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。