摘要：目前車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)采集系統(tǒng)存在體積大、集成度低等問(wèn)題,，PSoC(Programmable System onChip)內(nèi)部具有豐富的數(shù)字資源和模擬資源,，本文主要介紹了基于具有全速USB接口的PSoC芯片CY8C24794的車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)采集系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn),。該系統(tǒng)小巧實(shí)用,，便于攜帶，節(jié)省了USB接口芯片,、AD等功能芯片,，與VXI高速采集系統(tǒng)采集的信號(hào)相比,，本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與VXI實(shí)驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似,，系統(tǒng)很好滿足了信號(hào)采集的要求。
關(guān)鍵詞：PSoC,；USB,；動(dòng)態(tài)稱重；CY8C24794
車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱重WIM(Weighing In Motion)在道路運(yùn)輸管理與交通執(zhí)法等方面有廣泛應(yīng)用價(jià)值,。目前比較成熟的商品化WIM系統(tǒng)中采用的動(dòng)態(tài)稱重傳感器大多是彎板傳感器,，其安裝、維護(hù)比較麻煩,。采用壓電電纜作為WIM系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)稱重傳感器,，具有應(yīng)用簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。常規(guī)信號(hào)的采集和處理電路存在電路板面積大和成本高等缺陷,。本文介紹了基于Cypress半導(dǎo)體公司PSoC器件CY8C24794實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)的采集系統(tǒng),。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)須再選擇USB、A／D等器件,，節(jié)約了成本和電路板的面積,。所有PSoC器件都是可動(dòng)態(tài)重配置的，使設(shè)計(jì)人員能動(dòng)態(tài)地設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)新的系統(tǒng)功能,。設(shè)計(jì)人員可在不同的時(shí)間段配置同一模塊給不同的管腳,，從而提高了芯片利用率。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件電路
在車(chē)輛壓力沖擊下,，壓電電纜中被擠出電荷,，經(jīng)電荷放大器放大轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換成常見(jiàn)的電壓信號(hào),，經(jīng)過(guò)CY8C24794適當(dāng)?shù)奶幚砗髠魉徒o計(jì)算機(jī),，進(jìn)行后續(xù)的處理,。
如圖1所示動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)中,，除了壓電電纜和電荷放大器之外,，就只有PSoC器件CY8C24794，因此省去了USB接口,、A／D轉(zhuǎn)換等功能芯片,，最大程度上簡(jiǎn)化了電路。
1．1 壓電電纜
壓電電纜利用壓電效應(yīng)的原理,，當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)壓電電纜時(shí),，傳感器受到壓力作用產(chǎn)生電荷信號(hào)，經(jīng)過(guò)電荷放大和電壓放大以及一些信號(hào)處理之后,，即獲得所需電壓信號(hào),，其幅度與所受壓力成正比，信號(hào)的周期和輪胎停留在傳感器上的時(shí)間相同,。本試驗(yàn)采用的是韓國(guó)XIRE壓電電纜,，比現(xiàn)有高分子材料PVDF傳感器具有更高的靈敏度，采用FLEXFZT技術(shù),，克服現(xiàn)有化工陶瓷材料脆性,，柔韌性強(qiáng)。常規(guī)壓電電纜的安裝是采用單股安裝,，存在精度低的缺點(diǎn),。本文采用了將一根壓電電纜繞成多股進(jìn)行信號(hào)的采集，實(shí)驗(yàn)表明有較好的效果,。
1．2 電荷放大器
根據(jù)壓電元件的工作原理,，與壓電元件配套的放大測(cè)量電路也有兩種形式：一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比,；另一種是電壓放大器,，其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。
