一种治超非现场执法高速高精度信号采集终端的制作方法

1.本发明属于公路交通技术领域，涉及一种治超非现场执法高速高精度动态称量装置。


背景技术：

2.多年来由于行驶道路的超限超载车辆对公路和桥梁造成严重的损坏，影响了公路的使用寿命，大大增加了建造维护成本，而且容易造成交通事故，严重影响到行车安全，同时给交通管理部门带来极大的治理和管理难题。为有效加强管理，充分发挥科技治超优势，推出治超非现场执法系统。
3.治超非现场执法系统作为货运车辆是否超载的检测系统，称量的准确性是整个系统的关注点，目前治超非现场执法系统中用到的称量产品也各不相同，要实现准确称量，各类产品的兼容，信号采集终端的采集速率以及采集精度至关重要，由于市场需求形式多样，单一的系统成本较高，不利于生产及管理，而各种称量装置在使用之前，都要经历开发、实验、型式评价、计量检定等过程，而从开发到取得型式评价证书要经历相当长一个过程，没有通用的速信号采集终端解决这一问题，这样无形之中延长了产品开发周期，增加了企业的成本，不利于企业在市场中竞争。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种治超非现场执法高速高精度信号采集终端，同时适用窄条式称重系统和平板式称重系统以及信号类型相同的高速动态称量场景，能很好地缩短单个功能产品开发的周期，降低成本，提高产品的市场竞争力。
5.为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种治超非现场执法高速高精度信号采集终端，包括8路接口保护电路、8路全差分两级信号放大电路、8通道模数同步转换器、fpga时序控制处理器、arm信号处理器、can总线驱动电路、rs232通讯电路、电源转换电路。
6.信号采集终端将采集的输入信号由8路接口保护电路分别送入8路全差分两级信号放大电路，8路全差分两级信号放大电路对每只传感器信号进行两级放大，放大增益可调整，放大后的信号分别进入8通道模数同步转换器，fpga时序控制处理器通过时序控制8通道模数同步转换器自动进行高速转换，将模拟信号转换为数字信号，然后由fpga时序控制处理器读出数据并将数据缓存；arm信号处理器按照一定的协议和时序从fpga时序控制处理器中进行数据的读取和处理，处理完成的数据经过can总线驱动电路，通过can总线的方式和其它车道的信号采集终端级联，接入上级处理单元，上级处理单元通过can总线对每个信号采集终端进行地址随机分配，将分配好的地址输入对应的采集终端，实现车道和采集终端的一一对应，进而实现多车道的称量目的；rs232通讯电路可作为信号采集终端调试接口；电源转换电路供电范围为9～36vdc，为高速高精度信号采集终端提供电源。
7.进一步地，fifo时序控制处理器分为两个缓存区：第一缓存区和第二缓存区，总是
一个用来存储8通道模数同步转换器转换后的数据，另一个用来让arm信号处理器读出上一次转换到的数据，两个操作过程是同时进行交替工作的，只需要交替读出fifo两个缓存区的数据就行，从而达到高速高精度采集的目的。
8.进一步地，fpga时序控制处理器中的fifo缓存控制核用来判断8通道模数同步转换器一次采样是否结束，如果结束，将数据存在fifo的第一缓存区；在第二次采样的时候将第一缓存区的数据读走然后清空第一缓存区的数据，并同时将第二次读到的采样数据存进第二缓存区，然后又将第二次读的数据从第二缓存区读走，同时8通道模数同步转换器采样并存储数据到第一缓存区。
9.进一步地，电源转换电路供电范围为9～36vdc，由电源转换电路转换为双路5v电源：一路5va对外部传感器、8路全差分两级信号放大电路和8通道模数同步转换电路供电；转3.3v为arm、fpga及周边电路供电；转1.2为fpga的i/o电源供电，转2.5v作为8路全差分两级信号放大电路和8通道模数同步转换电路的基准电压；另一路为can总线驱动电路和rs232通讯电路供电。
10.进一步地，8路全差分两级信号放大电路选择二级放大；窄条式称重场景，第一级放大700倍，第二级放大2倍；平板式称重场景，第一级放大125倍，第二级放大2倍；放大电路第一级选用放大器ad84xx，第二级驱动芯片选用ad80xx对第一级放大的信号进行二级放大，以及对ad采集芯片进行驱动。
11.进一步地，输入信号进入8路全差分两级信号放大电路前通过接口保护电路先进行接口的保护和信号滤波，滤除传感器信号中的高频干扰、差模干扰以及共模干扰。
12.进一步地，模数转换器选用8通道同步采样新芯片ad76xx,每通道集成sar型调制器和数字滤波器，8通道模数同步转换器是sar型模数转换器，支持交流和直流信号的同步采样，真双极性模拟输入，模拟输入钳位保护，具有二阶抗混叠滤波器。
13.进一步地，fpga时序控制处理器选择ep2c8q208xxx，负责控制ad76xx的转换时序，保证8通道同步采样的精度以及后端数据处理的速度，从而实现高速高精度同步采样的目的。
