0引言
称重仪(衡器)是重量计量器具，广泛用于工业、交通、商贸等领域，其测量精度和速度直接影响管理部门决策及物资贸易结算效率。随着电子技术的发展，电子称重仪以其测量精度高、速度快、信号便于计算机控制等优点逐渐取代传统机械式称重仪。
FPGA(现场可编程门阵列)具有高集成性、低功耗、内部延时小、随着FPGA在高速数据采集方面的优势，本文设计了一款基于FPGA的多路采集电子称重仪，以EPF10K10LC84－4为控制核心，实时采集8路称重数据按通道顺序依次显示于液晶显示屏，并通过RS232串口通信模块发送至上位机。该系统结构简单、工作可靠，功能易扩展，满足实际工程需求。
1系统组成及工作原理
基于FPGA的电子称重仪主要由信号调理电路、A/D采集电路、核心控制器、显示和通讯电路组成，系统结构如图1所示。

称重时，传感器内电阻应变片(基体)受到形变使惠斯通电桥失去平衡，输出级差分电压。为提高A/D采集精度，需将此信号经过放大、滤波、绝对值转换等调理电路后接入A/D转换芯片MAX1312。核心控制器FPGA根据MAX1312工作时序完成8路称重数据采集，并完成称重数据存储、液晶屏显示和串行通讯。
2系统硬件设计
2．1称重传感器
称重传感器利用应变测力原理，通过弹性元件将力以形变的形式传递给应变片。本系统采用型号为LHD001的电压型压力传感器，灵敏度为2mV/V，供电电压为6V～15V，称重传感器结构图如图2所示［1］。其中引线4根:红色接+5V、绿色为正向输出IN+、白色为反向输出信号IN－、黑色接地。

2．2信号调理电路
称重传感器灵敏度用于估计A/D转换的输入电压和触发门槛电压［2］。因LHD001型压力传感器灵敏度为2mV/V，供电电压为6V时，输出电压不超过12mV。为了与(ADC)MAX13120．3V～5．3V输入电压范围相匹配，需对传感器输出信号进行放大调理。放大倍数选取时通常要考虑A/D转换输入模拟信号电压在A/D输入电压满量程左右，即取值277．8左右。选用3片高共模抑制比(CMRR)、低温漂的OP07组成一个仪用差分放大器，电路图如图3所示。

图3中，A1和A2形成一级放大，A3形成二级放大，
R1=R2=20kΩ，R3=R4=200Ω，R7=R8=6．8kΩ，
R9=R10=20kΩ，则放大倍数为:297．06
模拟信号放大的同时内部高频噪音也得到放大，为此采用压控电压源型二阶有源低通滤波电路滤除高频噪音。传感器输出的模拟信号经仪用放大器反向放大，再经过低通滤波，此时信号为负值，故采用绝对值电路将此信号转化为正值输出。
2．3A/D采集模块
系统采用Maxim公司12位模数转换器(ADC)MAX1312完成模数转换。MAX1312能提供8个、4个或2个独立输入通道，各通道具有独立采样保持(T/H)电路，可支持同时采样。8通道同时转换时间仅需1．98μs，每个通道吞吐率为456ksps。FPGA芯片选用ALTERA公司生产的EPF10K10LC84－4，采用可重构的CMOSSRAM工艺，内嵌功能模块丰富。A/D采集模块结构图如图4所示。

图4中，模拟信号从MAX1312的CH0～CH7输入，FPGA内采样控制器根据MAX1312工作时序将模拟量转换成12位数字量D0～D11传送至FPGA内存储器进行数据处理。
2．4LCM液晶显示模块
LCM液晶显示模块由LCD控制器、LCD驱动器、LCD显示装置三部分组成。其中，LCD控制器用于与FPGA芯片进行沟通，LCD驱动器负责点亮LCD显示装置。本系统采用的LCM模块是将LCD控制器、LCD驱动器集成到一块IC芯片，型号为HD44780。
2.5通信电路
FPGA通过RS232与上位机进行通讯。本设计使用9针接口中2、3、5三个管脚进行通信。由于FPGA是使用3．3V系统，而RS232信号使用负逻辑，逻辑0电压范围是+5V～+15V，而逻辑1的电压范围是－15V～－5V，所以使用SP3232E进行
RS232电平转换［4］。
3系统软件设计
3.1采样控制器
首先配置寄存器，选择需要转换的A/D通道。然后通过CONVST发出开始转换信号，八个通道开始转换。AD1_EOC_in用于计数，计满8次后表示8个通道数据采集完成，此时AD1_EOLC_in转为低电平。EOLC为8信号通道数据采集完成标志，EOLC跳变到低电平表明最后一个通道转换借宿，此时将数据存入FIFO，结束数据采集并进入新循环。图5是MAX1312采样控制状态图。

