針對汽車衡數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對采樣精度、傳輸方式及功能擴(kuò)展等要求，設(shè)計(jì)了基于FPGA的汽車衡稱重?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程 采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用XC2S30型FPGA作為智能控制器，根據(jù)道閘、紅外定位、信號燈等模塊邏輯時序控制24位高精度 AD7787芯片采集稱重?cái)?shù)據(jù),并通過GSM模塊MC35i遠(yuǎn)程發(fā)送至管理中心。該系統(tǒng)精度高、易移植，具有較好的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。

0.引言

隨著汽車衡從機(jī)械式向電子式、靜態(tài)稱重到動態(tài)計(jì)量方向 發(fā)展,基于計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、嵌人式、DSP等主控制器的傳統(tǒng)汽車衡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已不能滿足高稱量精度和功能擴(kuò)展要 求。為此，文中利用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)可靠性強(qiáng)、 運(yùn)算速度快、易移植等特點(diǎn)，及GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息業(yè)務(wù)功能 (SMS),設(shè)計(jì)了基于FPGA的汽車衡稱重?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)。 系統(tǒng)采用FPGA作為智能控制器,根據(jù)道閘、紅外定位、信號燈 等模塊邏輯時序控制24位高精度AD7787芯片采集稱重?cái)?shù)據(jù)， 并通過GSM模塊遠(yuǎn)程發(fā)送至管理中心。該系統(tǒng)可髙效、可靠 地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及管理中心對汽車遠(yuǎn)程調(diào)度’對提高工作 效率,實(shí)現(xiàn)磅房無人值守具有重要意義。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和管理中心2部分組成。數(shù)據(jù)采集 終端實(shí)現(xiàn)各模塊工作時序切換、A/D采樣存儲及GSM遠(yuǎn)程通 信，包含智能控制器（FPGA)、稱重傳感器、射頻卡系統(tǒng)、道閘、 紅外定位和GSM通信模塊。管理中心接收遠(yuǎn)程稱重?cái)?shù)據(jù)、發(fā) 送控制命令及打印報(bào)表,包含稱重上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù) 據(jù)采集終端與管理中心間通過GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2數(shù)據(jù)采集流程

人口配置非接觸式射頻讀卡器；中間是稱重傳感器，其左 右邊沿分別配置紅外光電開關(guān)，兩側(cè)引坡均安裝道閘、地感線 圈，兩側(cè)對角處安裝有監(jiān)控?cái)z像機(jī);車輛迎面方向安裝有信號 燈、揚(yáng)聲器及大屏幕。數(shù)據(jù)采集流程如下：

每個采集終端GSM模塊配備有唯一 SIM卡，當(dāng)貼有電 子標(biāo)簽車輛駛?cè)似嚭鈺r，駕駛員可向該SIM卡發(fā)送短信“要 稱重”。FPGA接收短信后，立即啟動射頻讀寫系統(tǒng)讀卡，并將 讀卡信息傳至主控制器驗(yàn)證車輛是否注冊，若已注冊,控制信 號燈綠燈亮，允許上衡稱重;若沒注冊，則語音提示“到射頻卡 管理中心注冊”。

車輛通過地感線圈1產(chǎn)生檢測信號。FPGA根據(jù)該信 號啟動揚(yáng)聲器“請上鎊”、控制道閘1升起、啟動紅外光電開關(guān) 工作、觸發(fā)2臺攝像機(jī)采集車輛上磅圖像。

紅外光電開關(guān)1檢測到車輛上磅時，信號黃燈亮,禁止 下一車輛駛?cè)塑嚨?。車輛完全上衡后，人口紅燈亮、道閘1落 下。采集車輛稱重?cái)?shù)據(jù)并通過大屏幕顯示，揚(yáng)聲器播報(bào)稱重信 息。

紅外光電開關(guān)2檢測到車輛下衡后，道閘2升起，FP- GA驅(qū)動GSM模塊將車輛稱重信息發(fā)送至遠(yuǎn)程管理中心數(shù)據(jù) 庫。地感線圈2檢測到車輛通過時信號燈滅，稱量過程完成， 進(jìn)人下一次稱量的等待狀態(tài)。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 A/D采集電路

選用QS30型稱重傳感器，額定載荷30 t，額定輸出（2± 0. 002% )mV/V. A/D轉(zhuǎn)換選用高分辨率、低功耗、低噪聲的24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7787,內(nèi)部集成1個Z-A調(diào)制器、1個緩沖 器和1個片內(nèi)數(shù)字濾波器。核心控制器采用Spartan II系列 的XC2S30型FPGA芯片，帶有972個單元、30 000門，工作頻率 為2 00 MHz.設(shè)計(jì)的A/D采集電路如圖3所示。

