赵永红

（商丘师范学院 物理与电气信息学院，河南 商丘 476000）

用电容称重装置测量载荷，由于工作环境恶劣，会使电容称重传感器的输出结果存在很多干扰，而电容称重传感器的真实载荷信号非常微弱，这样会使真实的载荷信号淹没在干扰信号中，如果不进行有效的滤波处理，就会导致称重结果的不准确。因此，滤波器设计是车辆电容称重装置中的关键技术之一，它直接关系到测量的精度。通过数据采集卡将信号调理电路的模拟电压值转变为数字量，存储到计算机中，利用MATLAB仿真软件对滤波算法的性能进行分析，并将数字滤波算法程序下载到DSP芯片TMS320VC5416中，配合整个电容称重装置对车辆载荷称重的分析。

1 系统总体方案设计

文中采用了以DSP芯片TMS320VC5416为核心的系统方案。测试系统如图1所示。从结构上说系统包括4部分：电容称重传感器、信号调理电路、USB数据采集卡、数据处理电路[1]。

电容称重传感器可以将车辆前后轴重量的变化转变为电容量的变化。信号调理电路选用了具有消除杂散电容影响能力的四相检测电荷转移式微电容测量线路。通过数据采集卡可以把信号调理电路的模拟电压值转变为数字量，通过USB数据总线与计算机进行通信，将采集到的含有电压信息的数字量信息存储到计算机中，借助于计算机中面向对象的数据采集软件和文中的数字滤波器，可以将结果进行分析、计算、曲线拟合和绘图[2]。

图1 系统结构框图Fig.1 Block diagram of system

2 系统硬件设计

本系统以DSP为核心，组成一个集信号采集、处理为一身的电容称重系统。系统硬件电路由模/数转换电路、复位电路、电源电路等组成。如图2所示。

图2 硬件电路的原理框图Fig.2 Principle frame of hardware circuit

模/数转换电路将采集到的实时信号变为数字信号以供滤波器进行处理。电源模块提供系统工作所需的各种电压，如I/O电压、内核电压等等。本系统中采用了较低工作频率的DSP复位时钟模式。JTAG接口供数字信号处理芯片下载程序以进行调试[3]。

2.1 复位电路的设计

为了对系统进行上电复位，保证系统稳定可靠地运行，以及在系统出现故障导致程序指针跑飞的情况下能够可靠的复位，采用MAX706芯片作为看门狗电路的主芯片。其中，WDWDI为来自系统的输入信号，它可以清除看门狗的内部计数器，在系统正常工作过程中，系统必须在看门狗的定时时间内给出该信号以便清除看门狗的内部计数器，防止计数器产生溢出而导致系统的复位；WDREST为看门狗的输出信号，在WDWDI没有输入而计数器溢出的情况下，看门狗输出该信号，作为系统的复位信号。如图3所示。

图3 看门狗电路Fig.3 Watchdog circuit

2.2 电源模块的设计

在本系统中，，由于所需的器件数目和种类比较多，而所需的供电电压也有很多不同之处，为了满足这些不同的电压需求，电源模块的设计分成3个部分：

第1部分完成220 V市电到9 V交流电压的转换，采用交流降压变压器来完成。

第2部分完成9 V交流电压到+6 V和+5 V电压的转换，9 V交流电压先由整流模块转换为直流电压，然后再经由三端稳压模块得到所需的直流电压。

图4 电源电路Fig.4 Power circuit

第3部分完成直流+5 V到直流+3.3 V和+1.6 V的转化，采用TPS767D301芯片完成该部分的转换。该部分的电路如图 4所示[4-5]。

3 MATLAB软件仿真结果

根据滤波器的性能和指标，首先对设计性能指标中的频率，如边界频率进行转换，转换后的频率指标作为模拟滤波器原型设计指标[6-7]。利用MATLAB对采集数据进行滤波仿真，其程序如下：

由上面程序得到仿真结果如图5所示。

图5 IIR低通滤波器仿真结果Fig.5 Simulation of IIR Low-pass filter

图6 输入的采样数据及滤波后的结果Fig.6 Input sample data and the filtered results

图7 输入采样数据的幅值及相位Fig.7 Amplitude of the input sample data and phase

4 结 论

通过用MATLAB软件进行调试仿真，设计合适的滤波器参数，并对采样数据进行仿真输出，再次调式滤波器设计参数到仿真输出满意的滤波效果，并根据MATLAB调式好的滤波器参数编写程序，最终输出的滤波结果证明文中所提出的对车辆电容称重装置的采集信号进行数字滤波处理的方案是切实可行的，系统的软硬件设计也达到了预期的要求。

[1]赵永红.车辆电容称重装置中数字滤波器的设计[D].镇江：江苏大学，2008.

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