（模式识别与智能系统专业论文）基于arm的压电薄膜轴的车辆动态称重系统嵌入式研究与设计.pdf

五邑大学硕士学位论文 摘要 w i m 动态称重系统的研究对于保护公路的正常使用有着非常重要的经济利益和 社会价值。针对我国公路w i m 系统的研究现状和存在的问题，提出了新的思路、解 决办法和改进措施，用以提高整个w i m 系统的各项性能指标。 基于a r m 的压电薄膜轴的车辆动态称重系统的嵌入式研究与设计，致力于提高 w i m 系统精度等各项性能指标，其采用了高新的软硬件技术，是一个比较有研究意 义的课题。 本文首先从分析称重原理入手，提出了一个改进的系统整体设计方案，在该方 案的前提下，通过不断地试验修改，搭建了一个基于l a b v i e w 的现场模拟实验系统， 为下一步研究和整个系统的实现打下了坚实的基础。本文所做的具体工作，概括起 来有如下几点： 第一，简要地介绍了基于压电薄膜轴的w i m 系统原理、影响因素以及课题研究 的意义等； 第二，给出了系统整体设计方案，并设计了多个信号调理电路，诸如电荷放大 电路，隔离电路以及滤波电路等； 第三，采用了3 2 位的微处理器，并采用了一种比较完善的数据处理方法，提高 了系统的软硬件技术，在此基础上研究设计了基于a r m - i z c o s 一口的w i m 嵌入式系 统平台，完成了系统的软硬件设计、实现及操作系统移植； 最后，设计并实地进行了一个新的试验，即基于l a b v i e w 8 2 的数据采集卡的现 场模拟试验，给出了试验结果和分析。该试验方便于测量与数据采集，可得到较为 精准的现场数据，为后续的数据处理打下了基础； 关键词压电薄膜轴；w i m 系统；a r m ；i z c o s 一刀；l a b v i e w ；嵌入式系统；操作系 统移植 五邑大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew i ms y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo fp r o t e c t i n gf r e e w a yn o r m a l l y b a s eo nt h er e s e a r c h a c t u a l i t ya n dp r o b l e m so nt h eh i g h w a yw i ms y s t e mo fo u rc o u n t r y ，t h i sa r t i c l ep u tf o r w a r ds o m e n e wm e n t a l i t y ，i m p r o v e dm e a s u r e sa n ds o l u t i o nt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft h ew h o l e w i ms y s t e m a r m b a s e dp i e z o e l e c t r i cf i l ma x i sw i mo fe m b e d d e dr e s e a r c ha n dd e s i g n ，w h i c hi s p u r p o s eo fi m p r o v i n gt h ew i ma c c u r a c y ，a n ds u c ha so t h e rp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，e t c i ta d o p t s w i t ht h eh i g h - t e c hh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g y , i sas t u d ys i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t t h i sp a p e rb e g i n sw i t ha n a l y s i st h ep r i n c i p l eo fw e i g h i n ga n dp u tf o r w a r da ni m p r o v e do v e r a l l s y s t e md e s i g n ，t h e nu n d e rt h ep r e m i s eo f t h ep r o g r a m m e ，t h r o u g hc o r r e c t i n gt h et r i a lc o n s t a n t l y , a n d s e tu pas c e n es i m u l m i o ns y s t e mb a s e do nl a b v i e w ，w h i c hl a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rt h en e x ts t e p o nt h er e a l i z a t i o no ft h ee n t i r es y s t e m b a s eo nt h i s ，t h ec o n c r e t ew o r kd o n et h i s ，c a nb es u m m e du