在動態(tài)稱重系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)采集電路有什么應(yīng)用？

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和各地物流業(yè)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，增大車載量，從而導(dǎo)致超載現(xiàn)象屢見不鮮。根據(jù)“四次方原則”，車輛超載給我國的公路，橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施帶來了極大的破壞力。

動態(tài)稱重系統(tǒng)能夠在車輛行駛過程中得知其重量，該系統(tǒng)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(tài)稱重過程中得到的信號是短歷程、非平穩(wěn)信號，信號中混雜了很多于攏信號。因此，為了凈化信號，本設(shè)計引入了小波分析去噪和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新型算法，但這些算法計算量大的缺點嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的運行效率，即系統(tǒng)只有等整個算法運行完后，才能開始新一輪的數(shù)據(jù)采集。為此，目前一些動態(tài)稱重系統(tǒng)使用多CPU來解決這個問題，但這又增加了系統(tǒng)靈活性和復(fù)雜性，而且成本也會提高。

為了解決上述問題．本文設(shè)計了一個基于CPLD的數(shù)據(jù)采集通道，以配合動態(tài)稱重系統(tǒng)完成對動態(tài)稱重信號的數(shù)據(jù)采集。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本動態(tài)稱重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中，稱重傳感器將壓力變換成電信號，并經(jīng)放大濾波電路后送入ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)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(tài)稱重系統(tǒng)采用S3C44B0X處理器，并將處理器內(nèi)部ZDMA設(shè)置為全服務(wù)模式（whole service mode）。當(dāng)DMA結(jié)束時，系統(tǒng)將輸出清零信號以將當(dāng)前讀的CPLD存儲體清空。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 放大電路的設(shè)計

選用CS-l型稱重傳感器主要是因為該傳感器線性度好，重復(fù)性好，具有自動復(fù)位和抗偏抗伸能力，而且安裝使用方便，互換性好。

本系統(tǒng)采用鉸鏈?zhǔn)椒Q重平臺。為了使平臺更穩(wěn)定設(shè)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(jīng)儀表放大器放大和濾波，然后再疊加并經(jīng)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(xiàn)兩路信號的疊加。

2.2 ADC電路的設(shè)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(zhuǎn)換時間是1.6μs，采樣率是500 ksps，內(nèi)外采樣模式可選。

本系統(tǒng)的采樣速率為100 kbps，MAX120工作在模式5，即連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，圖2是其連續(xù)轉(zhuǎn)換的ADC電路。在該模式下，MAX120每14個時鐘完成一次轉(zhuǎn)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(jīng)CPLD分頻得到。

本電路使用內(nèi)部精密參考電源。傳感器的信號經(jīng)濾波放大后送到MAX120，再經(jīng)內(nèi)部采樣保持電路后便開始轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)14個時鐘周期后完成一次轉(zhuǎn)換，此時INT／BUSY變?yōu)榈碗娖?，并由D0～D12送出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，并一直保持到下一次轉(zhuǎn)換結(jié)束。圖3是MAX120在模式5下的時序。該電路用INT／BUSY作為串行時鐘，并利用其下降沿將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)打入CPLD中的存儲體。

2.3 CPLD模塊設(shè)計

EDA技術(shù)的快速發(fā)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(shù)據(jù)采集的設(shè)計。本設(shè)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(xiàn)能力：芯片可提供30000邏輯門；門級延時僅6.5 ns。本系統(tǒng)中的CPLD設(shè)計主要包含地址發(fā)生器、雙端口RAM、控制邏輯等，其功能框圖如圖4所示。

系統(tǒng)上電后，ADC一直處于連續(xù)轉(zhuǎn)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(jìn)行記錄，CPLD模塊內(nèi)部設(shè)計有一比較器。可當(dāng)重量達(dá)到一定值時（認(rèn)為有效軸重），打開與門以開始將AD值存儲存儲體中；而當(dāng)AD值低于有效軸重時，認(rèn)為是車輪離開稱重板，此時將關(guān)閉與門并產(chǎn)生DMA請求，以請求將數(shù)據(jù)取走。

為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)存取的效率，設(shè)計中采用了換體存儲技術(shù)，即將2 K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(shè)計為雙口RAM。分為兩個存儲體的好處是在向I寫數(shù)據(jù)時．處理器可以同時從II讀取數(shù)據(jù)，反之亦然，這樣便可提高數(shù)據(jù)的訪問效率，同時可簡化雙口RAM的設(shè)計難度（如單元的讀寫不再會產(chǎn)生沖突）。

系統(tǒng)中的地址發(fā)生器是10位的加法計數(shù)器，它以MAX120的轉(zhuǎn)換信號INT／BUSY作為計數(shù)脈沖，其計數(shù)值可作為存儲體的地址，并在AD轉(zhuǎn)換完后由計數(shù)器產(chǎn)生一新單元地址，同時將AD值鎖存到數(shù)據(jù)緩沖中，并將數(shù)據(jù)存儲到該存儲單元中。當(dāng)?shù)刂钒l(fā)生器地址越界時（存儲體I或II滿），系統(tǒng)便向處理器發(fā)出DMA請求。

DMA處理結(jié)束后，由處理器產(chǎn)生DMA結(jié)束中斷。在中斷程序中，由軟件將源地址設(shè)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(shù)據(jù)。需要說明的是本系統(tǒng)中的處理器心須在10 ms內(nèi)響應(yīng)DMA操作，否則，存儲體中的數(shù)據(jù)可能被破壞。

3 結(jié)束語

在高速數(shù)據(jù)采集電路中用CPLD來實現(xiàn)數(shù)據(jù)換體存儲及一些復(fù)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(shù)據(jù)傳輸方式可提高系統(tǒng)的運行效率。事實上，本系統(tǒng)是針對動態(tài)穩(wěn)重系統(tǒng)而設(shè)計的數(shù)據(jù)在采集電路，具有一定的通用性。