基于PC104總線的動態(tài)稱重測量板的設計

摘要：在分析了現(xiàn)有系統(tǒng)問題的基礎上，提出了基于PC/104總線的、以C8051F060MCU為核心的動態(tài)稱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(zhuǎn)換器等功能。經(jīng)一年多的實際使用證明該設計具有簡化了硬、軟件設計、增強了系統(tǒng)的工作可靠性、降低了造價等優(yōu)勢。
關鍵詞：PC/104總線；動態(tài)稱重；模數(shù)轉(zhuǎn)換器

被測對象處于非靜止狀態(tài)，即被稱重或測力的物體在運動則形成了動態(tài)稱重測量狀態(tài)^[1]，如對公路上行駛的汽車或鐵道上運行的火車進行實時稱量測量等被稱為動態(tài)稱重。貨物汽車超重載荷已是貨運領域一個共知的事實。貨物汽車的超重載荷對公路運輸安全、公里路面保養(yǎng)狀況影響巨大，國家有關部門已專項加以整頓，而汽車動態(tài)稱重測量系統(tǒng)是治理貨物汽車超重載荷的有力的技術武器之一。

在汽車動態(tài)稱重測量領域已有一些動態(tài)稱重儀器在使用中，但它們主要以單片機為核心、采用低精度、低速度、多元件來構成系統(tǒng)，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]。鑒于工程的實際需求，我們設計了與便攜式PC/104總線計算機相配合的高性能的汽車動態(tài)稱重測量接口板，克服了上述缺點并達到了預期的設計指標。

與便攜式PC/104總線計算機相配合的高性能的汽車動態(tài)稱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(zhuǎn)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(tǒng)不免在抗干擾、轉(zhuǎn)換精度、電路板體積以及價格等方面存在著眾多的、難以解決的實際問題。使用將高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器與MCU（微控制器或稱為單片機）集成到一起的集成芯片不失為解決上述問題的一種好方法。C8051F060是一個由CYGNAL公司生產(chǎn)的、高速的、數(shù)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(shù)據(jù)I/O接口線及兩個片內(nèi)的、獨立通道的16 位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器等 ^[5]。這兩個獨立通道的16位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有如下特點：

Ø 16 位分辨率。

Ø 0.75 LSB INL，保證無失碼。

Ø 可編程的轉(zhuǎn)換速率，最大可達1 Msps。

Ø 芯片內(nèi)部集成了模擬輸入量的跟蹤保持及采樣電路。

Ø 可軟件設定為兩個單端輸入的或一個差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。

Ø 偏移和增益在一定范圍內(nèi)可調(diào)整。

Ø 可進行直接存儲器存取操作，數(shù)據(jù)直接存儲到RAM 中，不需要額外的軟件開銷。

Ø 具有與數(shù)據(jù)相關的窗口中斷發(fā)生器。

Ø 專用的內(nèi)部電壓基準或可使用外部電壓基準源。

兩個獨立通道的16 位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器表達為ADCn(n=0是第一個A/D轉(zhuǎn)換通道ADC0，n=1是第二個A/D轉(zhuǎn)換通道ADC1)。其中，ADC0有4種轉(zhuǎn)換啟動方式；ADC1有5種轉(zhuǎn)換啟動方式。可以通過查詢ADnINT位或以中斷的方式來確定A/D轉(zhuǎn)換何時轉(zhuǎn)換結束并加以處理。

圖1是動態(tài)稱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，用于采集汽車動態(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(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器通道0（ADC0）能夠接受的模擬量轉(zhuǎn)換范圍（0-2.4V）。在AMP2前后的C5、R3和C9用于抗干擾濾波；D1和D2用于MCU內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器通道ADC0的電壓輸入過載保護。放大通道的放大倍數(shù)由電阻R4的阻值（RG）決定，當RG=∞（未接放大電阻）時，通道的放大倍數(shù)（G）為1。

圖1 動態(tài)稱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(nèi)的16位A/D轉(zhuǎn)換器通道（ADC0）的外部輸入引腳AIN0（MCU的18腳），數(shù)據(jù)的采樣、保持和A/D轉(zhuǎn)換等全部在MCU芯片內(nèi)部通過軟件的控制來完成。

在圖1中，起始于ADC1 IN端子的A/D通道2的信號處理過程和原理與上述的相同。

C80C51F060片內(nèi)的16位A/D轉(zhuǎn)換器（通道0和通道1）的參考電壓取自MCU內(nèi)部的電壓基準電路。MCU內(nèi)部的電壓基準電路由一個1.2V的、溫度穩(wěn)定性好（典型值為15ppm/℃）的、負載調(diào)整率優(yōu)（典型值為0.5ppm/µA）的帶隙電壓基準發(fā)生器和一個兩倍增益的輸出緩沖放大器組成。內(nèi)部基準電壓可以通過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(nèi)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(wěn)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(nèi)，該動態(tài)稱重測量板的信號采集部分的硬件電路設計非常簡潔。顯而易見，它與傳統(tǒng)的由多片器件組成的A/D轉(zhuǎn)換器相比具有工作可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點，且價格也極具競爭能力（一片C80C51F060MCU僅售不足300元人民幣）。

