高速数据采集系统在基于ARM动态称重系统中的应用

    引言

    随着经济的不断发展和各地物流业的不断扩大。有些人为了追求更高的局部利益，往往会擅自改装运输工具，增大车载量，从而导致超载现象屡见不鲜。根据“四次方原则”，车辆超载给我国的公路，桥梁等交通基础设施带来了极大的破坏力。 

    动态称重系统能够在车辆行驶过程中得知其重量，该系统由于不会给交通带来堵塞而受到各交通部门的青睐。由于动态称重过程中得到的信号是短历程、非平稳信号，信号中混杂了很多于拢信号。因此，为了净化信号，本设计引入了小波分析去噪和神经网络等新型算法，但这些算法计算量大的缺点严重影响到系统的运行效率，即系统只有等整个算法运行完后，才能开始新一轮的数据采集。为此，目前一些动态称重系统使用多CPU来解决这个问题，但这又增加了系统灵活性和复杂性，而且成本也会提高。   

   为了解决上述问题．本文设计了一个基于CPLD的数据采集通道，以配合动态称重系统完成对动态称重信号的数据采集。   

    1 系统结构 

     本动态称重系统的结构框图如图1所示。图中，称重传感器将压力变换成电信号，并经放大滤波电路后送入ADC进行模数转换，然后将数字信号写入到CPLD中的一存储体中。该存储体存满后，CPLD将向处理器申请DMA传输，同时将新AD值写入到另一存储体中。本动态称重系统采用S3C44B0X处理器，并将处理器内部ZDMA设置为全服务模式(whole service mode)。当DMA结束时，系统将输出清零信号以将当前读的CPLD存储体清空。

     2 系统设计 
     2.1 放大电路的设计

    选用CS-l型称重传感器主要是因为该传感器线性度好，重复性好，具有自动复位和抗偏抗伸能力，而且安装使用方便，互换性好。 

     本系统采用铰链式称重平台。为了使平台更稳定设计时采用两个传感器来支撑载荷，两传感器输出的信号分别经仪表放大器放大和滤波，然后再叠加并经滤波电路送给ADC电路。 

     由于ADC芯片MAX120为差分输入，故可将其中一路信号反相后，再送入ADC电路，这样便可实现两路信号的叠加。    

      2.2 ADC电路的设计 

      MAX120是集采样保持电路和精密电源电路于一体的12位ADC，它的转换时间是1.6μs，采样率是500 ksps，内外采样模式可选。 

     本系统的采样速率为100 kbps，MAX120工作在模式5，即连续转换模式，图2是其连续转换的ADC电路。在该模式下，MAX120每14个时钟完成一次转换，所以要求输入时钟为1.4 MHz，该时钟可由处理器输出的时钟经CPLD分频得到。 

     本电路使用内部精密参考电源。传感器的信号经滤波放大后送到MAX120，再经内部采样保持电路后便开始转换，然后经14个时钟周期后完成一次转换，此时INT／BUSY变为低电平，并由D0～D12送出转换后的数字信号，并一直保持到下一次转换结束。图3是MAX120在模式5下的时序。该电路用INT／BUSY作为串行时钟，并利用其下降沿将转换后的数据打入CPLD中的存储体。 

     2.3 CPLD模块设计 
     EDA技术的快速发展使FPGA／CPLD的片上资源越来越丰富，尤其是其高速性能和片上RAM，使其特别适用于数据采集的设计。本设计选用Altera公司的FLEX10K30E器件．该器件含有8个EAB(嵌入式阵列)，每个EAB能够提供4K位存储位，每个EAB都有双口RAM实现能力：芯片可提供30000逻辑门；门级延时仅6.5 ns。本系统中的CPLD设计主要包含地址发生器、双端口RAM、控制逻辑等，其功能框图如图4所示。 

     系统上电后，ADC一直处于连续转换模式。为了对轴重的全程信号(车轮上称重板到离开称重板的检测信号)进行记录，CPLD模块内部设计有一比较器。可当重量达到一定值时(认为有效轴重)，打开与门以开始将AD值存储存储体中；而当AD值低于有效轴重时，认为是车轮离开称重板，此时将关闭与门并产生DMA请求，以请求将数据取走。 

    为了进一步提高数据存取的效率，设计中采用了换体存储技术，即将2 K字的存储器分为两个存储体I和II，I的地址为0x000～0x3FF，II的地址为0x400～0x7FF，它们均设计为双口RAM。分为两个存储体的好处是在向I写数据时．处理器可以同时从II读取数据，反之亦然，这样便可提高数据的访问效率，同时可简化双口RAM的设计难度(如单元的读写不再会产生冲突)。   

     系统中的地址发生器是10位的加法计数器，它以MAX120的转换信号INT／BUSY作为计数脉冲，其计数值可作为存储体的地址，并在AD转换完后由计数器产生一新单元地址，同时将AD值锁存到数据缓冲中，并将数据存储到该存储单元中。当地址发生器地址越界时(存储体I或II满)，系统便向处理器发出DMA请求。 

     DMA处理结束后，由处理器产生DMA结束中断。在中断程序中，由软件将源地址设为另一存储体的地址，并激活清0信号CLR，以将刚读过的存储体清0，以便在下次DMA请求时传输另一存储体的数据。需要说明的是本系统中的处理器心须在10 ms内响应DMA操作，否则，存储体中的数据可能被破坏。     

     3 结束语    

     在高速数据采集电路中用CPLD来实现数据换体存储及一些复杂的时序逻辑功能，可使电路大大简化；同时与处理器配合并采用DMA数据传输方式可提高系统的运行效率。事实上，本系统是针对动态稳重系统而设计的数据在采集电路，具有一定的通用性。