p w i t ht h ef o l l o w i n g ： f i r s t ，ab r i e fp r e s e n t a t i o nb a s e do nt h ep i e z o e l e c t r i cf i l ma x i sw i ms y s t e mp r i n c i p l e s ，a sw e l la s i m p a c tf a c t o r ss u c ha st h es i g n i f i c a n c eo f t h es t u d ys u b j e c t s ； s e c o n d ，g i v e st h eo v e r a l ls y s t e md e s i g n ，a n dd e s i g n san u m b e ro fs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t s ， s u c ha st h ec h a r g ea m p l i f i e r ，i s o l a t i o nc i r c u i ta sw e l la sf i l t e rc i r c u i t ； t h i r d ，t h eu s eo f3 2 - b i tm i c r o p r o c e s s o r s ，a n da d o p t sam o r ec o m p r e h e n s i v ed a t ap r o c e s s i n g m e t h o d st oi m p r o v et h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g y b a s eo nt h i s ，s t u d i e sa n dd e s i g n s ab a s e do na r m u c o s - i iw i me m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r m ，a n dc o m p l e t e st h es y s t e m s h a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o na n do p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t a t i o n f i n a l l y ，d e s i g n sa n do p e r a t e san e wf i e l dt e s t ，w h i c hi sb a s e do nt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d l a b v i e w 8 2f i e l ds i m u l a t i o nt e s t ，a n dg i v e st h et e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s t h et e s ti sf a c i l i t a t ew i t h t h em e a s u r e m e n ta n dd a t aa c q u i s i t i o n ，a n dm a y b eg e tam o r ea c c u r a t ef i e l dd a t a ，w h i c hl a y sas o l i d f o u n d a t i o nf o rt h en e x td a t ap r o c e s s i n g k e y w o r d sp i e z o e l e c t r i cf i l ma x i s ；w i m ；a r m ；z c10 s l l ：l a b v i e w ；e m b e d d e ds y s t e m s ； o p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t a t i o n 本人声明 我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成，完成论文所用 的一切资料均已在参考文献中列出。 作者：汪兆栋 签名：汪犯特， 2 0 0 8 年5 月1 日 五邑大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究目的、意义及背景 称重系统分为动态称重系统和静态称重系统。动态称重出现之前，车辆称重都 是以静态称重的方式进行的，静态称重也就是静止称重，静止称重需要车辆完全停 止在称体上称量，检测速度慢效率低，在大多数情况下只能称出整车重量，而且不 能反映出轮重轴重等参数；不仅如此，静止称重还严重地影响了交通的流量畅通和 高速公路的安全，给交通部门带来了诸多不利。为了保证高速公路的安全，为了不 影响交通的流量畅通，采用动态称重系统是合乎高速公路现代管理要求的。动态称 重技术就是在这样一种历史背景下诞生发展的。 目前我国的公路超重现象十分普遍和严重，一些运输企业和个人通过私自非法 改造车辆来大幅度的提高车辆的超限运输能力来牟取暴利，但却给公路造成严重损 坏，并带来交通安全、扰乱运输市场等多方面的恶劣影响。