針對企業(yè)的大型礦用汽車(chē)的稱(chēng)重難的問(wèn)題，設計一種基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀，它以現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（以下簡(jiǎn)稱(chēng)FPGA)為核心，通過(guò) 差動(dòng)放大及濾波電路把稱(chēng)重傳感器的稱(chēng)重信號進(jìn)行處理后，送到A/D轉換電路，由FPGA進(jìn)行AD采樣、數字濾波、先進(jìn)先出存儲和USB20D接口模 塊進(jìn)行處理后，把稱(chēng)重數據通過(guò)USB接口傳到計算機，實(shí)現動(dòng)態(tài)稱(chēng)重，同時(shí)還從現場(chǎng)應用角度，對應用效果進(jìn)行分析統計，基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重 儀具有采集速度高、模數轉換精度高、數據傳輸快、硬件設計簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適用在企業(yè)的大型礦用汽車(chē)稱(chēng)重中，具有廣泛的應用前景。

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據誤差大、耗時(shí) 長(cháng)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(chēng)重系統，但國內大型礦用車(chē)自動(dòng)稱(chēng)重系統研宄還很少。

1.動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統簡(jiǎn)介

動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統主要由稱(chēng)重計算機、動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀、讀卡器、天線(xiàn)、 大屏幕和稱(chēng)臺組成，在稱(chēng)臺中安裝有8個(gè)稱(chēng)重傳感器，在每臺汽車(chē)上安 裝RFID自動(dòng)識別標簽，當汽車(chē)運行到讀卡器的天線(xiàn)處，自動(dòng)讀取RFID 的卡號（每個(gè)標簽對應一個(gè)車(chē)號），同時(shí)把讀卡成功的信號作為稱(chēng)重 開(kāi)始的信號；當汽車(chē)動(dòng)態(tài)駛過(guò)稱(chēng)臺，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀實(shí)時(shí)采集稱(chēng)重傳感器 的變化數據，并傳送到稱(chēng)重計算機中；當汽車(chē)完全離開(kāi)稱(chēng)臺后，稱(chēng)重 計算機完成稱(chēng)重，在本地LED大屏幕上顯示稱(chēng)重車(chē)號和重量，同時(shí)把 稱(chēng)重時(shí)間、車(chē)號、重量通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到生產(chǎn)管理者辦公室，不但實(shí)現 礦用汽車(chē)行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重功能，還達到生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、全天 候無(wú)人值守稱(chēng)重，減少了大型礦用汽車(chē)的起停過(guò)程中油的浪費。

2.基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀設計原理

基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀的設計集眾家之所長(cháng)，采用獨特的設計 思路，集成度高，便于維護，采用交流220V供電，具有與稱(chēng)重傳感器 接口，還有與計算機相連接的USB接口?；?/span>FPGA的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀設 計主要體現在硬件設計方面，以FPGA為核心進(jìn)行采集和處理，其中 稱(chēng)臺稱(chēng)重傳感器的稱(chēng)重信號通過(guò)差動(dòng)放大及濾波電路后變成模擬電壓 信號，由A/D轉換電路變成數字信號，送到FPGA芯片中，FPGA芯片能 實(shí)現實(shí)時(shí)、快速采集數據，并按照USB20D模塊的DMA數據格式寫(xiě)入 到USB20D模塊中，以便通過(guò)USB接口把DMA數據傳輸到稱(chēng)重計算機 中，實(shí)現采集汽車(chē)的重量變化信號的快速反應轉換過(guò)程的裝置。

2.1 FPGA電路設計

FPGA是本系統的核心部分，它采用EP1C6T144C8作為主要邏 輯控制器，實(shí)時(shí)采集A/D模數轉換電路的數據，并進(jìn)行數字濾波，在 FPGA中設置一個(gè)先進(jìn)先出寄存器，實(shí)現了數據存儲和暫存，保證先 存入的數據先被USB20D模塊讀出，實(shí)現了快速存儲和快速傳送。

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、數字濾波模塊、數據寫(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AD976的時(shí)序，采集AD數據，把采集后的 AD數據經(jīng)過(guò)數字濾波模塊處理后，送到先進(jìn)先出模塊，由USB接 口模塊讀出先進(jìn)先出FIFO數據后，形成USB模塊的DMA數據包。

2.2差動(dòng)放大及濾波電路設計

差動(dòng)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，同時(shí)具有獨特的差動(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為負電壓時(shí)，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計也很獨 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送到A/D轉換 電路中，由于稱(chēng)重傳感器的稱(chēng)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(gè)放大器 選用精密穩定集成運算器，同時(shí)受溫度影響小的，雙電源工作，保證 稱(chēng)重信號為負時(shí)也能進(jìn)行放大，同時(shí)可以保證放大信號的穩定，進(jìn)而 實(shí)現數字信號的穩定，提高稱(chēng)重儀的稱(chēng)重精度。

2.3A/D轉換電路設計

A/D轉換電路連接到差動(dòng)放大和濾波電路的輸出端，把模擬電 壓信號轉換成16位的并行信號送到FPGA中。此電路采用16位的轉 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轉換器，采樣速率為200kSPS，保 證稱(chēng)重信號快速采集和轉換，同時(shí)快速傳輸到FPGA芯片中，FPGA 根據AD976的時(shí)序圖，設計AD采樣程序。

2.4USB20D模塊設計

基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀采用專(zhuān)用模塊USB20D，實(shí)現USB接口 數據傳輸，保證數據高速傳輸，在USB20D中有先進(jìn)先出寄存器， 具有存儲能力，起到了一個(gè)數據暫存器的作用，并能保證先存入的 數據先實(shí)時(shí)快速穩定地被稱(chēng)重計算機讀取。

3.應用效果分析

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

基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀設計后，應用在現場(chǎng)中，通過(guò)稱(chēng)重計算機 的試驗程序，與不加FPGA的稱(chēng)重儀的采集數據進(jìn)行對比分析如下： 不加FPGA時(shí)，從稱(chēng)重計算機采集到的稱(chēng)重數據可以看到：當車(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(chēng)重儀的實(shí)驗中，在車(chē)速5 km/h的波形文件中， 共有40943個(gè)數據，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)數據，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(chēng)重儀的采集速度 提高了 1000多倍。

4.結論

文中從硬件設計角度出發(fā)，以FPGA為核心，對差動(dòng)放大及濾波電 路、A/D轉換電路、USB20D模塊進(jìn)行詳細敘述，從應用效果分析中， 可以看到基于FPGA的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀的采集速度遠遠大于不加FPGA的稱(chēng) 重儀；采用16位的AD976模數轉換器，保證了模擬量的高速、精確轉 換，提高了稱(chēng)重精度；應用了USB20D中的DMA數據傳輸，把數據高 速傳輸到上位機，保證了稱(chēng)重數據的實(shí)時(shí)性和準確性；選用FPGA后， 使外部電路的元器件數量減少，減少了故障點(diǎn)?；?/span>FPGA的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重 儀適合企業(yè)的大型礦用汽車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統中，具有廣泛的應用前景.