如图3所示，信号从INPUT输入，从D+、D-输出，SCL和SDA为芯片的动态配置引脚。

2 PSoC内部资源配置
    赛普拉斯半导体公司宣布推出业界首款也是唯一在单个封装中包括无代码与高级语言编程模式的集成设计环境PSoC Designer 5．0。赛普拉斯将其革命性的PSoC Express可视化嵌入式系统设计工具与功能齐全的PSoC Designer软件进行完美结合，创建了一个全新的设计范例。现在用户可以在拖放式可视化设计模式(系统级浏览)下开始项目设计，然后移入C语言(芯片级浏览)进行基于代码的设计，以精调并定制他们的项目，而所有这些步骤均可用一个PSoC Designer 5．0工具来完成。PSoC设计必须先完成芯片内部资源规划，其具体流程为：确定系统需求、选择用户模块、放置用户模块、设置全局变量和用户模块参数、定义输出引脚、产生应用代码、编辑应用代码。
    本系统所配置主要包括以下几个用户模块：PGA模块、LPF模块、A／D模块和USB模块。配置的内部硬件资源包括2个数字模块：Counter16、ADCI NC1 2—1和3个模拟模块LPF1、CMPP RG-1、PGA。
    PSoC全局资源配置如图4所示。PSoC用户模块参数设置及内部硬件资源配置如图5所示。

    图中上面一部分主要是AD数字部分的配置，利用了两个数字模块，图的下方主要是滤波器和放大器部分的配置，放大器利用了一个模拟模块，滤波器利用了两个模拟模块，AD也使用了一个模拟模块。将它们的接口分别于内部的模块相连即完成了配置。用户模块的参数设置：PGA模块设置的参数Gain为48，LPF模块设置如图6所示。

3 软件设计
    PSoC芯片中的用户模块方便了硬件电路的实现，另外在对相应的模块函数声明之后，就可以方便地调整用户模块的API，从而非常直观地进行模块设置和系统编程。
    本系统的PSoc内部程序如下：
 
    本程序主要工作流程：首先开单片机的全局时钟，调用个模块的API接口函数，使得单片机在规定的时钟下进行采样，数据传输。

4 试验
    按照要求设计出电路板，将压电电缆、电路板和PC按照一定次序连接，然后进行试验，其中放大倍数和低通滤波器的参数设置可以根据试验数据来进行合理的调整，然后在试验过程中进行动态重配置，大大缩小了开发时间。在选择了合适的参数后，得到的试验结果如图7所示。

    通过对信号波形的分析，在相同的试验条件下，利用本系统所得到的波形和实验室VXI系统所得波形基本上没有什么差别，达到了初始的目的。
    图7是车辆通过压电电缆的图形，图中两个波峰是车辆的前后轮通过压电电缆的峰值，只要将此信号运用适当的方法，就可以得到所经过的车辆的真实重量。

5 结论
    PSoC的模拟和数字的高度集成为电子系统设计提供了一个良好的平台。采用PSoC器件开发的动态称重信号具有结构简单、集成度高、体积小、成本低、可靠性高等优点。借助集成设计环境PSoC Designer5．0。设计人员更能充分发挥其灵活性，以难以置信的速度来解决现实环境中的各种设计问题。本系统能够有效的采集车辆重量信号，遏制超重现象的发生，有望在国内公路信息采集和管理系统中得到广泛应用。