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。 [p]

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。

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    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：

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。