例如，南京长江二桥的 公路路面的设计使用年限为1 5 年，然而，由于大量的超限( 超载) 车辆无控制通行， 只使用了三年就出现裂缝需要维修，这给国家财产造成了巨大的损失。据统计，超 限超载导致了7 0 的道路安全事故，每年因超限超载造成的道路损失超过3 0 0 亿 元【2 6 1 。 超重带来的问题是多方面的：首先，易引起交通事故，据有关部门统计，1 9 9 9 年全国发生道路交通事故7 0 多万起，在这些事故中，约7 0 与汽车超限超载有关； 其次，按照汽车轴载质量与路面之间关系的“四次方原则，就是轴载增大至原载 荷的2 倍，公路路面的损坏将增大至原来的1 6 倍左右( 即2 4 ，法国甚至采用2 准则1 1 ) ， 一辆1 8 吨的双轴货车要比一辆4 0 吨六轴货车对路面造成的破坏程度大的多，轴载的 增加引起路面损伤程度加剧，公路维修费用增加；第三，如果不了解实际轴载的变 化，设计道路的参数不符合实际，道路寿命将达不到设计要求；第四，车辆轴载的 增加势必增加发动机的功率，这将产生更加严重的噪音、污染物，在运输业经济效 益增加的同时，整体的社会效益却在下降；第五，扰乱运输市场的市场规律，使得 运输价格不能真实反映正常市场的状况，运输价格低于正常水平，营运方为了保持 定收益，不得不超重运输，对路面的破坏加剧，交通管理部门加重处罚，营运方 五邑大学硕士学位论文 进一步提高超重程度，从而造成了恶性循环，大量的资金在恶性循环中被白白地消 耗掉。 针对以上情况，交通部! 2 0 0 0 年以2 号令形式颁布了超限运输车辆行驶公路管 理规定1 2 1 ，并于当年4 月1 日开始执行，在全国范围内对超限超重现象进行治理。 但是由于缺乏合适的监测仪器、有效的监管手段和管理体制方面的不协调，治理的 效果不明显。目前大多数地方测量超重的办法，仍以目测和利用汽车衡进行静态测 量为主，需中断交通或者从主道引导车辆到附近的汽车衡进行检测。少数地区则使 用了动态测量系统，但测量系统工程复杂庞大，成本较高，寿命短，且精度不能令 人满意。 本课题正是基于以上的问题，采用具有良好性能的压电薄膜轴 3 2 1 ( p i e z o e l e c t r i ca x l es e n s o r ) 交通检测器来实现动态称重系统【3 】( w e i g h ti n m o t i o n ，简称w i m ) ，在保证一定称重精度的前提下，旨在设计一个简单实用、低成 本的w i m 系统，若能取得突破，必将有一个广阔的市场应用前景，取得明显的经济 效益和社会效益。 1 2 目前国内外研究现状与发展趋势 1 2 1 车辆动态称重系统技术的研究现状 动态称重是指测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车辆重量的过程 1 。动态称重常用于三个方面：( 1 ) 法令规定的强制结算；( 2 ) 交通数据的采集；( 3 ) 贸易结算。目前动态称重的精度还不能达到自动衡器所要求的精度水平，所以目前 还无法用于贸易结算。 由于不同车辆有不同的轴载质量限制1 ，所以在进行动态称重时，必须相应的 识别出车辆的类型，这就需要在获取车辆重量信息的同时，还需计算出轴距、轮距、 轴数、轮胎数等数据，才能对车辆进行有效地监督检查。动态称重系统就是一个可 实现上述功能的检测、计算、存储和显示相关信息的系统阱】。 动态称重的特征可主要归纳为以下两个特点1 7 1 ： ( 1 ) 被测对象处于非静止动态，即被称重的物体在运动； ( 2 ) 在短时间内进行快速测量，即测量时间要小于系统的响应时间，同时系统 的响应时间应小于通常情况下两次测量的时间间隔。 这就要求动态称重系统对车辆运动的检测有足够的灵敏度，有一定的结构和措 2 五邑大学硕士学位论文 施来降低周围环境对系统的影响，系统的测量处理速度也应足够快【3 7 1 。 动态称重交通检测器按照工作原理可分为：应变片型检测器，通过应变片检测 称体( 平台、狭窄板) 在车辆通过时的受力变形，来进行动态称重；电容器型检测 器，当车辆通过时，变形使电容两极间的距离改变，进而导致电容的容量发生变化， 转换为电信号，即可达到检测的目的，电容器常由薄层金属橡胶垫检测器和空气隙 构成：压电电缆，把压电材料经过适当处理后做成电缆的形式铺设在路面中，电缆 受力直接产生电信号，经处理后检测出车的重量。目前常用的压电材料有陶瓷、共 聚物和石英，文献l 8 1 介绍的k i s t l e r 公司动态称重传感器l i n e a s 就是采用石英晶体作 为压电材料的，本文研究的压电薄膜轴则是采用共聚物p ( v d f t r f e ) 制成的四j ，该 传感器是国际上另一传感器巨擘美国m s i 公司生产的。 动态称重交通检测器按是否可移动使用又可分为固定式和便携式两种，便携式 交通检测器便于移动，可随机抽查各路段交通信息状况，平台式应变片型检测器可 制作成便携式动态检测系统，压电电缆则更多以固定式出现。 采用动态称重测出的超载车辆为3 0 ，与静态称重测出的超载车辆0 5 【2 9 】相差 甚远，由此，就产生了对公路车辆进行动态称重原来越多的要求。越来越多的科研 机构和研究人员投入到动态称重技术的研究中来，在过去几十年的动态称重技术研 究中，在如何保持检测精度的前提下提高车辆通过速度一直是各研究机构所致力解 决的问题。不懈的努力使动态称重技术得到了很大的发展，综述国内外资料，目前 动态称重方法主要有以下几种。 