基于AD7891的车辆称重采集系统设计

　　引言

　　为彻底消灭超载现象，禁止超载车辆上路，实现司机在驾驶室内就可知道车辆的载荷情况，而地面稽查人员通过无线通信装置可随时随地检测车辆的载荷量，从而有利于制止车辆的超载行为。因此，这里提出一种基于AD7891的车辆称重采集系统设计方案。该系统设计采用电容法检测车辆载荷，并利用车辆本身的板弹簧作为称重传感器的弹性体。

　　2 车辆称重系统简介

　　车辆电容称重装置安装在被测车辆上。称重装置的核心器件是电容称重传感器，电容传感器的极板安装在车辆轮轴的中部上方与车厢底(或车架)之间，通过测量车辆板弹簧的形变转换为电容值的变化，得到载荷值。图1为车载式电容称重传感器示意图。

　　在车辆称重系统中，若车辆有前后两根轮轴，则图2为车辆称重系统框图。前后传感器将载荷变化转换为电容变化；电容测量电路将电容值转换为电压值；DSP将传感器输出的电压值进行加转换，其数据经运算、处理后，将整车载荷值送至显示器。由于系统中需采集的数据量较大，特别是动态称重测量，为了满足系统的实时性需求，车辆称重采集系统采用AD7891和TMS320LF2407 DSP实现车辆称重数据采集。

　　3 系统硬件设计

　　系统采用美国ADI公司的AD7891型A／D转换器，它是一种内含输入多路转换器和采样保持放大器的12位数据采集系统(DAS)，输入模拟信号范围为-10～+10 V，理论精度指标可达4．88 mV，适合与各种微处理器、控制器以及数字信号处理机连接。它和DSP有并行和串行两种工作模式，并有8个具有过压保护的模拟信号通道，允许过压值为±17 V，只对1个通道信号采样时，最大采样速率可达454．5 kS／s。AD7891采用单电源工作，功耗低。非常适用于数据采集系统和测试设备等方面应用。因此，该车辆称重系统采用AD7891完全能够满足系统各项要求。在高速采集系统中，AD7891与DSP相结合通常采用串行或并行方式，利用软件控制数据线方式实现系统要求的采集速度。AD7891与DSP采用并行方式，使用DSPI／O端口的A、B、C、D、E数据和方向控制器实现AD7891的时序控制。另外由于DSP的I/O端口电压为3．3 V，而AD7-891的端口电压为5 V，当DSP的端口只向AD7891的端口发送信号时．通过DSP的I／O端口直接接至AD7891；但如果从AD7891的端口直接向DSP的端口发送信号则有可能损坏DSP。因此需要高速双向电平转换器，这里选用P174LVCC424-5A，由于一片P174LVCC4245A只能处理8位数据线，因此需要2片P174LVCC4245A进行电平匹配。其硬件连接电路如图3所示．图3中DSP对A。D7891的时序控制完全是通过TMS320LF2407 DSP的I/O端口实现，D[O：11]指向DSP接口。AD7891的CS、WR、CONVST、RD、EOC时序控制引脚分别与DSP I／O端口的IOPB4、IOPB5、IOPB6、IOPB7、IOPF4相匹配。AD7891引脚和DSP I／O端口通过2片电平转换器P174LVCC4245A连接，其引脚配置如图3所示。

　　4 系统软件设计

　　系统程序流程主要是对采集到的数据进行误差分析处理。图4为车辆称重数据处理程序流程．其中初始化DSP、AD7891和外围元件，包括设置堆栈指针，设置定时器工作模式并使其能中断，设置数据存储器初值及对A／D转换器初始化等。系统上电后，首先执行初始化程序。初始化完成后．调用信号采集和A／D转换程序，分别采集前、后轮轴的电容传感器输出信号和车辆加速度传感器输出信号。

　　通过图4看出．程序的关键就是准确采集到传感器输出电压。为实现车辆称重系统的高速采样，首先分析AD7891的时序，图5为AD7891并行工作时序。

　　图5中，t1为从CS到RD/WR的触发时间，t2为写脉冲宽度，不小于35 ns；t3为写有效数据时间，不小于25 ns；t4为有效数据保持时间，不小于5 ns；t5为CS到RD/WR的保持时间，t6为CONVST脉冲宽度时间，不小于35 ns;t7为EOC脉冲宽度时间，不小于55 ns；t8为度脉冲宽度，不小于35 ns；t9为RD下降沿之后读数据时间，不小于25 ns；tCONV为转换时间，不大于1．6μs。为实现测控系统的高速实时采样必须合理准确分配以上各时间，AD7891的工作时序全部由DSP的I／O端口实现。系统DSP主频时钟为30 MHz，采用分频15 MHz输出，单周期指令运行的时间为33 ns。用C语言执行一个I／O端口指令，编译完后，大概需要4个周期指令时间。下面是测控系统DSP对通道1采集的C语言程序代码：

　　以上程序代码完全能够控制图5所示的AD7891时序，从而满足车辆称重系统对采集系统准确、实时、高速的要求。

　　5 试验结果

　　车辆称重系统试验是在额定载量为500 kg的轻型货车上进行的。试验时驾驶室乘坐2人，体重共75kg，车厢内靠前部均匀摆放沙袋作为载荷，车速最高为40 km／h。图6记录了车辆静止一起步一加速一制动一停止全过程中采集输出电压的变化曲线。图6中时间段：0～9 s为发动机熄火静止和点火阶段，此时，前、后轴采集输出电压均无变化：9～18 s为挂挡加速起步阶段，此时加速度明显增大，前轴传感器采集输出电压降低，后轴传感器采集输出电压升高；以后的18~32 s阶段，包括换挡、加速过程，换挡时车辆滑行，加速度减小，前轴采集输出电压升高，后轴输出电压降低；从第32 s进入脱挡阶段，开始制动，加速度急剧减小，前轴采集输出电压明显升高，后轴采集输出电压降低，第38 s时达到最大峰值点。试验结果证明，该系统设计能够完成系统对数据高速实时采集的需求。

　　6 结论

　　车辆称重采集系统采用DSP的I／O端口读取AD7891的数据。通过对DSP编程完全控制AD7891的时序，虽然占用大量的DSP I／O端口．但由于TMS320LF2407 DSP I／O端口丰富，因此这种实现方式完全可行。该装置结构简单，成本低廉，不仅能够满足车辆的静态称重，而且动态称重的精度也高于2％，完全能满足公路超载检测要求。