基于FPGA的智能運輸車系統(tǒng)設計

李文彬

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引 言

隨著經濟的發(fā)展，人們對生活質量的要求越來越高。2017年1月和2月家用空調的銷量比去年同期增長了39.5%，因此從空調組裝開始，建立有效的空調數據統(tǒng)計系統(tǒng)十分必要。針對當前空調組件運輸車的普遍使用，以及傳統(tǒng)統(tǒng)計系統(tǒng)對運輸車相關數據采集不夠全面等問題，本文設計了一種可實時顯示運輸車車組位置信息、運輸車負載信息的系統(tǒng)，實現了運輸車車組的有效調度以及單位時間內最大效率的運輸，保證了運輸車工作的流暢性和安全性，同時也為空調的數據統(tǒng)計工作提供了可靠有效的參考標準，提高了空調的整體生產效率。

1 系統(tǒng)整體概述

本文主要基于FPGA、電阻應變式壓力傳感器、無線收發(fā)模塊等軟硬件設備，設計了一種能實現智能運輸車車組位置定位的系統(tǒng)[1,2]。地面操作人員可通過PC機了解各車組的位置分布，方便調度；系統(tǒng)采集并同步檢測某一車組中單輛運輸車所負載的相關空調組件重量信息并判斷其是否滿載，若未滿載，則相應的硬件報警電路會發(fā)出提示性報警聲，地面操作人員可從PC機上清楚看到未滿載運輸車的序列號，便于及時通知工作人員采取相應的彌補措施，有效提升運輸車的運輸效率。系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

系統(tǒng)工作流程如下：

（1）將采集到的運輸車位置及負載的相應信息傳送至中央處理模塊進行相應的處理和判斷，處理后的信息構成一個信息幀并傳給無線收發(fā)模塊；

（2）無線收發(fā)模塊自動為此信息生成相應的前導碼和CRC校驗碼；

（3）最后，將處理后的信息傳給接收器，經接收器處理后，傳給CAN總線[3]接口卡，最終顯示在上位機。

本文系統(tǒng)中無線收發(fā)模塊選用挪威Nordic公司生產的單片射頻發(fā)射器芯片nRF905單片無線收發(fā)器[2]。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件電路主要由信息采集模塊、中央處理模塊、滿載檢測報警電路及無線收發(fā)模塊構成。系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

2.1 負載信息采集模塊

負載信息采集模塊主要包括電阻應變式壓力傳感器電路和HX711AD模塊電路兩部分。電阻應變式壓力傳感器電路如圖3所示，當力敏型彈性元件受力產生變形時，電橋電路產生相應的應變，并轉化成電阻變化。該力引起的電阻變化最終使測量電路的電壓發(fā)生變化，通過測量輸出電壓的數值傳給HX711AD模塊電路。HX711AD模塊電路如圖4所示，該電路是一種可選擇差分輸入的兩路電路，工作電壓為2.6～5.5V，上電可自動復位，并能簡化開機的初始化過程，具有集成度高、響應速度快、抗干擾能力強等特點，主要對輸出電壓進行采樣（最高可達128倍信號增益，輸出電壓可放大128倍），輸出24 bit A/D轉換的值至FPGA進行相應處理。根據電機車運輸參數，為了保證采集數據的準確性，本文系統(tǒng)中的車組重量按電機車的粘著重量計算。

圖3 電阻應變式壓力傳感器電路

2.2 中央處理模塊

考慮到空調組裝車間的生產環(huán)境，為保證系統(tǒng)正常工作，該系統(tǒng)的核心部分采用Altera公司生產的Cyclone-II系列的EP2C8Q208C8N器件。該裝置采用TSMC90 nm低K絕緣材料工藝技術，使用低絕緣體過程確保了器件的快速有效性和低成本。EP2C8Q208C8N包含8 256個LE（邏輯單元），提供182個可用的I/O引腳和16 588 bit嵌入式寄存器以及兩個鎖相環(huán)（PLL）。其具有數據速率最高可達668 Mbps的高速外部寄存器接口，支持可編程總線以及復雜的數字系統(tǒng)，可實現數據信息的快速處理和可靠傳輸。