1 、a d v 法、d v 法、v 法：该类方法的测量思路主要是同时或单独测量车辆的位 移、速度和加速度，然后用直接方法或数值积分方法来求解称重过程的微分方程以 获得力值。但由于采用积分方法因而准确度较差，目前只适用于噪声很小的场合。 2 、位移积分法：该方法是我国多个科研单位主要采用的方法，也是a d v 法、d v 法、v 法的一种沿袭【枷。其原理大致是：将称重系统的输出信号对一小段位移l 沿其 长度l 方向积分，l 的两端通过对称重系统各传感器的输出信号进行比较而定，动 态分量在积分区间被平均，使车辆振动造成的干扰影响较小，来提高检测精度。但 这需要大量的数据才能保证精度，这也是目前动态称重系统中提高车辆通过速度时， 测量精度无法保证的原因所在。 3 、辛补偿法：该方法主要是针对传感器的响应速度慢和超调量较大，在很大程 度上限制了动态称重速度和准确度的提高的缺点，从而提出通过设计补偿元件【3 9 1 ， 3 五邑大学硕士学位论文 在比“称重传感器稳定时间 更短的时间里完成测量，因此动态称重装置主要由称 重传感器和动态补偿元件组成。但该方法在车辆动态称重中还未曾见使用。 4 、专家系统：该方法主要是引入知识模型而构成专家系统，即把优秀称重测量 专家的思维过程固化到测量程序中，并与计算机程序结合起来，进而提高计量仪器 的测试能力和故障检测能力【3 5 1 。 5 、参数估计法瞵1 ：该方法主要是把动态测量作为一个参数估计和预测问题来处 理，即首先根据有关称重测力系统的先验知识，推导出一个含有未知参数的模型， 然后用该模型去拟合称重测力过程的输出信号，从而获得最小平方误差意义上的参 数估计。由于被测重量可以看成是称重测量过程的终值，因此可以用模型参数进行 估计或预测。 6 、神经网络：该方法主要是基于并行技术的思想，以神经网络技术为控制核心， 将检测过程中对影响称重精度和限制车辆通过速度起主导作用的因素作为训练样 本，通过训练获得较好的网络模型 4 1 1 ，再根据该模型和网络输入数据得出车重，并 期望提高检测精度。目前来看，利用数学模型的称重检测方法是比较有前途的，绝 大多数称重系统基本上是具有一阶( 或准一阶) 传递特性的系统，假如称重系统采用 一阶的自回归滑动模型a r m a ，再借助由这个模型和递推的最小二乘法r l s a p 可由极短 的称重阶跃响应估计出模型参数和被称重量。在现有的车辆动态称重系统中，为了 提高检测精度，信号的测量往往是在衰减到一定程度并稳定后才进行，这就大大限 制了车辆通过速度。高速情况下的测量数据属于短时间历程数据，而使用r l s 估计重 量的方法要求时间很短，通常不超过一个振荡周期即可得到良好的结果，这为测量 时提高车辆通过速度提供了广阔的空间。另外，考虑到称重平台结构比较复杂，要 进行高精度建模很困难，利用神经网络技术可以避开复杂的物理建模，仅根据系统 的输入、输出数据进行黑箱建模。 目前国内应用较多的是应变片式交通检测器，称体常做成狭窄板的形式，简称 弯板，英文名称为b e n d i n gp l a t e ，简称p l a t e ，该技术在国内外使用已很成熟，在 使用过程中，可更换回收称体，价格相对比较便宜【l 训。使用弯板存在的问题是，维 护工作量很大，当车辆通过弯板称体与水泥( 沥青) 结合部位时，路面易出现损坏 现象，产生的振动也将影响称重精度，在车流量较大时，维护次数更多；第二，安 装弯板的路面开挖量较大：第三，弯板与压电电缆相比在同样的使用期限内需要更 多次标定。压电电缆的优点是，维护工作量少，路面的平整度变化通常是较小的； 4 五邑大学硕士学位论文 路面开挖量小；标定次数少。压电电缆的缺点是，不能回收再使用，但在实际工程 中，一旦选定检测地点，更换的可能性较小。压电轴传感器和l i n e a s 相比，压电轴 传感器价格要低的多，l i n e a s 高昂的价格令人望而止步；压电轴传感器可做的更长， 从2 5 m 至u 5 5 m 不等，而l i n e a s 的长度只能为0 7 5 m 或者l m ，如果需要更长的检测范围 需串连使用；压电轴检测器的精度较低，目前只有1 0 1 5 ，l i n e a s 的相对较好， 精度约为8 左右。 以上所说的三种传感器称重的精度均与车辆振动和跳动、轮胎压在传感器上的 面积、道路质量有关；三种传感器在实际使用中，经常需要和其它类型交通检测器 配合使用，例如和最适宜检测车辆存在的环形线圈配合使用，来计算车辆个数。 1 2 2 车辆动态称重技术的国内外发展展望 ( 1 ) 车辆动态称重系统将融入i t s ，成为其组成部分，因此作为固定式的w i m 系 统或装置，设计时要考虑这一背景，在数据处理、信号传输、上下位机的关系、硬 件配备等方面，均要考虑便于其“嵌入 o i t s 。 ( 2 ) 称重传感器的寿命将制约车辆动态称重系统的广泛使用，这是国内业界1 4 1 应 当认真面对的问题。国内较为普遍地运用压电陶瓷式、电阻应变片式等形式称重传 感器，国外则较多地运用了压电薄膜、液压管、共聚物压电轴等形式的称重传感器， 大大提高了使用寿命，对于便携式w i m 系统还能方便现场使用。 ( 3 ) 目前国际上还没有规范且权威的车辆动态称重技术标准，仅有一个得到西方 国家承认的国际参考标准a s t me 1 3 1 8 - 9 4 。这给我国研究和应用车辆动态称重技术 带来了机遇和挑战。