系统上电或重启后进入状态ST0，实现A/D参数初始化，并保持一段时延;FPGA对CONVST产生触发信号(上升沿)启动A/D转换，进入状态ST1，否则继续保持ST0EOC是A/D转换结束1次的标
志ST2状态中采用计数器对EOC下降沿计数当计满8后表示通道转换结束，进入状态ST3;ST3中，通过检测进程中的AD_convst_end信号结束判断是否读取转换后的数据;状态ST4是将8通道A/D采集的数据发送至FIFO;状态ST5是将读取到的数据传送至SLAVEFIFO;数据存储完成后，FIFO_tran_end置有效信号，转变到初始状态，完成对A/D的采集与传输。
3．2LCD显示模块
3．2．1译码模块设计
为了能在LCD模块上正常显示，A/D转换后的二进制数据需先转换为BCD码并移位送给LCM模块。将十二位数据输入后左移一位，检测个、十、百位是否满5，满5则对该位数加3并向左移动一位，再进行如上检测，直至转换为20位BCD码。定义五个四位总线类型的寄存器变量，将20位BCD码从低到高四位一组依次赋给寄存器变量，并从bcd1、bcd2、bcd3、bcd4、bcd5端口输出，分位模块如图6所示。

3．2．2称重显示模块设计
FPGA按时序驱动LCD:首先预热LCD(全0指令)进行功能设置;设置显示状态、屏幕画面移动方式和光标移动方式，然后清除显示画面;设置显示模式(设置几行显示);最后打开画面进入数据采集流程。输入地址选择LCD显示位置，然后将需要显示的数据与ASCⅡ码表进行对照，译码输出。LCD控制模块如图7所示。

其中，shuju5～shuju1为五位数字的每位BCD码输入端。Cont端接入地址计数信号，每来1个cont脉冲输出1个数据，先输出字符串‘Weight:’，然后将jishu5～jishu1输入的数值依次显示，在第三位的时候插入小数点，抵消前面数值扩大倍数1000倍。Select_out信号用于选择输出的十二位二进制数是指令还是数值。Enable直接提供反时钟信号进行使能控制。Rw_out信号控制读写模式，此处设为0，用于写信号。
3．3系统通讯模块
因同时采集8通道称重数据，系统通讯模块传输数据量大。为提高通信速度，采用同步通信方式，即通过同步字符在每个数据块传送开始时间使收发双方同步。基于UART协议发送模块如图8所示。

图中，clk为50MHz系统时钟，Wm为发送使能端，din［7．．0］接转码模块处理完的数据，sdo接PC机。读入一组8位串行数据din［7．．0］到内部寄存器，从最低位开始一位一位输出，每一位输出后8位数据向右移一位，最高位补0，实现数据串行发送。
4系统标定
实验采用8个重量分别为0．710kg、0．820kg、0．745kg、0．795kg、0．765kg、0．770kg、0．515kg、0．785kg的铁块作为实验待测样本，待测铁块从同一通道输入，测得称重重量与模拟信号经放大反向后输出电压间数据，并用最小二乘法曲线拟合后如图9所示。

图9观测到传感器压力信号与转变后电信号间为线性关系，用最小二乘法线性拟合后关系式为y=7．222(x－0．0024)，其中x为电压值，单位V;y为重量，单位kg;7．222为标定系数;0．0024为零点电压值。
5结束语
实验测试表明:所设计开发的基于FPGA的电子称重仪性能可靠、操作简单、测量精度较高，同时利用FPGA高集成性、I/O口多的优势，容易满足功能扩展和系统升级要求，具有很高的实用价值。

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