針對(duì)企業(yè)的大型礦用汽車(chē)的稱重難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱重儀，它以現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（以下簡(jiǎn)稱FPGA)為核心，通過(guò) 差動(dòng)放大及濾波電路把稱重傳感器的稱重信號(hào)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(chǔ)和USB20D接口模 塊進(jìn)行處理后，把稱重?cái)?shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳到計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱重，同時(shí)還從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用角度，對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，基于FPGA的動(dòng)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(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適用在企業(yè)的大型礦用汽車(chē)稱重中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

引言

近年來(lái)，企業(yè)的大型礦用汽車(chē)己經(jīng)普遍，例如TR100礦用汽車(chē)的 自重70噸，總載重量160噸，但這種大型礦用汽車(chē)的重量測(cè)量是靠估量 或卸貨后測(cè)量的方式，因此這些測(cè)試方法存在測(cè)量數(shù)據(jù)誤差大、耗時(shí) 長(zhǎng)等缺陷，盡管進(jìn)口的930E、MT440AC等大型礦用車(chē)己經(jīng)裝有車(chē)載礦 物自動(dòng)稱重系統(tǒng)，但國(guó)內(nèi)大型礦用車(chē)自動(dòng)稱重系統(tǒng)研宄還很少。

1.動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)簡(jiǎn)介

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要由稱重計(jì)算機(jī)、動(dòng)態(tài)稱重儀、讀卡器、天線、 大屏幕和稱臺(tái)組成，在稱臺(tái)中安裝有8個(gè)稱重傳感器，在每臺(tái)汽車(chē)上安 裝RFID自動(dòng)識(shí)別標(biāo)簽，當(dāng)汽車(chē)運(yùn)行到讀卡器的天線處，自動(dòng)讀取RFID 的卡號(hào)（每個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)一個(gè)車(chē)號(hào)），同時(shí)把讀卡成功的信號(hào)作為稱重 開(kāi)始的信號(hào)；當(dāng)汽車(chē)動(dòng)態(tài)駛過(guò)稱臺(tái)，動(dòng)態(tài)稱重儀實(shí)時(shí)采集稱重傳感器 的變化數(shù)據(jù)，并傳送到稱重計(jì)算機(jī)中；當(dāng)汽車(chē)完全離開(kāi)稱臺(tái)后，稱重 計(jì)算機(jī)完成稱重，在本地LED大屏幕上顯示稱重車(chē)號(hào)和重量，同時(shí)把 稱重時(shí)間、車(chē)號(hào)、重量通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴a(chǎn)管理者辦公室，不但實(shí)現(xiàn) 礦用汽車(chē)行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)稱重功能，還達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、全天 候無(wú)人值守稱重，減少了大型礦用汽車(chē)的起停過(guò)程中油的浪費(fèi)。

2.基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱重儀設(shè)計(jì)原理

基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱重儀的設(shè)計(jì)集眾家之所長(zhǎng)，采用獨(dú)特的設(shè)計(jì) 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(jì)算機(jī)相連接的USB接口。基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱重儀設(shè) 計(jì)主要體現(xiàn)在硬件設(shè)計(jì)方面，以FPGA為核心進(jìn)行采集和處理，其中 稱臺(tái)稱重傳感器的稱重信號(hào)通過(guò)差動(dòng)放大及濾波電路后變成模擬電壓 信號(hào)，由A/D轉(zhuǎn)換電路變成數(shù)字信號(hào)，送到FPGA芯片中，FPGA芯片能 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速采集數(shù)據(jù)，并按照USB20D模塊的DMA數(shù)據(jù)格式寫(xiě)入 到USB20D模塊中，以便通過(guò)USB接口把DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒Q重計(jì)算機(jī) 中，實(shí)現(xiàn)采集汽車(chē)的重量變化信號(hào)的快速反應(yīng)轉(zhuǎn)換過(guò)程的裝置。

2.1 FPGA電路設(shè)計(jì)

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(shí)時(shí)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(gè)先進(jìn)先出寄存器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和暫存，保證先 存入的數(shù)據(jù)先被USB20D模塊讀出，實(shí)現(xiàn)了快速存儲(chǔ)和快速傳送。