机遇是在没有国际权威规范标准的情形下，我国有了领先设立 国际标准的机会，挑战在于如何在国内深入研究和应用车辆动态称重技术，至少先 要建立相应的国家标准，并付诸实施。 ( 4 ) 低速w i m 系统的造价和维护费用都要低于高速w i m 系统。以我国目前的道路 运输水平，对应w i m 系统的允许通过车速并不需要太高。用于计重收费的场合，固 定式w i m 系统一般安装在收费口或匝道口，在与i t s 系统相配的情形下，车速一般 不会高于4 0 k m h 。用于执法临检的场合，便携式w i m 系统一般安装于辅道或路侧， 车速一般不会高于5 k m h 。 ( 5 ) 车辆动态称重技术在我国不仅是限制超载、预防事故、保护路桥的一种保障 措施，同时具有提升主干运输企业资质、防止运输市场低价恶性竞争、保护国家、 五邑大学硕士学位论文 运输企业和货主利益的潜在作用卯。因此在我国应当更加重视和大力实施这一技术， 以促进我国的道路运输法制进程。 ( 6 ) 在相当长的一段时间内，固定式和便携式两类w i m 系统在我国都有需求的市 场”由于受到经济水平的限制，根据调查，固定式w i m 系统单机的价格不宜超过1 0 万元人民币，便携式w i m 系统单机的价格不宜超过2 万元人民币。 1 2 3 车辆动态称重技术的发展趋势 采用基于a r m 技术的w i m 系统可以提高其稳定性等各项性能指标。基于a r m 的 嵌入式产品在国外技术上的发展远远领先于国内的技术，1 9 9 0 年1 1 月a r m 公司在 英国剑桥成立，经长达1 1 年的发展，a r m 公司在全世界拥有广泛的全球技术合作伙 伴，这其中包括领先的半导体系统厂商、实时操作系统( r t o s ) 开发商、电子设计自 动化和工具供应商、应用软件公司、芯片制造商和设计中心，全世界共有7 0 多家公 司生产a r m 芯片，a r m 技术的i p 核的微处理器遍及汽车、消费电子、成像、工业控 制、海量存储、网络、安保和无线等各类产品市场，而且在各领域已经或正在取得 很大的成功。目前，基于a r m 技术的处理器己经占据了3 2 位r i s c 芯片7 5 的市场 份额，可以说，a r m 技术几乎无处不在。2 0 0 2 年初，a r m 公司才在中国大陆上海成 立了第一家分公司，a r m 技术才在其出生1 0 年后真正进入中国。将基于a r m 处理器 的嵌入式系统应用于公路w i m 系统有以下几个方面的优点： 1 、集成度高且性能优越。a r m 芯片将一些常用的端口，如串口，键盘接口、打 印机接口、l c d 显示屏驱动、触摸屏技术等集成在一起，具有体积小、器件功耗小、 运行稳定等优点。将其应用于计重收费系统可以将原来系统中一些分散的功能和设 备集成在一起，集成度的提高必然能大大增强系统的可靠性。 2 、运行速度快处理数据能力强。采用a r m 技术，不但能大大提高系统原始数据 采集处理的准确性，而且在数据后续处理上可以利用a r m 技术的浮点运算等优良性 能，使系统整体性能在精度和准确度上大大提高。 3 实时性强、多任务。a r m 7 采用了三级流水线技术来增加处理器指令的速度， 并且可以在a r m 7 上移植u c o s i i 操作系统，可以使系统的实时性及多任务得以良 好的应用。 4 多种数据结构支持，兼容性好。a r m 处理器使用冯诺依曼( y o nn e u m a n n ) 结构， 指令和数据共用一条3 2 总线。只有加载、存储和交换指令可以对存储器的数据进行 6 五邑大学硕士学位论文 访问。数据可以是8 位字节、1 6 位半字或3 2 位字。所以可以兼容无论是8 位单片 机还是高级语言代码的数据结构，方便代码移植和编程。使采用a r m 技术快速平稳 替换原有技术成为可能。 5 成本低、通用性强。3 2 位微控制器的价格己经不比8 位高多少，有些系统使 用3 2 位机，其整体成本甚至比用8 位机还要低；而a r m 集成了通用的外设端口，而 且端口的定义均具有通用性，可以兼容p c 机的端口。所以a r m 技术既具有8 位机低 廉的成本，又不失3 2 机的优越性能。 6 调试、固化程序方便。f l a s hb o o t 装载程序同时提供片内f l a s h 存储器的 i s p ( 在系统编程) 和i a p ( 在应用编程) 编程接口。a r m 还提供了j a t g 接口可用以对用 户程序进行仿真和调试。所以当用a r m 技术开发产品时，调试用户程序十分方便， 通过i s p 和工a p 可以在现场对用户程序进行修改，产品开发和生产十分便利。 准确度、稳定性和可靠性是衡量一个动态称重系统的重要质量指标，同时也是 交通部门和有关用户最关心的问题。因此，未来动态称重系统的一个明显的发展趋 势就是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、 稳定性高、可靠性高。因此，基于a r m 技术的动态称重系统呼之欲出1 1 3 压电薄膜轴简介及其称重原理 1 3 1 压电薄膜轴性能介绍 m s i 公司经过多年研究，开发出一种共聚物压电轴传感器【2 8 1 ，该传感器被用于 检测车轴数、轴距、轮距，车速分类、动态称重，闯红灯拍照，停车区域监控，交 通信息采集及机场行道。共聚物压电薄膜轴传感器的优点是可以获取精确的、具体 的数据，如精确的速度型号、触发信号和分类信息及长期交通信息统计数据。 压电材料是一种经过特殊加工后能将动能转化成电能的材料。一些共聚物使这 特性有了很大的提高。 