0引言
稱重儀(衡器)是重量計量器具，廣泛用於工業、交通、商貿等領域，其測量精度和速度直接影響管理部門決策及物資貿易結算效率。隨著電子技術的發展，電子稱重儀以其測量精度高、速度快、信號便於計算機控製等優點逐漸取代傳統機械式稱重儀。
FPGA(現場可編程門陣列)具有高集成性、低功耗、內部延時小、隨著FPGA在高速數據采集方麵的優勢，本文設計了一款基於FPGA的多路采集電子稱重儀，以EPF10K10LC84－4為控製核心，實時采集8路稱重數據按通道順序依次顯示於液晶顯示屏，並通過RS232串口通信模塊發送至上位機。該係統結構簡單、工作可靠，功能易擴展，滿足實際工程需求。
1係統組成及工作原理
基於FPGA的電子稱重儀主要由信號調理電路、A/D采集電路、核心控製器、顯示和通訊電路組成，係統結構如圖1所示。

稱重時，傳感器內電阻應變片(基體)受到形變使惠斯通電橋失去平衡，輸出級差分電壓。為提高A/D采集精度，需將此信號經過放大、濾波、絕對值轉換等調理電路後接入A/D轉換芯片MAX1312。核心控製器FPGA根據MAX1312工作時序完成8路稱重數據采集，並完成稱重數據存儲、液晶屏顯示和串行通訊。
2係統硬件設計
2．1稱重傳感器
稱重傳感器利用應變測力原理，通過彈性元件將力以形變的形式傳遞給應變片。本係統采用型號為LHD001的電壓型壓力傳感器，靈敏度為2mV/V，供電電壓為6V～15V，稱重傳感器結構圖如圖2所示［1］。其中引線4根:紅色接+5V、綠色為正向輸出IN+、白色為反向輸出信號IN－、黑色接地。

2．2信號調理電路
稱重傳感器靈敏度用於估計A/D轉換的輸入電壓和觸發門檻電壓［2］。因LHD001型壓力傳感器靈敏度為2mV/V，供電電壓為6V時，輸出電壓不超過12mV。為了與(ADC)MAX13120．3V～5．3V輸入電壓範圍相匹配，需對傳感器輸出信號進行放大調理。放大倍數選取時通常要考慮A/D轉換輸入模擬信號電壓在A/D輸入電壓滿量程左右，即取值277．8左右。選用3片高共模抑製比(CMRR)、低溫漂的OP07組成一個儀用差分放大器，電路圖如圖3所示。

圖3中，A1和A2形成一級放大，A3形成二級放大，
R1=R2=20kΩ，R3=R4=200Ω，R7=R8=6．8kΩ，
R9=R10=20kΩ，則放大倍數為:297．06
模擬信號放大的同時內部高頻噪音也得到放大，為此采用壓控電壓源型二階有源低通濾波電路濾除高頻噪音。傳感器輸出的模擬信號經儀用放大器反向放大，再經過低通濾波，此時信號為負值，故采用絕對值電路將此信號轉化為正值輸出。
2．3A/D采集模塊
係統采用Maxim公司12位模數轉換器(ADC)MAX1312完成模數轉換。MAX1312能提供8個、4個或2個獨立輸入通道，各通道具有獨立采樣保持(T/H)電路，可支持同時采樣。8通道同時轉換時間僅需1．98μs，每個通道吞吐率為456ksps。FPGA芯片選用ALTERA公司生產的EPF10K10LC84－4，采用可重構的CMOSSRAM工藝，內嵌功能模塊豐富。A/D采集模塊結構圖如圖4所示。

圖4中，模擬信號從MAX1312的CH0～CH7輸入，FPGA內采樣控製器根據MAX1312工作時序將模擬量轉換成12位數字量D0～D11傳送至FPGA內存儲器進行數據處理。
2．4LCM液晶顯示模塊
LCM液晶顯示模塊由LCD控製器、LCD驅動器、LCD顯示裝置三部分組成。其中，LCD控製器用於與FPGA芯片進行溝通，LCD驅動器負責點亮LCD顯示裝置。本係統采用的LCM模塊是將LCD控製器、LCD驅動器集成到一塊IC芯片，型號為HD44780。
2.5通信電路
FPGA通過RS232與上位機進行通訊。本設計使用9針接口中2、3、5三個管腳進行通信。由於FPGA是使用3．3V係統，而RS232信號使用負邏輯，邏輯0電壓範圍是+5V～+15V，而邏輯1的電壓範圍是－15V～－5V，所以使用SP3232E進行
RS232電平轉換［4］。
3係統軟件設計
3.1采樣控製器
首先配置寄存器，選擇需要轉換的A/D通道。然後通過CONVST發出開始轉換信號，八個通道開始轉換。AD1_EOC_in用於計數，計滿8次後表示8個通道數據采集完成，此時AD1_EOLC_in轉為低電平。EOLC為8信號通道數據采集完成標誌，EOLC跳變到低電平表明最後一個通道轉換借宿，此時將數據存入FIFO，結束數據采集並進入新循環。圖5是MAX1312采樣控製狀態圖。