運輸車負載信息傳送給中央處理模塊后，FPGA芯片結合軟件編程判斷運輸車的負載是否達到預先設計的滿載標準。若未滿載，則中央處理模塊控制滿載檢測報警電路發(fā)出未滿載報警聲，提示工作人員進行相應處理。

2.3 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊如圖5所示。由于nRF905模塊的全部配置信息均要經過SPI接口，因此，無線收發(fā)模塊首先接收經中央處理模塊處理再由SPI編程后的車組位置及負載信息，nRF905模塊采用ShockBurst技術，接收信息后會自動為信息加上前導碼和循環(huán)冗余（CRC）差錯校驗碼，再將這些信息發(fā)送給接收器處理，完成信息的接收和傳輸任務，保證信息的有效性和傳輸可靠性。

圖5 無線收發(fā)模塊

圖4 HX711AD模塊電路

nRF905無線收發(fā)芯片的工作電壓為1.9～3.6 V，22引腳QFN封裝，本系統(tǒng)工作在433 MHz ISM頻段，具有多種低功率工作模式，可實現低能耗。此外，該芯片還具有可靠的無線數據傳輸特性，被應用于工業(yè)數據采集、無線標簽、身份識別以及數字音頻傳輸等領域，能夠滿足多種無線通信場合的需要。

3 系統(tǒng)軟件設計

利用EDA技術中最常用的“自頂向下”的設計方法完成系統(tǒng)的軟件設計，該方法的優(yōu)點是具有完全獨立的芯片結構，可縮短開發(fā)周期。另外，此設計具有可重復利用性，有效提高了設計的適用范圍。本系統(tǒng)中頂層文件和底層文件的程序編寫均使用Verilog HDL語言[4]，其中底層文件包含運輸車位置及負載信息處理程序，SPI接口程序[5,6]，無線接收和發(fā)送程序以及滿載判斷程序等。

3.1 頂層文件設計

頂層文件程序主要負責調用底層文件及實現相應功能，充當中央樞紐的角色，其流程如圖6所示。頂層文件首先調用采集信息處理子程序，對數據做相應處理后，進入滿載判斷子程序，判斷單輛運輸車負載量是否達到滿載參考標準。若達到，則直接將數據信息發(fā)送至無線收發(fā)模塊；若未滿載，則先驅動滿載報警電路報警，然后把數據信息傳給無線收發(fā)模塊，最后程序返回采集信息處理子程序，反復循環(huán)上述操作。

3.2 SPI接口程序設計

SPI（串行periphearal接口）是同步串行外設接口，全雙工總線，由于其速度快及接口協(xié)議簡單，因此被廣泛應用在A/D轉換、數字信號處理和數字信號解碼等領域。SPI接口由CS，SCLK，SDO和SDI四根信號線構成。其中，CS為從設備使能信號；SCLK為串行時鐘信號；SDO，SDI分別為串行數據輸出和輸入。該接口主從工作方式，有一個主設備、一個或多個從設備。在本文系統(tǒng)的準備階段，在配置模式下，SPI接口為FPGA配置高頻頭的工作參數；在接收/發(fā)射模式下，SPI接口接收和發(fā)送數據。SPI接口接收/發(fā)射模塊如圖7所示。其中，SPI_in對應SDI，同時也是FPGA的輸出；SPI_out對應SDO，為傳給無線收發(fā)模塊的數據；sk對應SPI接口中的SCLK；clkin為系統(tǒng)時鐘輸入信號；cs對應CS；resetin作為復位信號，且低電平有效。

圖6 頂層文件設計程序流程圖

圖7 SPI接口接收/發(fā)射模塊圖

4 結 語

本文基于FPGA設計了智能運輸車系統(tǒng)，有效實現了空調組件運輸車車組定位及負載信息的統(tǒng)計、顯示。針對復雜多變的車間環(huán)境檢測，中央處理模塊采用Altera公司集成度較高的FPGA芯片，在縮短系統(tǒng)開發(fā)周期的同時也使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，有效保證了整個系統(tǒng)的正常運轉。本系統(tǒng)的出現，有利于提高空調組裝的工作效率及運輸車的安全運輸，對整個空調生產量的準確評估和訂單計劃的合理規(guī)劃都有積極的參考價值。此外，本系統(tǒng)便于安裝調試，操作簡單，易于維護和升級，具有較大的實用性。

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