压电传感器由金属编织芯丝、压电材料和金属外壳制成同轴结构。在制造过程 中、将压电材料置于一个强电场中极化。极化场使非结晶聚合物变成半晶体的形式， 同时又保留了许多聚合物的柔韧特性。 压电材料在受机械冲击或振动时产生电荷。在原子层，偶极子的排列顺序被打 乱，引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两端表面内出 现符号相反的束缚电荷。在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆关系，这种 7 五邑大学硕士学位论文 现象就是压电效应或正压电效应f l l 】( p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ) 。当外力消除后，材 料又恢复为原来的状态，这同压电传感器十分相似。 压电轴检测器是压电电缆的一种，由金属编织芯线、压电材料、荷金属外壳制 成同轴结构，信号产生的机理是，压电材料受机械冲击或振动时，原子层的偶极子 排列顺序被打乱，形成电子流，从而向外输出电荷，在去掉负载时，就会产生一个 相反极性的信号，把电荷引出电缆，经电荷放大、电压放大，即可用来进行动态称 重。 1 3 2 压电薄膜轴的称重原理 压电电缆正是利用压电效应的原理，当轮胎经过压电薄膜轴时，传感器受到压 力的作用产生电荷信号，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。 研究发现，随着车辆通过速度的增加，车辆通过压电轴的时间在缩短，信号波 形变窄( 见图1 - 1 ) 。信号波形和横轴所围的面积在减小，但其与相应的速度的乘积 恒为一常数，即该值就是与车辆载荷成正比的常数。在这段曲线下的面积s 和车辆 速度v 的乘积a 1 2 1 ，即是称重结果。 w = s v c = a c( 1 1 ) 图卜1 不同速度下经过电荷放大之后的电压波形 其中c 为调整系数，可利用已知重量为的车辆通过压电薄膜轴后确定， c = 凳，其中以为对应的信号曲线面积s 和车辆速度v 的乘积。 8 五邑大学硕士学位论文 1 4 动态称重的影响因素 压电薄膜轴动态称重系统的称重精度和多个因素有关，主要包括： 1 、受力的影响； 2 、轮胎气压以及轮胎宽度的影响； 3 、环境温度的影响； 由于压电薄膜轴的灵敏度受温度一定的影响，因此需要通过设计相应的温度补偿 电路或软件编程解决。 4 、通过压电轴的影响； 当车辆压过压电轴的不同位置时，输出灵敏度也不相同，这个变化在7 之内 9 1 。 5 、汽车的运动状态对动态称重准确度的影响； 6 、汽车行驶过程中速度对动态称重精度的影响；1 7 、汽车行驶过程中加速度动态对动态称重精度的影响： 8 、车辆通过压电轴时振动对动态称重数据的影响； 车辆通过压电轴时的振动对测量结果有非常大的影响，因为振动位移向上与向 下，对轴造成的压力不同。对称重要求来说，需要获得的是车辆的重量，而实际测 量的是动态轴荷【4 1 ，这二者之间是有差异的。 1 5 本课题主要研究内容 本课题在前面研究工作的基础上，对车辆动态称重系统作了进一步的改进，具 体如下：( 1 ) 采用了3 2 位的处理器以代替原来1 6 位的处理器，提高了系统速度，稳 定性，可靠性；( 2 ) 数据采集则是采用了更为方便准确的数据采集卡，该数据采集卡 带有4 路l o 位的a d 转换器，方便于测量与数据采集，得到较为精准的现场数据， 为后续的数据处理打好基础；( 3 ) 设计了多个信号调理电路，诸如电荷放大电路，隔 离电路以及滤波电路等；( 4 ) 采用了一种比较完善的数据处理方法，使最终得到的车 重数据更加准确，提高了系统精度；( 5 ) 采用基于a r m 7 微处理器设计了一整套软硬 件系统模块，最后对嵌入式操作系统g c o s 一口进行了移植。 9 五邑大学硕士学位论文 1 6 论文结构 第一章绪论，主要介绍课题研究目的、意义、背景以及目前国内外研究现状与发展 趋势；其次简要地介绍了压电薄膜轴、称重原理以及影响因素； 第二章动态称重系统硬件开发与实现，给出了系统整体设计方案及硬件开发，同时 介绍了e a s y a r m 2 1 0 0 的内部结构和所能够提供的资源，并对基于a r m 7 技术 的硬件设计过程的各个模块电路的设计方法进行了详细的介绍； 第三章动态称重系统软件设计，详细介绍了动态称重系统试验数据采集与处理方 法； 第四章嵌入式操作系统c o s i i 的移植，介绍了c o s i i 操作系统在a r m 7 上的 移植。 第五章试验及结果分析，采用了一种比较好的数据采集方法，即基于l a b v i e w 的现 场模拟试验数据采集与处理方法； 第六章总结及展望，对本文所作的工作进行总结，对后续的工作提出了建议。 1 0 五邑大学硕士学位论文 第二章动态称重系统硬件开发与实现 2 1w l m 系统方案设计 本课题的重点是研究w l m 系统的设计与实现，其系统实现方案的总体框图如下 图2 - 1 所示。在本章的后面内容中将对框图的各个模块进行作详细的说明。 图2 - 1w l m 系统实现方案的总体框图 2 2a r m 微处理器概述 1 9 9 0 年1 1 月a r m 公司成立于英国剑桥【3 1 1 ，主要出售芯片设计技术的授权。