電荷放大器的輸出與傳感器和電纜電容無(wú)關(guān),，但須視增益附加增益放大,；電壓(高阻)放大器的輸出與傳感器和電纜電容有關(guān)，增益與時(shí)間常數(shù)獨(dú)立可調(diào),。由于電荷放大器與傳感器和電纜電容無(wú)關(guān),，所以本試驗(yàn)就采用電荷放大器。在非理想運(yùn)放下的的電荷放大電路如圖2所示,。
圖2中Q是壓電電纜產(chǎn)生輸入電荷,，Cs是傳感器的電容，Ce是電纜電容，Ci是放大器的輸入電容,，Cf是反饋電容,，Rf是反饋電阻。當(dāng)開(kāi)環(huán)增益K足夠大的時(shí),，Cs,、Ce、Ci的影響可忽略不計(jì),。并聯(lián)反饋電阻避免電容不斷累積電荷而造成運(yùn)放輸出飽和,。經(jīng)分析可得，電荷放大器輸出電壓僅取決于輸入電荷Q和反饋電路參數(shù)Cf,，綜合體積和成本等各方面因素,，AD538是最適合的芯片。汽車(chē)所產(chǎn)生的電荷在一定的范圍內(nèi),，所以選擇一個(gè)合適的Cf,，就會(huì)使得U0在合理的范圍內(nèi)。
1．3 PSoC器件
CY8C24794 CY8C24794包括一個(gè)全速(12 Mbps)USB2．0SIE(含有一個(gè)精度達(dá)0．25％的準(zhǔn)確時(shí)鐘和一個(gè)符合USB2．0定時(shí)規(guī)范的集成振蕩器),，且不需要外部晶體,，因而減少了元件和引腳數(shù)目。該器件提供了4個(gè)單向端點(diǎn)和1個(gè)雙向控制端點(diǎn),，以支持控制型,、中斷型,、等時(shí)型和成批型傳輸以及靈活的同步處理,。它提供了多達(dá)48個(gè)模擬輸入，除了6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PSoC可配置模擬塊和4個(gè)數(shù)字塊之外,，它還提供了16 kb快閃程序存儲(chǔ)器,、1 kb SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和一個(gè)至專(zhuān)用256 b緩沖器的易用型8通道DMA(供USB SIE之用)。
CY8C24794得到了開(kāi)發(fā)軟件的支持,，從而能夠在不到1小時(shí)的時(shí)間里完成基本實(shí)現(xiàn)方案的構(gòu)建,。該軟件包括一個(gè)用戶模塊，可使設(shè)計(jì)方案得以快速實(shí)現(xiàn),。這種USBFS協(xié)議用戶模塊可生成旨在實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易型開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)接口(API),，并包括一個(gè)設(shè)置向?qū)АＴ撚脩裟K及其對(duì)應(yīng)的API在用戶模塊數(shù)據(jù)表中進(jìn)行了清晰的說(shuō)明,。還包括一個(gè)帶向?qū)У腍ID模塊,。
CY8C24794采用56引腳(8 mmx8 mm)MLF封裝。其工作電壓范圍為3．0～5．25 V,，工作溫度范圍為-40～85℃,，批量購(gòu)買(mǎi)時(shí)的單價(jià)不到2.00美元。
此模塊主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：1)對(duì)電荷放大器轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波；2)將濾波后的模擬信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,，變成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào),；3)將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)其內(nèi)含的USB接口傳送到計(jì)算機(jī)上。從實(shí)現(xiàn)的功能和價(jià)格等方面考慮,，所以CY8C24794是最合理的選擇,。
根據(jù)以上幾個(gè)功能可以將CY8C24794配置成放大器、低通濾波器,、AD和USB接口,。CY8C24794的原理圖如圖3所示，信號(hào)從INPUT輸入,，從D+,、D-輸出，SCL和SDA為芯片的動(dòng)態(tài)配置引腳,。
2 PSoC內(nèi)部資源配置