當二個通道的A/D轉(zhuǎn)換器的啟動工作由MCU的Timer3的溢出來啟動并采用中斷方式來取轉(zhuǎn)換結果值時， ADC0或ADC1的轉(zhuǎn)換結果值在相應通道的中斷子程序中讀取，根據(jù)需要再進行保存或做進一步的處理。在設置中應注意使Timer3的定時時間要大于或等于ADC的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換結果值的讀取時間（中斷子程序的運行時間）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開放式總線結構的優(yōu)點，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、長壽命、編程調(diào)試方便，所以在測試領域基于PC104的智能儀器得到了廣泛應用^[6]。由于PC/104總線裝置具有體積小、高可靠、長壽命、編程調(diào)試方便等特點，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總線系統(tǒng)的開發(fā)平臺與現(xiàn)有的其它通用計算機系統(tǒng)完全相同，故現(xiàn)有的所有開發(fā)軟件均可以使用，所以，在測控領域基于PC/104的智能測控系統(tǒng)得到了廣泛應用。為了便于系統(tǒng)的開發(fā)與使用，本動態(tài)稱重測量系統(tǒng)采用了ＰＣ/104總線系統(tǒng)作為系統(tǒng)的設計、開發(fā)和使用平臺，測量板與之配合來完成信號的采集、存儲和傳輸?shù)裙ぷ鳌?

由于MCU與PC/104總線在信號工作頻率和接口時序等方面很難一致，因此，MCU與PC/104總線的I/O數(shù)據(jù)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總線一方數(shù)據(jù)總線的輸出數(shù)據(jù)及握手信號，MCU一方依據(jù)握手信號來進行數(shù)據(jù)的讀取或傳送；而MCU一方的輸出數(shù)據(jù)多采用通用并行口，其帶有數(shù)據(jù)保持功能，因此，可用74HC244、74HC245等總線驅(qū)動芯片來進行MCU向PC/104總線的數(shù)據(jù)隔離與驅(qū)動，如此可實現(xiàn)雙方向的異步數(shù)據(jù)傳送功能^[7]。

C8051F060的外部存儲器接口接有一個128KB的RAM（IS62LV1024）芯片用于數(shù)據(jù)存儲， MCU與PC/104總線的數(shù)據(jù)接口在C8051F060一側(cè)由通用并行接口（P0、P1、P2和P3等）來完成，其通用并行口帶有數(shù)據(jù)保持功能，因此，采用了8位總線驅(qū)動器74HC245來進行MCU指向PC/104總線的電平轉(zhuǎn)移（C8051F060為3V工作電源，PC/104總線為5V工作電源）與數(shù)據(jù)驅(qū)動、而PC/104的數(shù)據(jù)總線不具有數(shù)據(jù)保持功能，因此，采用了具有三態(tài)輸出控制功能的8D數(shù)據(jù)鎖存器74HC374來進行PC/104總線指向MCU的數(shù)據(jù)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總線與MCU的數(shù)據(jù)傳送方向由來自PC/104總線的鎖存信號來決定和指明。

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

圖3 MCU程序處理流程簡圖

3控制軟件設計

MCU與PC/104總線間的數(shù)據(jù)傳送采用主/從方式，PC/104總線系統(tǒng)為主機，MCU為從機。為了保證主/從方式的數(shù)據(jù)傳送能順利實施， MCU采用中斷方式（對應于PC/104總線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總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送啟動，可隨時進行任意字節(jié)值的雙向數(shù)據(jù)傳送。PC/104總線系統(tǒng)用C語言操作接口讀、寫分別采用inportb()函數(shù)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總線微機的命令和與之進行數(shù)據(jù)交換采用外部程序中斷方式；數(shù)據(jù)采樣采用ADC中斷的方式。其中，數(shù)據(jù)采樣包括基值采樣（無車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一個軸的重量）。C8051F060MCU程序處理流程簡圖如圖3所示。在軸重采樣中，MCU根據(jù)所給定的車輛軸數(shù)和采樣門限條件自動判斷車輪和測重傳感器之間的位置并自動進行重量值采樣。當車輪停在測重傳感器上面時，MCU將根據(jù)設定的超限時間值大小自動停止數(shù)據(jù)采樣。

4 結束語

現(xiàn)今市售的PC/104總線的接口板種類有限且價格較高，隨著PC/104總線系統(tǒng)的大量采用，PC/104總線的接口板設計將成為了系統(tǒng)成敗的瓶頸。提升PC/104總線的接口板的性能并降低其價格，對PC/104總線系統(tǒng)的應用會起到極大的推動作用。

基于PC104總線的動態(tài)稱重測量板的設計經(jīng)一年多的實際使用證明具有如下優(yōu)點：

使用的元件少并簡化了硬、軟件設計；

增強了系統(tǒng)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)品價格的競爭優(yōu)勢。

參考文獻

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