目 前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市 场，基于a r m 技术的微处理器的应用大约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市 场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 1 、工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片以其低功耗、 处理速度快、资源丰富等优势不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额， 同时因为其极高的性能价格比也逐渐向低端微控制器应用领域扩展； 五邑大学硕士学位论文 2 、无线通讯领域：目前己有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术； 3 、网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞争侦 势。此外a r m 在语音及视频处理上得到了优化，并获得广泛支持，对d s p 的应 用领域提出了挑战； 4 、消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、机顶盒和游戏机牛 得到广泛采用； 5 、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术，手 机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术； 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更 加广泛的应用。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点【3 3 1 ： 1 、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 3 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r mc 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 1 6 位器件； 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高，指令长度固定。 a r m 7 系列微处理器的主要应用于工业控制、i n t e m e t 设备、网络和调制解调器 设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用，最适合用于对价位和功耗要求较高能 消费类应用。a p d v l 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、 a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 【1 5 1 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛能 3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。 2 3e a s y a r m 2 1 0 0 硬件介绍 2 3 1e a s y a r m 210 0 的芯片资源 e a s y a r m 2 1 0 0 开发板是一款功能强大的3 2 位a r m 单片机开发板，采用了p h i l i p 5 公司的a r m 7 t d m i s 核单片机l p c 2 11 4 ，具有j t a g 调试，i s p 编程等功能。板上提傍 了一些键盘、l e d 、r s 2 3 2 等常用功能部件，并具有i d e 硬盘接口、c f 存储卡接口和 m o d e n 接口等等，并设有外设p a c k ，极大地方便了用户在3 2 位a r m 嵌入式系统领坷 进行开发试验。 l p c 2 11 4 2 1 2 4 2 11 9 是世界上首款可加密的a r m 芯片，具有零等待1 2 8 k 2 5 6 i 1 2 五邑大学硕士学位论文 字节的片内f l a s h ，1 6 k 的s r a m ，无需扩展存储器，使系统更为简单可靠；内部具 有u a r t 、硬件，2 c 、s p i 、p w m 、a d c 、定时器、c a n 等众多外围部件，功能更强大： 6 4 管脚l q f p 封装；3 3 v 和1 8 v 系统电源，内部p l l 时钟调整。 2 3 2e a s y a r m 210 0 实验板功能特点 1 、所有i 0 口全部引出，可进行g p i o 的控制试验； 2 、4 个独立的l e d 、6 个独立键盘控制： 3 、具有r s 2 3 2 转换电路，可与上位机进行通讯，完成u a r t 通讯实验，可以与标准 串行m o d e r n 直接接口，方便远程通讯； 4 、具有，2 c 器件、s p i 器件，p w m 输出可实现d a c 转换功能； 5 、提供基于p c 的人机界面，方便调试时钟、串口通信等功能； 6 、可进行外部中断实验，定时器控制实验，实时时钟控制实验； 7 、使用7 4 h c 5 9 5 芯片，可实现s p i 接口数据发送、接受实验； 8 、具有p w m 输出测试点及滤波电路，实现p w m 输出、p w md a c 实验； 9 、可进行a d c 数据采集实验。 