FPGA通過(guò)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(shí)鐘分頻模塊、延時(shí)器模塊、AD采集模 塊、數(shù)字濾波模塊、數(shù)據(jù)寫(xiě)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(shí)序，采集AD數(shù)據(jù)，把采集后的 AD數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(dòng)放大及濾波電路設(shè)計(jì)

差動(dòng)放大及濾波電路采用四級(jí)放大和二級(jí)濾波，其中第一級(jí)放大 器采用TLC2652CP高精度放大器，在輸入電壓為微伏量級(jí)的情況下， 保證放大器的精度，同時(shí)具有獨(dú)特的差動(dòng)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(hào)為負(fù)電壓時(shí)，也能正常工作，降 低了前置級(jí)的噪聲。其他三級(jí)放大電路和兩級(jí)濾波電路設(shè)計(jì)也很獨(dú) 特，經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大及濾波電路，把放大的模擬電壓信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換 電路中，由于稱重傳感器的稱重信號(hào)是±20mV的模擬信號(hào)，屬于微

伏量級(jí)變化信號(hào)，所以放大電路中的電阻采用精密電阻，每個(gè)放大器 選用精密穩(wěn)定集成運(yùn)算器，同時(shí)受溫度影響小的，雙電源工作，保證 稱重信號(hào)為負(fù)時(shí)也能進(jìn)行放大，同時(shí)可以保證放大信號(hào)的穩(wěn)定，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的穩(wěn)定，提高稱重儀的稱重精度。

2.3A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換電路連接到差動(dòng)放大和濾波電路的輸出端，把模擬電 壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成16位的并行信號(hào)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，采樣速率為200kSPS，保 證稱重信號(hào)快速采集和轉(zhuǎn)換，同時(shí)快速傳輸?shù)?/span>FPGA芯片中，FPGA 根據(jù)AD976的時(shí)序圖，設(shè)計(jì)AD采樣程序。

2.4USB20D模塊設(shè)計(jì)

基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱重儀采用專用模塊USB20D，實(shí)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(chǔ)能力，起到了一個(gè)數(shù)據(jù)暫存器的作用，并能保證先存入的 數(shù)據(jù)先實(shí)時(shí)快速穩(wěn)定地被稱重計(jì)算機(jī)讀取。

3.應(yīng)用效果分析

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中的稱臺(tái)為6米，汽車(chē)輪距3.5米，如果車(chē)速為 5km/h (1.389m/s)，則稱重時(shí)間為6.83945 s；如果車(chē)速為10km/h (2.778m/s)，則稱重時(shí)間為3.41973 s。

基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱重儀設(shè)計(jì)后，應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)中，通過(guò)稱重計(jì)算機(jī) 的試驗(yàn)程序，與不加FPGA的稱重儀的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析如下： 不加FPGA時(shí)，從稱重計(jì)算機(jī)采集到的稱重?cái)?shù)據(jù)可以看到：當(dāng)車(chē) 速5km/h時(shí)采集點(diǎn)共有37個(gè)，則采集時(shí)間為185 ms;車(chē)速10km/h時(shí)采 集點(diǎn)共有18個(gè)，則采集時(shí)間為190ms。

基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱重儀的實(shí)驗(yàn)中，在車(chē)速5 km/h的波形文件中， 共有40943個(gè)數(shù)據(jù)，則每個(gè)點(diǎn)采集時(shí)間為6.83945S/40943=0.000167秒 = 167uS;在車(chē)速10 km/h的波形文件中，共有20328個(gè)數(shù)據(jù)，實(shí)際上每 個(gè)點(diǎn)采集時(shí)間為3. 41973S/20388=0.000168秒=168uS。

因此，從分析中可以看到，基于FPGA的動(dòng)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(jì)角度出發(fā)，以FPGA為核心，對(duì)差動(dòng)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(dòng)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?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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)。基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱重 儀適合企業(yè)的大型礦用汽車(chē)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中，具有廣泛的應(yīng)用前景.