賽普拉斯半導(dǎo)體公司宣布推出業(yè)界首款也是唯一在單個(gè)封裝中包括無(wú)代碼與高級(jí)語(yǔ)言編程模式的集成設(shè)計(jì)環(huán)境PSoC Designer 5．0,。賽普拉斯將其革命性的PSoC Express可視化嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具與功能齊全的PSoC Designer軟件進(jìn)行完美結(jié)合，創(chuàng)建了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)范例?，F(xiàn)在用戶可以在拖放式可視化設(shè)計(jì)模式(系統(tǒng)級(jí)瀏覽)下開(kāi)始項(xiàng)目設(shè)計(jì),，然后移入C語(yǔ)言(芯片級(jí)瀏覽)進(jìn)行基于代碼的設(shè)計(jì)，以精調(diào)并定制他們的項(xiàng)目,，而所有這些步驟均可用一個(gè)PSoC Designer 5．0工具來(lái)完成,。PSoC設(shè)計(jì)必須先完成芯片內(nèi)部資源規(guī)劃，其具體流程為：確定系統(tǒng)需求,、選擇用戶模塊,、放置用戶模塊、設(shè)置全局變量和用戶模塊參數(shù),、定義輸出引腳,、產(chǎn)生應(yīng)用代碼、編輯應(yīng)用代碼,。
本系統(tǒng)所配置主要包括以下幾個(gè)用戶模塊：PGA模塊,、LPF模塊、A／D模塊和USB模塊,。配置的內(nèi)部硬件資源包括2個(gè)數(shù)字模塊：Counter16,、ADCI NC1 2—1和3個(gè)模擬模塊LPF1、CMPP RG-1,、PGA,。
PSoC全局資源配置如圖4所示。PSoC用戶模塊參數(shù)設(shè)置及內(nèi)部硬件資源配置如圖5所示,。
圖中上面一部分主要是AD數(shù)字部分的配置,，利用了兩個(gè)數(shù)字模塊，圖的下方主要是濾波器和放大器部分的配置，放大器利用了一個(gè)模擬模塊,，濾波器利用了兩個(gè)模擬模塊,，AD也使用了一個(gè)模擬模塊。將它們的接口分別于內(nèi)部的模塊相連即完成了配置,。用戶模塊的參數(shù)設(shè)置：PGA模塊設(shè)置的參數(shù)Gain為48,，LPF模塊設(shè)置如圖6所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
PSoC芯片中的用戶模塊方便了硬件電路的實(shí)現(xiàn),，另外在對(duì)相應(yīng)的模塊函數(shù)聲明之后,，就可以方便地調(diào)整用戶模塊的API，從而非常直觀地進(jìn)行模塊設(shè)置和系統(tǒng)編程,。
本系統(tǒng)的PSoc內(nèi)部程序如下：
本程序主要工作流程：首先開(kāi)單片機(jī)的全局時(shí)鐘,，調(diào)用個(gè)模塊的API接口函數(shù)，使得單片機(jī)在規(guī)定的時(shí)鐘下進(jìn)行采樣,，數(shù)據(jù)傳輸,。
4 試驗(yàn)
按照要求設(shè)計(jì)出電路板，將壓電電纜,、電路板和PC按照一定次序連接,，然后進(jìn)行試驗(yàn)，其中放大倍數(shù)和低通濾波器的參數(shù)設(shè)置可以根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行合理的調(diào)整,，然后在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)重配置,，大大縮小了開(kāi)發(fā)時(shí)間。在選擇了合適的參數(shù)后,，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,。
通過(guò)對(duì)信號(hào)波形的分析，在相同的試驗(yàn)條件下,，利用本系統(tǒng)所得到的波形和實(shí)驗(yàn)室VXI系統(tǒng)所得波形基本上沒(méi)有什么差別,，達(dá)到了初始的目的。
圖7是車(chē)輛通過(guò)壓電電纜的圖形,，圖中兩個(gè)波峰是車(chē)輛的前后輪通過(guò)壓電電纜的峰值，只要將此信號(hào)運(yùn)用適當(dāng)?shù)姆椒?，就可以得到所?jīng)過(guò)的車(chē)輛的真實(shí)重量,。
5 結(jié)論
PSoC的模擬和數(shù)字的高度集成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。采用PSoC器件開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、集成度高,、體積小、成本低,、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),。借助集成設(shè)計(jì)環(huán)境PSoC Designer5．0。設(shè)計(jì)人員更能充分發(fā)揮其靈活性，以難以置信的速度來(lái)解決現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的各種設(shè)計(jì)問(wèn)題,。本系統(tǒng)能夠有效的采集車(chē)輛重量信號(hào),，遏制超重現(xiàn)象的發(fā)生，有望在國(guó)內(nèi)公路信息采集和管理系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,。