2 4 系统单元电路介绍 2 4 1 电源电路 l p c 2 0 0 0 系列a r m 7 微控制器均要使用两组电源，i o 口供电电源为3 3 v ，内核 及片内外设供电电源为1 8 v ，所以系统设计为3 3 v 应用系统。首先，由c z i 电源 接口输入9 v 直流电源，二极管d l 防止电源反接，经过c l 和c 4 滤波，然后通过l m 7 8 0 5 将电源稳压至5 v ，再使用l d o 芯片( 低压差电源芯片) 稳压输出3 3 v 及1 8 v 电压。 电路原理图如下图2 - 2 所示： 五邑大学硕士学位论文 u 1 7 8 幻5 七刚 + 5 v 图2 - 2 ( a ) 5 v 电源电路- - l m 7 8 0 5 图2 - 2 ( b ) 5 v - 3 3 v 转换 删3 v 2 4 2 复位电路 图2 - 2 ( c ) 5 v - i 8 v 转换 d 1 8 v 由于a r m 芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限较低，对电源的纹 波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的 要求。该开发板的复位电路使用了专用微处理器电源监控芯片s p 7 0 8 s ，以提高系统 的可靠性。其电路图如下图2 - 3 所示： 1 4 五邑大学硕士学位论文 2 4 3 晶振电路 图2 - 3 复位电路 l p c 2 0 0 0 系列a r m 7 微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部p l l 电路可调 整系统时钟，使系统运行速度更快( c p u 最大操作时钟为6 0 m h z ) 。倘若不使用片内 p l l 功能及i s p 下载功能，则外部晶振频率范围是i 3 0 m h z ；若使用片内p l l 功能 及i s p 下载功能，则外部晶振频率范围是1 0 2 5m h z ，外部时钟频率范围是1 0 2 5 m h z 。e a s y a r m 2 1 0 0 开发板使用了外部1 1 0 5 9 2 m h z ，电路如下图所示，用lm q 的电 阻并接到晶振的两端，使系统更容易起振。用1 1 0 5 9 2 m h z 晶振的原因是使串口波特 率更精准，同时能够支持l p c 2 0 0 0 系列a r m 7 微控制器芯片内部的p l l 功能及i s p 下载功能。下图2 4 为晶振电路。 图2 - 4 晶振电路 2 4 4j t a g 接口电路 该j t a g 采用a r m 公司提出的标准2 0 脚j t a g 仿真调试接口。如下图2 - 5 所示： 1 5 五邑大学硕士学位论文 j t a g 接口 j 6 图2 - 5j t a g 接口电路 2 4 5m a x 3 2 3 2 串口通信电路 、厂i 】d 3 3 由于系统是3 3 v ，所以使用了s p 3 2 3 2 e 进行r s 2 3 2 电平转换，s p 3 2 3 2 e 是3 v 工作电源的r s 2 3 2 转换芯片，l p c 2 0 0 0 就是通过u a r t o 进行i s p 操作的。其电路图 如下图2 - 6 所示： 2 4 6a d c 实验电路 图2 - 6m a x 3 2 3 2 串口通信电路 l p c 2 1 1 4 具有4 路1 0 位a d c 转换器，其参考电压为3 3 v ，参考电压的精度会 影响a d c 的转换结果。e a s y a r m 2 1 0 0 开发试验板提供了两路直流电压测量电路， 如下图2 7 所示，可调电阻w 1 和w 2 用于调整a d c 的输入电压，可以在v i n l 和 v l n 2 测试点上用万能表检查电压值。 1 6 五邑大学硕士学位论文 2 5 称重信号数据预处理 2 5 i 电荷放大电路 图2 - 7a d c 实验电路 基于压电薄膜轴的特性，当轮胎经过压电薄膜轴时，传感器受压力产生电荷信 号，经过电荷放大和电压放大之后，才能够得到所需的电压信号，其幅度与所受的 压力成正比。经不断地试验调试，调试好的电荷放大器如下图2 8 所示： 图2 - 8 电荷放大器电路 1 7 五邑大学硕士学位论文 2 5 2 模拟电路与数字电路的隔离 信号隔离使数字或模拟信号在发送时不存在穿越发送和接收端之间屏障的电流 连接。这允许发送和接收端外的地或基准电平之差值可以高达几千伏，并且防止了 可能损害信号的不同地电位之间的环路电流。信号地的噪声可使信号受损。隔离可 将信号分离到一个干净的信号子系统地。在另一种应用中，基准电平之间的电连接 可产生一个对于操作人员或病人不安全的电流通路。在很多系统中，模拟信号必须 隔离。模拟信号所考虑的电路参量完全不同于数字信号。模拟信号通常先要考虑：l 、 精度或线性度；2 、频率响应；3 、噪声考虑。 在各种工业过程的测量和控制系统中，干扰是一个不容忽视的因素，必须认真 对待。信号隔离则是抵抗外界干扰的一个必要而有效的手段，它可以实现以下两个 功能：1 、隔断外界的共模电压；2 、隔断从外界引进来的电磁干扰。要实现信号的 完全隔离，不仅信号本身要隔离，供给隔离前后电路工作的电源也要隔离。模拟信 号测量端的隔离一般采用以下几种方法： 1 、对于高电压、大电流