基于PC104總線(xiàn)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量板的設計

摘要：在分析了現有系統問(wèn)題的基礎上，提出了基于PC/104總線(xiàn)的、以C8051F060MCU為核心的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量接口板的設計，C8051F060具有獨立的雙通道16位逐次比較型A/D轉換器等功能。經(jīng)一年多的實(shí)際使用證明該設計具有簡(jiǎn)化了硬、軟件設計、增強了系統的工作可靠性、降低了造價(jià)等優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：PC/104總線(xiàn)；動(dòng)態(tài)稱(chēng)重；模數轉換器

被測對象處于非靜止狀態(tài)，即被稱(chēng)重或測力的物體在運動(dòng)則形成了動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量狀態(tài)^[1]，如對公路上行駛的汽車(chē)或鐵道上運行的火車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)稱(chēng)量測量等被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)稱(chēng)重。貨物汽車(chē)超重載荷已是貨運領(lǐng)域一個(gè)共知的事實(shí)。貨物汽車(chē)的超重載荷對公路運輸安全、公里路面保養狀況影響巨大，國家有關(guān)部門(mén)已專(zhuān)項加以整頓，而汽車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量系統是治理貨物汽車(chē)超重載荷的有力的技術(shù)武器之一。

在汽車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量領(lǐng)域已有一些動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀器在使用中，但它們主要以單片機為核心、采用低精度、低速度、多元件來(lái)構成系統，這雖制造成本較低，但其可靠性、工作性能和指標等受到了極大的限制^{[2，3，4]}。鑒于工程的實(shí)際需求，我們設計了與便攜式PC/104總線(xiàn)計算機相配合的高性能的汽車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量接口板，克服了上述缺點(diǎn)并達到了預期的設計指標。

與便攜式PC/104總線(xiàn)計算機相配合的高性能的汽車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量接口板的硬件電路由兩部分組成：信號采集部分和與PC/104總線(xiàn)的接口部分。

1 信號采集部分設計

當前測控儀器中采用的高分辨率A/D轉換器多為獨立的集成電路芯片，如此構成的高精度測控系統不免在抗干擾、轉換精度、電路板體積以及價(jià)格等方面存在著(zhù)眾多的、難以解決的實(shí)際問(wèn)題。使用將高分辨率A/D轉換器與MCU（微控制器或稱(chēng)為單片機）集成到一起的集成芯片不失為解決上述問(wèn)題的一種好方法。C8051F060是一個(gè)由CYGNAL公司生產(chǎn)的、高速的、數字與模擬電路混合的集成電路MCU芯片，它具有25MIPS的峰值工作速度、靈活的外部存儲器接口和59條數據I/O接口線(xiàn)及兩個(gè)片內的、獨立通道的16 位逐次比較型A/D轉換器等 ^[5]。這兩個(gè)獨立通道的16位逐次比較型A/D轉換器具有如下特點(diǎn)：

Ø 16 位分辨率。

Ø 0.75 LSB INL，保證無(wú)失碼。

Ø 可編程的轉換速率，最大可達1 Msps。

Ø 芯片內部集成了模擬輸入量的跟蹤保持及采樣電路。

Ø 可軟件設定為兩個(gè)單端輸入的或一個(gè)差分輸入的A/D轉換器。

Ø 偏移和增益在一定范圍內可調整。

Ø 可進(jìn)行直接存儲器存取操作，數據直接存儲到RAM 中，不需要額外的軟件開(kāi)銷(xiāo)。

Ø 具有與數據相關(guān)的窗口中斷發(fā)生器。

Ø 專(zhuān)用的內部電壓基準或可使用外部電壓基準源。

兩個(gè)獨立通道的16 位逐次比較型A/D轉換器表達為ADCn(n=0是第一個(gè)A/D轉換通道ADC0，n=1是第二個(gè)A/D轉換通道ADC1)。其中，ADC0有4種轉換啟動(dòng)方式；ADC1有5種轉換啟動(dòng)方式?？梢酝ㄟ^(guò)查詢(xún)ADnINT位或以中斷的方式來(lái)確定A/D轉換何時(shí)轉換結束并加以處理。

圖1是動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量板的信號采集部分原理圖。在圖中，通道1的ADC0 IN端子接于測重傳感器的電橋輸出端，用于采集汽車(chē)動(dòng)態(tài)重量信號，該電橋輸出為毫伏級的直流電壓信號。因此，采用儀用放大器AD620――AMP2作為放大元件將信號放大到MCU（這里指C8051F060）內部A/D轉換器通道0（ADC0）能夠接受的模擬量轉換范圍（0-2.4V）。在A(yíng)MP2前后的C5、R3和C9用于抗干擾濾波；D1和D2用于MCU內部A/D轉換器通道ADC0的電壓輸入過(guò)載保護。放大通道的放大倍數由電阻R4的阻值（RG）決定，當RG=∞（未接放大電阻）時(shí)，通道的放大倍數（G）為1。

