基于FPGA的動態稱重儀設計

合肥工業大學電氣與自動化學院 王以楨 魏文玥沈陽航空航天大學計算機學院 韓德久

基于FPGA的動態稱重儀設計

合肥工業大學電氣與自動化學院 王以楨 魏文玥沈陽航空航天大學計算機學院 韓德久

針對企業的大型礦用汽車的稱重難的問題，設計一種基于FPGA的動態稱重儀，它以現場可編程門陣列（以下簡稱FPGA）為核心，通過差動放大及濾波電路把稱重傳感器的稱重信號進行處理后，送到A/D轉換電路，由FPGA進行AD采樣、數字濾波、先進先出存儲和USB20D接口模塊進行處理后，把稱重數據通過USB接口傳到計算機，實現動態稱重，同時還從現場應用角度，對應用效果進行分析統計，基于FPGA的動態稱重儀具有采集速度高、模數轉換精度高、數據傳輸快、硬件設計簡單的特點，適用在企業的大型礦用汽車稱重中，具有廣泛的應用前景。

現場可編程門陣列；實時；動態稱重；USB接口

引言

近年來，企業的大型礦用汽車已經普遍，例如TR100礦用汽車的自重70噸，總載重量160噸，但這種大型礦用汽車的重量測量是靠估量或卸貨后測量的方式，因此這些測試方法存在測量數據誤差大、耗時長等缺陷，盡管進口的930E、MT440AC等大型礦用車已經裝有車載礦物自動稱重系統，但國內大型礦用車自動稱重系統研究還很少[1]。

1.動態稱重系統簡介

動態稱重系統主要由稱重計算機、動態稱重儀、讀卡器、天線、大屏幕和稱臺組成，在稱臺中安裝有8個稱重傳感器，在每臺汽車上安裝RFID自動識別標簽，當汽車運行到讀卡器的天線處，自動讀取RFID的卡號（每個標簽對應一個車號），同時把讀卡成功的信號作為稱重開始的信號；當汽車動態駛過稱臺，動態稱重儀實時采集稱重傳感器的變化數據，并傳送到稱重計算機中；當汽車完全離開稱臺后，稱重計算機完成稱重，在本地LED大屏幕上顯示稱重車號和重量，同時把稱重時間、車號、重量通過網絡傳輸到生產管理者辦公室，不但實現礦用汽車行駛過程中的動態稱重功能，還達到生產過程自動化、全天候無人值守稱重，減少了大型礦用汽車的起停過程中油的浪費。

2.基于FPGA的動態稱重儀設計原理

基于FPGA的動態稱重儀的設計集眾家之所長，采用獨特的設計思路，集成度高，便于維護，采用交流220V供電，具有與稱重傳感器接口，還有與計算機相連接的USB接口。基于FPGA的動態稱重儀設計主要體現在硬件設計方面，以FPGA為核心進行采集和處理，其中稱臺稱重傳感器的稱重信號通過差動放大及濾波電路后變成模擬電壓信號，由A/D轉換電路變成數字信號,送到FPGA芯片中，FPGA芯片能實現實時、快速采集數據，并按照USB20D模塊的DMA數據格式寫入到USB20D模塊中,以便通過USB接口把DMA 數據傳輸到稱重計算機中，實現采集汽車的重量變化信號的快速反應轉換過程的裝置。

2.1 FPGA電路設計

FPGA是本系統的核心部分，它采用EP1C6T144C8作為主要邏輯控制器，實時采集A/D模數轉換電路的數據，并進行數字濾波，在FPGA中設置一個先進先出寄存器，實現了數據存儲和暫存，保證先存入的數據先被USB20D模塊讀出，實現了快速存儲和快速傳送。

FPGA通過編程，配置好與外部AD976的管腳連接，以及與USB20D的管腳連接，包括時鐘分頻模塊、延時器模塊、AD采集模塊、數字濾波模塊、數據寫入單元模塊、先進先出模塊和USB接口模塊。AD采集模塊根據AD976的時序，采集AD數據，把采集后的AD數據經過數字濾波模塊處理后，送到先進先出模塊，由USB接口模塊讀出先進先出FIFO數據后，形成USB模塊的DMA數據包。

