基于FPGA的动态称重仪设计

合肥工业大学电气与自动化学院 王以桢 魏文玥沈阳航空航天大学计算机学院 韩德久

基于FPGA的动态称重仪设计

合肥工业大学电气与自动化学院 王以桢 魏文玥沈阳航空航天大学计算机学院 韩德久

针对企业的大型矿用汽车的称重难的问题，设计一种基于FPGA的动态称重仪，它以现场可编程门阵列（以下简称FPGA）为核心，通过差动放大及滤波电路把称重传感器的称重信号进行处理后，送到A/D转换电路，由FPGA进行AD采样、数字滤波、先进先出存储和USB20D接口模块进行处理后，把称重数据通过USB接口传到计算机，实现动态称重，同时还从现场应用角度，对应用效果进行分析统计，基于FPGA的动态称重仪具有采集速度高、模数转换精度高、数据传输快、硬件设计简单的特点，适用在企业的大型矿用汽车称重中，具有广泛的应用前景。

现场可编程门阵列；实时；动态称重；USB接口

引言

近年来，企业的大型矿用汽车已经普遍，例如TR100矿用汽车的自重70吨，总载重量160吨，但这种大型矿用汽车的重量测量是靠估量或卸货后测量的方式，因此这些测试方法存在测量数据误差大、耗时长等缺陷，尽管进口的930E、MT440AC等大型矿用车已经装有车载矿物自动称重系统，但国内大型矿用车自动称重系统研究还很少[1]。

1.动态称重系统简介

动态称重系统主要由称重计算机、动态称重仪、读卡器、天线、大屏幕和称台组成，在称台中安装有8个称重传感器，在每台汽车上安装RFID自动识别标签，当汽车运行到读卡器的天线处，自动读取RFID的卡号（每个标签对应一个车号），同时把读卡成功的信号作为称重开始的信号；当汽车动态驶过称台，动态称重仪实时采集称重传感器的变化数据，并传送到称重计算机中；当汽车完全离开称台后，称重计算机完成称重，在本地LED大屏幕上显示称重车号和重量，同时把称重时间、车号、重量通过网络传输到生产管理者办公室，不但实现矿用汽车行驶过程中的动态称重功能，还达到生产过程自动化、全天候无人值守称重，减少了大型矿用汽车的起停过程中油的浪费。

2.基于FPGA的动态称重仪设计原理

基于FPGA的动态称重仪的设计集众家之所长，采用独特的设计思路，集成度高，便于维护，采用交流220V供电，具有与称重传感器接口，还有与计算机相连接的USB接口。基于FPGA的动态称重仪设计主要体现在硬件设计方面，以FPGA为核心进行采集和处理，其中称台称重传感器的称重信号通过差动放大及滤波电路后变成模拟电压信号，由A/D转换电路变成数字信号,送到FPGA芯片中，FPGA芯片能实现实时、快速采集数据，并按照USB20D模块的DMA数据格式写入到USB20D模块中,以便通过USB接口把DMA 数据传输到称重计算机中，实现采集汽车的重量变化信号的快速反应转换过程的装置。

2.1 FPGA电路设计

FPGA是本系统的核心部分，它采用EP1C6T144C8作为主要逻辑控制器，实时采集A/D模数转换电路的数据，并进行数字滤波，在FPGA中设置一个先进先出寄存器，实现了数据存储和暂存，保证先存入的数据先被USB20D模块读出，实现了快速存储和快速传送。

FPGA通过编程，配置好与外部AD976的管脚连接，以及与USB20D的管脚连接，包括时钟分频模块、延时器模块、AD采集模块、数字滤波模块、数据写入单元模块、先进先出模块和USB接口模块。AD采集模块根据AD976的时序，采集AD数据，把采集后的AD数据经过数字滤波模块处理后，送到先进先出模块，由USB接口模块读出先进先出FIFO数据后，形成USB模块的DMA数据包。

2.2 差动放大及滤波电路设计

差动放大及滤波电路采用四级放大和二级滤波，其中第一级放大器采用TLC2652CP高精度放大器，在输入电压为微伏量级的情况下，保证放大器的精度[2]，同时具有独特的差动放大器去除共模干扰，输入阻抗高，这样做使传感器输出信号为负电压时，也能正常工作，降低了前置级的噪声。其他三级放大电路和两级滤波电路设计也很独特，经过差动放大及滤波电路，把放大的模拟电压信号送到A/D转换电路中，由于称重传感器的称重信号是±20mV的模拟信号，属于微伏量级变化信号，所以放大电路中的电阻采用精密电阻，每个放大器选用精密稳定集成运算器，同时受温度影响小的，双电源工作，保证称重信号为负时也能进行放大，同时可以保证放大信号的稳定，进而实现数字信号的稳定，提高称重仪的称重精度。

2.3 A/D转换电路设计

A/D转换电路连接到差动放大和滤波电路的输出端，把模拟电压信号转换成16位的并行信号送到FPGA中。此电路采用16位的转换器件AD976，它是+5V单电源供电，具有高速、高精度、高分辨率、低功耗的逐次逼近式模数转换器[3]，采样速率为200kSPS，保证称重信号快速采集和转换，同时快速传输到FPGA芯片中，FPGA根据AD976的时序图，设计AD采样程序。

2.4 USB20D模块设计

基于FPGA的动态称重仪采用专用模块USB20D，实现USB接口数据传输，保证数据高速传输，在USB20D中有先进先出寄存器，具有存储能力，起到了一个数据暂存器的作用，并能保证先存入的数据先实时快速稳定地被称重计算机读取。

3.应用效果分析

动态称重系统中的称台为6米，汽车轮距3.5米，如果车速为5km/h（1.389m/s），则称重时间为6.83945 s；如果车速为10km/h（2.778m/s），则称重时间为3.41973 s。

基于FPGA的动态称重仪设计后，应用在现场中，通过称重计算机的试验程序，与不加FPGA的称重仪的采集数据进行对比分析如下：

不加FPGA时，从称重计算机采集到的称重数据可以看到：当车速5km/h时采集点共有37个，则采集时间为185 ms；车速10km/h时采集点共有18个，则采集时间为190ms。

基于FPGA的动态称重仪的实验中，在车速5 km/h的波形文件中，共有40943个数据，则每个点采集时间为6.83945S/40943=0.000167秒=167uS；在车速10 km/h的波形文件中，共有20328个数据，实际上每个点采集时间为3. 41973S/20388=0.000168秒=168uS。

因此，从分析中可以看到，基于FPGA的动态称重仪的采集速度提高了1000多倍。

4.结论

文中从硬件设计角度出发,以FPGA为核心,对差动放大及滤波电路、A/D 转换电路、USB20D模块进行详细叙述，从应用效果分析中，可以看到基于FPGA的动态称重仪的采集速度远远大于不加FPGA的称重仪；采用16位的AD976模数转换器，保证了模拟量的高速、精确转换，提高了称重精度；应用了USB20D中的DMA数据传输，把数据高速传输到上位机，保证了称重数据的实时性和准确性；选用FPGA后，使外部电路的元器件数量减少，减少了故障点。基于FPGA的动态称重仪适合企业的大型矿用汽车动态称重系统中，具有广泛的应用前景。

[1]孙卫阳．一种大型矿用自卸车自动称重系统的设计[J]．船电技术,2010,30(8):53-5．

[2]张斌．采用TLC2562的高精度放大器[J]．电子产品世界,2003,7(1): 39-46．

[3]张亮,周凤星,丁磊．基于AD976的自整角机/旋转变压器平台设计[J]．电子设计工程,2011,22(19):77-80．