圖1 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量板的信號采集部分原理圖

AMP2的輸出經(jīng)濾波后送到C80C51F060片內的16位A/D轉換器通道（ADC0）的外部輸入引腳AIN0（MCU的18腳），數據的采樣、保持和A/D轉換等全部在MCU芯片內部通過(guò)軟件的控制來(lái)完成。

在圖1中，起始于A(yíng)DC1 IN端子的A/D通道2的信號處理過(guò)程和原理與上述的相同。

C80C51F060片內的16位A/D轉換器（通道0和通道1）的參考電壓取自MCU內部的電壓基準電路。MCU內部的電壓基準電路由一個(gè)1.2V的、溫度穩定性好（典型值為15ppm/℃）的、負載調整率優(yōu)（典型值為0.5ppm/µA）的帶隙電壓基準發(fā)生器和一個(gè)兩倍增益的輸出緩沖放大器組成。內部基準電壓可以通過(guò)VREF引腳（MCU的4腳）連到器件的外部。將VREF引腳與通道0參考電壓端的VREF0引腳（MCU的21腳）和通道1參考電壓端的VREF1引腳（MCU的6腳）相連，為兩個(gè)16位ADC提供參考電壓。該參考電壓值（典型值是2.43V）決定了ADC的模擬量輸入范圍。

接于測重傳感器電橋輸入端的給定電壓也源自于MCU內部的基準電壓源，由雙運算放大器AMP3以及R7、R8、R6和V1等組成參考電壓放大、穩幅和擴流輸出等電路，完成測重傳感器電橋輸入電壓的精密給定。

由圖1中可以看到，包括放大電路和測重傳感器電橋輸入電壓的精密給定在內，該動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量板的信號采集部分的硬件電路設計非常簡(jiǎn)潔。顯而易見(jiàn)，它與傳統的由多片器件組成的A/D轉換器相比具有工作可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格也極具競爭能力（一片C80C51F060MCU僅售不足300元人民幣）。

當二個(gè)通道的A/D轉換器的啟動(dòng)工作由MCU的Timer3的溢出來(lái)啟動(dòng)并采用中斷方式來(lái)取轉換結果值時(shí)， ADC0或ADC1的轉換結果值在相應通道的中斷子程序中讀取，根據需要再進(jìn)行保存或做進(jìn)一步的處理。在設置中應注意使Timer3的定時(shí)時(shí)間要大于或等于A(yíng)DC的轉換時(shí)間與轉換結果值的讀取時(shí)間（中斷子程序的運行時(shí)間）之和。

2 測量板接口部分設計

PC/104是嵌入式PC的機械標準，他秉承了IBM PC開(kāi)放式總線(xiàn)結構的優(yōu)點(diǎn)，與IBM PC完全兼容，它具備嵌入式控制的特殊要求：體積小、高可靠性、長(cháng)壽命、編程調試方便，所以在測試領(lǐng)域基于PC104的智能儀器得到了廣泛應用^[6]。由于PC/104總線(xiàn)裝置具有體積小、高可靠、長(cháng)壽命、編程調試方便等特點(diǎn)，適合于制作高密度、小體積的便攜式測試儀器或控制裝置。PC/104總線(xiàn)系統的開(kāi)發(fā)平臺與現有的其它通用計算機系統完全相同，故現有的所有開(kāi)發(fā)軟件均可以使用，所以，在測控領(lǐng)域基于PC/104的智能測控系統得到了廣泛應用。為了便于系統的開(kāi)發(fā)與使用，本動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量系統采用了ＰＣ/104總線(xiàn)系統作為系統的設計、開(kāi)發(fā)和使用平臺，測量板與之配合來(lái)完成信號的采集、存儲和傳輸等工作。

由于MCU與PC/104總線(xiàn)在信號工作頻率和接口時(shí)序等方面很難一致，因此，MCU與PC/104總線(xiàn)的I/O數據接口應采用異步并行緩沖接口方式，即采用74HC373、74HC374等器件鎖存PC/104總線(xiàn)一方數據總線(xiàn)的輸出數據及握手信號，MCU一方依據握手信號來(lái)進(jìn)行數據的讀取或傳送；而MCU一方的輸出數據多采用通用并行口，其帶有數據保持功能，因此，可用74HC244、74HC245等總線(xiàn)驅動(dòng)芯片來(lái)進(jìn)行MCU向PC/104總線(xiàn)的數據隔離與驅動(dòng)，如此可實(shí)現雙方向的異步數據傳送功能^[7]。

