基于FPGA的動態(tài)稱重儀設(shè)計

合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化學(xué)院 王以楨 魏文玥沈陽航空航天大學(xué)計算機(jī)學(xué)院 韓德久

基于FPGA的動態(tài)稱重儀設(shè)計

合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化學(xué)院 王以楨 魏文玥沈陽航空航天大學(xué)計算機(jī)學(xué)院 韓德久

針對企業(yè)的大型礦用汽車的稱重難的問題，設(shè)計一種基于FPGA的動態(tài)稱重儀，它以現(xiàn)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(jìn)行處理后，送到A/D轉(zhuǎn)換電路，由FPGA進(jìn)行AD采樣、數(shù)字濾波、先進(jìn)先出存儲和USB20D接口模塊進(jìn)行處理后，把稱重數(shù)據(jù)通過USB接口傳到計算機(jī)，實現(xiàn)動態(tài)稱重，同時還從現(xiàn)場應(yīng)用角度，對應(yīng)用效果進(jìn)行分析統(tǒng)計，基于FPGA的動態(tài)稱重儀具有采集速度高、模數(shù)轉(zhuǎn)換精度高、數(shù)據(jù)傳輸快、硬件設(shè)計簡單的特點(diǎn)，適用在企業(yè)的大型礦用汽車稱重中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

現(xiàn)場可編程門陣列；實時；動態(tài)稱重；USB接口

引言

近年來，企業(yè)的大型礦用汽車已經(jīng)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(shù)據(jù)誤差大、耗時長等缺陷，盡管進(jìn)口的930E、MT440AC等大型礦用車已經(jīng)裝有車載礦物自動稱重系統(tǒng)，但國內(nèi)大型礦用車自動稱重系統(tǒng)研究還很少[1]。

1.動態(tài)稱重系統(tǒng)簡介

動態(tài)稱重系統(tǒng)主要由稱重計算機(jī)、動態(tài)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(biāo)簽，當(dāng)汽車運(yùn)行到讀卡器的天線處，自動讀取RFID的卡號（每個標(biāo)簽對應(yīng)一個車號），同時把讀卡成功的信號作為稱重開始的信號；當(dāng)汽車動態(tài)駛過稱臺，動態(tài)稱重儀實時采集稱重傳感器的變化數(shù)據(jù)，并傳送到稱重計算機(jī)中；當(dāng)汽車完全離開稱臺后，稱重計算機(jī)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(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴a(chǎn)管理者辦公室，不但實現(xiàn)礦用汽車行駛過程中的動態(tài)稱重功能，還達(dá)到生產(chǎn)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(fèi)。

2.基于FPGA的動態(tài)稱重儀設(shè)計原理

基于FPGA的動態(tài)稱重儀的設(shè)計集眾家之所長，采用獨(dú)特的設(shè)計思路，集成度高，便于維護(hù)，采用交流220V供電，具有與稱重傳感器接口，還有與計算機(jī)相連接的USB接口。基于FPGA的動態(tài)稱重儀設(shè)計主要體現(xiàn)在硬件設(shè)計方面，以FPGA為核心進(jìn)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(zhuǎn)換電路變成數(shù)字信號,送到FPGA芯片中，F(xiàn)PGA芯片能實現(xiàn)實時、快速采集數(shù)據(jù)，并按照USB20D模塊的DMA數(shù)據(jù)格式寫入到USB20D模塊中,以便通過USB接口把DMA 數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒Q重計算機(jī)中，實現(xiàn)采集汽車的重量變化信號的快速反應(yīng)轉(zhuǎn)換過程的裝置。

2.1 FPGA電路設(shè)計

FPGA是本系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)字濾波，在FPGA中設(shè)置一個先進(jìn)先出寄存器，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲和暫存，保證先存入的數(shù)據(jù)先被USB20D模塊讀出，實現(xiàn)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(shù)字濾波模塊、數(shù)據(jù)寫入單元模塊、先進(jìn)先出模塊和USB接口模塊。AD采集模塊根據(jù)AD976的時序，采集AD數(shù)據(jù)，把采集后的AD數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波模塊處理后，送到先進(jìn)先出模塊，由USB接口模塊讀出先進(jìn)先出FIFO數(shù)據(jù)后，形成USB模塊的DMA數(shù)據(jù)包。

2.2 差動放大及濾波電路設(shè)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(dú)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(fù)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(shè)計也很獨(dú)特，經(jīng)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(zhuǎn)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(wěn)定集成運(yùn)算器，同時受溫度影響小的，雙電源工作，保證稱重信號為負(fù)時也能進(jìn)行放大，同時可以保證放大信號的穩(wěn)定，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)字信號的穩(wěn)定，提高稱重儀的稱重精度。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成16位的并行信號送到FPGA中。此電路采用16位的轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器[3]，采樣速率為200kSPS，保證稱重信號快速采集和轉(zhuǎn)換，同時快速傳輸?shù)紽PGA芯片中，F(xiàn)PGA根據(jù)AD976的時序圖，設(shè)計AD采樣程序。

2.4 USB20D模塊設(shè)計

基于FPGA的動態(tài)稱重儀采用專用模塊USB20D，實現(xiàn)USB接口數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)高速傳輸，在USB20D中有先進(jìn)先出寄存器，具有存儲能力，起到了一個數(shù)據(jù)暫存器的作用，并能保證先存入的數(shù)據(jù)先實時快速穩(wěn)定地被稱重計算機(jī)讀取。

3.應(yīng)用效果分析

動態(tài)稱重系統(tǒng)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(tài)稱重儀設(shè)計后，應(yīng)用在現(xiàn)場中，通過稱重計算機(jī)的試驗程序，與不加FPGA的稱重儀的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析如下：

不加FPGA時，從稱重計算機(jī)采集到的稱重數(shù)據(jù)可以看到：當(dāng)車速5km/h時采集點(diǎn)共有37個，則采集時間為185 ms；車速10km/h時采集點(diǎn)共有18個，則采集時間為190ms。

基于FPGA的動態(tài)稱重儀的實驗中，在車速5 km/h的波形文件中，共有40943個數(shù)據(jù)，則每個點(diǎn)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(shù)據(jù)，實際上每個點(diǎn)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(tài)稱重儀的采集速度提高了1000多倍。

4.結(jié)論

文中從硬件設(shè)計角度出發(fā),以FPGA為核心,對差動放大及濾波電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、USB20D模塊進(jìn)行詳細(xì)敘述，從應(yīng)用效果分析中，可以看到基于FPGA的動態(tài)稱重儀的采集速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不加FPGA的稱重儀；采用16位的AD976模數(shù)轉(zhuǎn)換器，保證了模擬量的高速、精確轉(zhuǎn)換，提高了稱重精度；應(yīng)用了USB20D中的DMA數(shù)據(jù)傳輸，把數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，保證了稱重數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性；選用FPGA后，使外部電路的元器件數(shù)量減少，減少了故障點(diǎn)?；贔PGA的動態(tài)稱重儀適合企業(yè)的大型礦用汽車動態(tài)稱重系統(tǒng)中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]孫衛(wèi)陽．一種大型礦用自卸車自動稱重系統(tǒng)的設(shè)計[J]．船電技術(shù),2010,30(8):53-5．

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

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