係統上電或重啟後進入狀態ST0，實現A/D參數初始化，並保持一段時延;FPGA對CONVST產生觸發信號(上升沿)啟動A/D轉換，進入狀態ST1，否則繼續保持ST0EOC是A/D轉換結束1次的標
誌ST2狀態中采用計數器對EOC下降沿計數當計滿8後表示通道轉換結束，進入狀態ST3;ST3中，通過檢測進程中的AD_convst_end信號結束判斷是否讀取轉換後的數據;狀態ST4是將8通道A/D采集的數據發送至FIFO;狀態ST5是將讀取到的數據傳送至SLAVEFIFO;數據存儲完成後，FIFO_tran_end置有效信號，轉變到初始狀態，完成對A/D的采集與傳輸。
3．2LCD顯示模塊
3．2．1譯碼模塊設計
為了能在LCD模塊上正常顯示，A/D轉換後的二進製數據需先轉換為BCD碼並移位送給LCM模塊。將十二位數據輸入後左移一位，檢測個、十、百位是否滿5，滿5則對該位數加3並向左移動一位，再進行如上檢測，直至轉換為20位BCD碼。定義五個四位總線類型的寄存器變量，將20位BCD碼從低到高四位一組依次賦給寄存器變量，並從bcd1、bcd2、bcd3、bcd4、bcd5端口輸出，分位模塊如圖6所示。

3．2．2稱重顯示模塊設計
FPGA按時序驅動LCD:首先預熱LCD(全0指令)進行功能設置;設置顯示狀態、屏幕畫麵移動方式和光標移動方式，然後清除顯示畫麵;設置顯示模式(設置幾行顯示);最後打開畫麵進入數據采集流程。輸入地址選擇LCD顯示位置，然後將需要顯示的數據與ASCⅡ碼表進行對照，譯碼輸出。LCD控製模塊如圖7所示。

其中，shuju5～shuju1為五位數字的每位BCD碼輸入端。Cont端接入地址計數信號，每來1個cont脈衝輸出1個數據，先輸出字符串‘Weight:’，然後將jishu5～jishu1輸入的數值依次顯示，在第三位的時候插入小數點，抵消前麵數值擴大倍數1000倍。Select_out信號用於選擇輸出的十二位二進製數是指令還是數值。Enable直接提供反時鍾信號進行使能控製。Rw_out信號控製讀寫模式，此處設為0，用於寫信號。
3．3係統通訊模塊
因同時采集8通道稱重數據，係統通訊模塊傳輸數據量大。為提高通信速度，采用同步通信方式，即通過同步字符在每個數據塊傳送開始時間使收發雙方同步。基於UART協議發送模塊如圖8所示。

圖中，clk為50MHz係統時鍾，Wm為發送使能端，din［7．．0］接轉碼模塊處理完的數據，sdo接PC機。讀入一組8位串行數據din［7．．0］到內部寄存器，從最低位開始一位一位輸出，每一位輸出後8位數據向右移一位，最高位補0，實現數據串行發送。
4係統標定
實驗采用8個重量分別為0．710kg、0．820kg、0．745kg、0．795kg、0．765kg、0．770kg、0．515kg、0．785kg的鐵塊作為實驗待測樣本，待測鐵塊從同一通道輸入，測得稱重重量與模擬信號經放大反向後輸出電壓間數據，並用最小二乘法曲線擬合後如圖9所示。

圖9觀測到傳感器壓力信號與轉變後電信號間為線性關係，用最小二乘法線性擬合後關係式為y=7．222(x－0．0024)，其中x為電壓值，單位V;y為重量，單位kg;7．222為標定係數;0．0024為零點電壓值。
5結束語
實驗測試表明:所設計開發的基於FPGA的電子稱重儀性能可靠、操作簡單、測量精度較高，同時利用FPGA高集成性、I/O口多的優勢，容易滿足功能擴展和係統升級要求，具有很高的實用價值。

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