C8051F060的外部存儲器接口接有一個(gè)128KB的RAM（IS62LV1024）芯片用于數據存儲， MCU與PC/104總線(xiàn)的數據接口在C8051F060一側由通用并行接口（P0、P1、P2和P3等）來(lái)完成，其通用并行口帶有數據保持功能，因此，采用了8位總線(xiàn)驅動(dòng)器74HC245來(lái)進(jìn)行MCU指向PC/104總線(xiàn)的電平轉移（C8051F060為3V工作電源，PC/104總線(xiàn)為5V工作電源）與數據驅動(dòng)、而PC/104的數據總線(xiàn)不具有數據保持功能，因此，采用了具有三態(tài)輸出控制功能的8D數據鎖存器74HC374來(lái)進(jìn)行PC/104總線(xiàn)指向MCU的數據傳送、保持工作（C8051F060可直接接收5V信號電平）。由于C8051F060的P2口需雙向操作功能，因此，PC/104總線(xiàn)與MCU的數據傳送方向由來(lái)自PC/104總線(xiàn)的鎖存信號來(lái)決定和指明。

由于測量板需要的不止是一個(gè)譯碼地址，為此，在使用了8位模似比較器――74HC688作為比較譯碼芯片進(jìn)行地址譯碼的基礎上又增加了74HC393（二――四譯碼器）進(jìn)行細分地址譯碼^[8]。設計中為了節省芯片而放棄了地址線(xiàn)A0參與譯碼，因此，地址譯碼輸出R1/W1及R2/W2各占二個(gè)地址，如R1/W1可通過(guò)改變JUM1的跳線(xiàn)設定為200H――3C0H或201H――3C1H。這樣，通過(guò)MCU與PC/104總線(xiàn)計算機的軟件配合即可實(shí)現微機之間的命令與數據的傳送。

圖3 MCU程序處理流程簡(jiǎn)圖

3控制軟件設計

MCU與PC/104總線(xiàn)間的數據傳送采用主/從方式，PC/104總線(xiàn)系統為主機，MCU為從機。為了保證主/從方式的數據傳送能順利實(shí)施， MCU采用中斷方式（對應于PC/104總線(xiàn)D3位的MCU的P02引腳已預編程為中斷響應引腳INT0并采用邊緣觸發(fā)方式）響應PC/104總線(xiàn)系統的數據傳送啟動(dòng)，可隨時(shí)進(jìn)行任意字節值的雙向數據傳送。PC/104總線(xiàn)系統用C語(yǔ)言操作接口讀、寫(xiě)分別采用inportb()函數和outportb()指令，其工作流程框圖如圖2所示。

在C8051F060MCU的程序設計中，接收PC/104總線(xiàn)微機的命令和與之進(jìn)行數據交換采用外部程序中斷方式；數據采樣采用ADC中斷的方式。其中，數據采樣包括基值采樣（無(wú)車(chē)輪壓下條件的兩路測重傳感器輸出）和軸重采樣（兩路測重傳感器一次測汽車(chē)一個(gè)軸的重量）。C8051F060MCU程序處理流程簡(jiǎn)圖如圖3所示。在軸重采樣中，MCU根據所給定的車(chē)輛軸數和采樣門(mén)限條件自動(dòng)判斷車(chē)輪和測重傳感器之間的位置并自動(dòng)進(jìn)行重量值采樣。當車(chē)輪停在測重傳感器上面時(shí)，MCU將根據設定的超限時(shí)間值大小自動(dòng)停止數據采樣。

4 結束語(yǔ)

現今市售的PC/104總線(xiàn)的接口板種類(lèi)有限且價(jià)格較高，隨著(zhù)PC/104總線(xiàn)系統的大量采用，PC/104總線(xiàn)的接口板設計將成為了系統成敗的瓶頸。提升PC/104總線(xiàn)的接口板的性能并降低其價(jià)格，對PC/104總線(xiàn)系統的應用會(huì )起到極大的推動(dòng)作用。

基于PC104總線(xiàn)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量板的設計經(jīng)一年多的實(shí)際使用證明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

使用的元件少并簡(jiǎn)化了硬、軟件設計；

增強了系統的抗干擾能力和工作可靠性；

充分利用了MCU的資源；

具有產(chǎn)品價(jià)格的競爭優(yōu)勢。

參考文獻

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