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

基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱重儀設(shè)計(jì)

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

針對(duì)企業(yè)的大型礦用汽車的稱重難的問題，設(shè)計(jì)一種基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱重儀，它以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（以下簡(jiǎn)稱FPGA）為核心，通過差動(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)的大型礦用汽車稱重中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；實(shí)時(shí)；動(dòng)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(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等大型礦用車已經(jīng)裝有車載礦物自動(dòng)稱重系統(tǒng)，但國內(nèi)大型礦用車自動(dòng)稱重系統(tǒng)研究還很少[1]。

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)汽車上安裝RFID自動(dòng)識(shí)別標(biāo)簽，當(dāng)汽車運(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)車號(hào)），同時(shí)把讀卡成功的信號(hào)作為稱重開始的信號(hào)；當(dāng)汽車動(dòng)態(tài)駛過稱臺(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)汽車完全離開稱臺(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號(hào)和重量，同時(shí)把稱重時(shí)間、車號(hào)、重量通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴a(chǎn)管理者辦公室，不但實(shí)現(xiàn)礦用汽車行駛過程中的動(dòng)態(tài)稱重功能，還達(dá)到生產(chǎn)過程自動(dòng)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(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，F(xiàn)PGA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(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)采集汽車的重量變化信號(hào)的快速反應(yīng)轉(zhuǎn)換過程的裝置。

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[2]，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。

2.3 A/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[3]，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)紽PGA芯片中，F(xiàn)PGA根據(jù)AD976的時(shí)序圖，設(shè)計(jì)AD采樣程序。

2.4 USB20D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，汽車輪距3.5米，如果車速為5km/h（1.389m/s），則稱重時(shí)間為6.83945 s；如果車速為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)車速5km/h時(shí)采集點(diǎn)共有37個(gè)，則采集時(shí)間為185 ms；車速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)的大型礦用汽車動(dòng)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(dòng)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[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(tái)設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程,2011,22(19):77-80．