2.2 差動放大及濾波電路設計

差動放大及濾波電路采用四級放大和二級濾波，其中第一級放大器采用TLC2652CP高精度放大器，在輸入電壓為微伏量級的情況下，保證放大器的精度[2]，同時具有獨特的差動放大器去除共模干擾，輸入阻抗高，這樣做使傳感器輸出信號為負電壓時，也能正常工作，降低了前置級的噪聲。其他三級放大電路和兩級濾波電路設計也很獨特，經過差動放大及濾波電路，把放大的模擬電壓信號送到A/D轉換電路中，由于稱重傳感器的稱重信號是±20mV的模擬信號，屬于微伏量級變化信號，所以放大電路中的電阻采用精密電阻，每個放大器選用精密穩定集成運算器，同時受溫度影響小的，雙電源工作，保證稱重信號為負時也能進行放大，同時可以保證放大信號的穩定，進而實現數字信號的穩定，提高稱重儀的稱重精度。

2.3 A/D轉換電路設計

A/D轉換電路連接到差動放大和濾波電路的輸出端，把模擬電壓信號轉換成16位的并行信號送到FPGA中。此電路采用16位的轉換器件AD976，它是+5V單電源供電，具有高速、高精度、高分辨率、低功耗的逐次逼近式模數轉換器[3]，采樣速率為200kSPS，保證稱重信號快速采集和轉換，同時快速傳輸到FPGA芯片中，FPGA根據AD976的時序圖，設計AD采樣程序。

2.4 USB20D模塊設計

基于FPGA的動態稱重儀采用專用模塊USB20D，實現USB接口數據傳輸，保證數據高速傳輸，在USB20D中有先進先出寄存器，具有存儲能力，起到了一個數據暫存器的作用，并能保證先存入的數據先實時快速穩定地被稱重計算機讀取。

3.應用效果分析

動態稱重系統中的稱臺為6米，汽車輪距3.5米，如果車速為5km/h（1.389m/s），則稱重時間為6.83945 s；如果車速為10km/h（2.778m/s），則稱重時間為3.41973 s。

基于FPGA的動態稱重儀設計后，應用在現場中，通過稱重計算機的試驗程序，與不加FPGA的稱重儀的采集數據進行對比分析如下：

不加FPGA時，從稱重計算機采集到的稱重數據可以看到：當車速5km/h時采集點共有37個，則采集時間為185 ms；車速10km/h時采集點共有18個，則采集時間為190ms。

基于FPGA的動態稱重儀的實驗中，在車速5 km/h的波形文件中，共有40943個數據，則每個點采集時間為6.83945S/40943=0.000167秒=167uS；在車速10 km/h的波形文件中，共有20328個數據，實際上每個點采集時間為3. 41973S/20388=0.000168秒=168uS。

因此，從分析中可以看到，基于FPGA的動態稱重儀的采集速度提高了1000多倍。

4.結論

文中從硬件設計角度出發,以FPGA為核心,對差動放大及濾波電路、A/D 轉換電路、USB20D模塊進行詳細敘述，從應用效果分析中，可以看到基于FPGA的動態稱重儀的采集速度遠遠大于不加FPGA的稱重儀；采用16位的AD976模數轉換器，保證了模擬量的高速、精確轉換，提高了稱重精度；應用了USB20D中的DMA數據傳輸，把數據高速傳輸到上位機，保證了稱重數據的實時性和準確性；選用FPGA后，使外部電路的元器件數量減少，減少了故障點。基于FPGA的動態稱重儀適合企業的大型礦用汽車動態稱重系統中，具有廣泛的應用前景。

[1]孫衛陽．一種大型礦用自卸車自動稱重系統的設計[J]．船電技術,2010,30(8):53-5．

[2]張斌．采用TLC2562的高精度放大器[J]．電子產品世界,2003,7(1): 39-46．

[3]張亮,周鳳星,丁磊．基于AD976的自整角機/旋轉變壓器平臺設計[J]．電子設計工程,2011,22(19):77-80．