14.进一步地，arm信号处理器选用stm32f4xxx,cortex-m4内核，将采集到的电压信号转换为重量信息，根据现场应用生成车辆信息，完成过车流程，并将处理完成的数据进行上传。
15.本发明针对治超非现场执法系统中高速称量以及多车道的特点，高速高精度信号采集终端对每只传感器信号进行两级放大，放大增益可调整，放大后的信号进入模数转换器，通过fpga控制模数转换器完成信号的同步采集，后端arm通过总线方式按照一定的时序完成信号的读取和处理，从而实现高速同步采集，对外接口采用can总线级联的方式实现多车道的扩展。
16.治超非现场执法系统中无论是窄条称重还是平板称重，信号采集终端在硬件上都是通用的，只是前端二路全差分放大器的增益不同，通过对增益的调整，可以实现不同类型产品的选择和不同的应用模式。
17.本发明和传统的称量装置相比，硬件通用性好，不同类型产品和应用模式可根据信号的放大增益来实现，能较好的满足目前市场上治超非现场执法系统窄条和平板两种应用模式以及信号类型相同的高速动态称量场景。
附图说明
18.图1是信号采集单元原理框图。
19.图2是电源转换电路原理框图。
20.图3是数据处理单元原理框图。
具体实施方式
21.一种治超非现场执法高速高精度信号采集终端，具有高速高精度采集的特点，可匹配目前治超非现场执法市场上窄条式称重和平板式称重的使用。
22.高速高精度信号采集终端包含8路输入接口保护电路、8路全差分两级信号放大电路、8通道模数同步转换器、fpga时序控制处理器、arm信号处理器、can总线驱动电路、rs232通讯电路、电源转换电路。信号采集器的架构如图1所示，传感器信号接口进行防雷、防浪涌、防静电设计，对接口部分进行保护，信号进入8路全差分信号放大电路前先进行滤波设计，滤除传感器信号中的高频干扰、差模干扰和共模干扰，信号放大电路选择二级放大，保证信号的完整性以及后端信号采集处理输入带宽。输入信号通过两级全差分放大，放大增益可调整，可根据不同的称重平台选择不同的增益实现，增益的选择通过增益电阻的选择来实现。
23.窄条传感器信号输出灵敏度为0.35mv/v,激励电压为5vdc，所以传感器的信号输出范围为0～1.75mv，ad采集芯片的采集范围为0～2.5vdc，因此前端需要放大2500/1.75＝1428倍，放大部分选择二级全差分放大，第一级放大700倍，第二级放大2倍；平板式传感器信号输出灵敏度为2mv/v,激励电压为5vdc，所以传感器的信号输出范围为0～10mv，ad采集芯片的采集范围为0～2.5vdc，因此前端需要放大2500/10＝250倍，选择二级全差分放大，第一级放大250倍，第二级放大1倍，放大回路第一级选用放大器ad84xx，ad84xx提供超低输入失调电压，极低输入电压噪声，适合信号调理和数据采集应用,具有较高的共模抑制比。第二级驱动芯片选用ad80xx，对第一级放大的信号进行二级放大以及对8通道模数同步转换器进行驱动，ad80xx是低噪声、低失真、超低功耗的全差分放大器，出色的负载驱动能力，非常适合adc驱动器。非常适合驱动高分辨率、高性能sar型模数转换器(adc)。
24.fpga选用ep2c8q208xxx,通过时序控制adc自动高速转换，将模拟信号转换为数字信号，然后由fpga读出数据并将数据缓存，fifo缓存控制核用来判断8通道模数同步转换器一次采样是否结束，如果结束，将数据存在fifo的第一缓存区。在第二次采样的时候将第一缓存区1的数据读走然后清空缓存区的数据，并同时将第二次读到的采样数据存进第二缓存区，然后又将第二次读的数据第二缓存区读走，同时8通道模数同步转换器采样并存数据到第一缓存区。也就是说，fifo分为两个缓存区，总是一个用来存储8通道模数同步转换器转换后的数据，另一个用来让arm信号处理器读出上一次转换的数据。两个操着过程是同时进行交替工作的，只需要交替读出fifo两个缓存区的数据就ok。从而达到高速高精度采集的目的。
25.采集部分选用ad76xx,每通道集成sar型调制器和数字滤波器，8通道同步采样sar型模数转换器(adc)，真双极性模拟输入，模拟输入钳位保护，具有二阶抗混叠滤波器，根据ad采集原理：
[0026][0027]
其中：n是电压数字化后的值；v
x
待测电压值；gain放大倍数；v
ref
参考电压；n为adc的最大分辨率；可见电压基准对转换精度的影响也是决定性的，本文基准电压采用2.5vdc，基准源选用adi公司的ad45xx基准芯片，最大温度系数2ppm/℃,输出噪声(0.1hz至10hz)小于1uv p-p,输出电压误差
±
0.02％(最大值)。
[0028]
数据处理单元(如图3)主要针对从fpga中读到的数据进行二次处理，处理器选用stm32f4xxx,cortex-m4内核,将采集到的电压信号转换为重量信息，并根据现场应用完成整个过车流程。数据处理部分分析信号采集单元的数据，并对数据进行整合处理，最终计算出整车重量、速度、轴数、车型等车辆信息。