圖3中，稱重傳感器內(nèi)電阻應(yīng)變片（基體）受到拉伸或壓縮 時，惠斯通電橋失去平衡從而產(chǎn)生差分電壓輸出，當(dāng)激勵電壓 取5 V(DC)時，輸出電壓滿量程為10 mV(激勵電壓與靈敏度 乘積）。因模擬信號為mV級，為提高A/D采集精度，選用高精 度儀器運(yùn)放AD620將模擬信號放大，放大后的模擬信號接至 AD7787的單端輸入端AIN2(引腳6)。AD620采用單電源供 電，為使輸出電壓隨輸入電壓變化時不超出線性工作區(qū)，同時 抵消部分電源波動，采用AD705電壓跟隨器為AD620提供輸 出電壓零點(diǎn)REF(第5腳），此電壓與AD705反向輸人端、同相 輸入端電壓均相同，由20 kO電阻分壓得到2 V，即AD620信號 放大后輸出電壓范圍為[2,2+ G* Fin]V，其中^為傳感器輸出差分電壓，G為AD620放大倍數(shù)。AD7787電源電壓VDD取 5 V，為去除電源噪聲,增加系統(tǒng)可靠性，采用0. 1 m,F電容旁路 掉高頻成分，同時并聯(lián)1個10|xF鉭電容旁路低頻成分。 AD7787芯片參考電壓Fref由REFIN輸入為3 V,地參考點(diǎn) GND為AD705電壓跟隨器輸出電壓2 V,則AD7787可接受單 極性輸人信號范圍為2 ~3 V.由于AD620輸出電壓范圍為[2, 2 + G ? Fin ] V,故G取值100。根據(jù)AD620放大倍數(shù)G與Rc (AD620引腳1、8間電阻）關(guān)系式,RC為499 n.

AD7787 有石、DIN、SCLK 和 D0UT/S5Y4 個串行接口，分 別與！PGA的I/O 口相連，由采樣控制器控制AD7787信號采 集。&為片選信號;AD7787片內(nèi)有5個寄存器（通信寄存器、 狀態(tài)寄存器、模式寄存器、濾波器寄存器和數(shù)據(jù)寄存器），通過 AD7787串行接口對片內(nèi)寄存器工作方式進(jìn)行讀/寫操作實(shí)現(xiàn) 對AD7787設(shè)置和控制。DIN用于向AD7787的寄存器寫人數(shù) 據(jù);SCLK用作FPGA與AD7787間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇袝r鐘； D0UT/I5Y用于從AD7787寄存器讀出數(shù)據(jù),RDY當(dāng)電平為低 時指示新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)生成。

2.2數(shù)據(jù)傳送電路

數(shù)據(jù)傳送采用GSM/GPRS雙模模塊MC35i。MC35i接口 支持AT指令集，支持Text和PDU格式的SMS, FPGA可通過 UART對MC35I模塊寫人AT命令,實(shí)現(xiàn)對GSM引擎的控制。 同時,管理中心的各種信息也可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)MC35I 由UART反饋給主控制器。由于FPGA是系統(tǒng)，可使用 SP3232E進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換。

2.3電源電路

XC2S30型FPGA芯片所需+ 3. 3 V電源直接由+ 5 V電源 經(jīng)過+3.3 VLD0芯片SPX1117 - 3.3穩(wěn)壓并濾波得到， SPX1117系列LD0芯片輸出電流可達(dá)800 mA，輸出電壓精度 在±1%以內(nèi),具有電流限制和熱保護(hù)功能，為改善瞬態(tài)響應(yīng)和 穩(wěn)定性，其輸出端接1個10 #鉭電容，電路圖如圖4所示。

3.系統(tǒng)釆集與傳輸軟件設(shè)計(jì)

3.1主控制器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集流程由狀態(tài)機(jī)（ASM)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)ASM圖參見文 獻(xiàn)[8]。首先上電初始化，判斷是否接收到“要稱重”短信。FP- GA接收到信號后，立即啟動射頻讀寫系統(tǒng)工作。車輛通過地 感線圈1產(chǎn)生檢測信號，FPGA根據(jù)此信號啟動揚(yáng)聲器、道閘1、 紅外光電開關(guān)、攝像機(jī)工作。通過地感線圈1、2和紅外光電開 關(guān)1、2狀態(tài)組合來判斷汽車是否完全上衡，若上衡FPGA內(nèi)采 樣控制器控制AD7787采集稱重?cái)?shù)據(jù)，啟動大屏幕、揚(yáng)聲器工 作，一定時間后啟動MC35i模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程管理中心數(shù)據(jù)庫.

車輛下衡,根據(jù)紅外光電開關(guān)2檢測信號啟動道閘2升起。根 據(jù)地感線圈2檢測信號判斷車輛下衡,一次稱量過程完成,進(jìn) 人下一次稱量等待狀態(tài)。

3.2采樣控制器設(shè)計(jì)

AD7787具有單轉(zhuǎn)換、連續(xù)轉(zhuǎn)換和連續(xù)讀3種工作模式，通 過模式寄存器即可設(shè)置。該系統(tǒng)基于連續(xù)轉(zhuǎn)換模式設(shè)計(jì)，對應(yīng) 模式寄存器“MD1MD0”設(shè)為“00”，時序圖如圖5所示。

啟動片選&信號后數(shù)據(jù)開始轉(zhuǎn)換,根據(jù)DOUT/S5Y值或狀態(tài)寄存器內(nèi)RDY值變低判斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束后 施加SCLK脈沖,依次寫人通信寄存器“00111001” (因模擬信 號從AIN2輸人，通信寄存器及狀態(tài)寄存器內(nèi)“CH1CH0”應(yīng)設(shè) 為“01”），因?qū)懭藬?shù)據(jù)是8位,可采用8位計(jì)數(shù)器判斷數(shù)據(jù)寫人 是否完畢，設(shè)置下一步從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)再施加 SCLK有效脈沖后，數(shù)據(jù)依次從DOUT/輸出，待24位數(shù)據(jù) 讀取完后DOUT/S5Y變?yōu)楦?，一次?shù)據(jù)讀取完畢。根據(jù) AD7787的A/D轉(zhuǎn)換控制要求，采樣過程用Moore型狀態(tài)機(jī)來 實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6所示。

該過程共6個狀態(tài):ST0為空閑等待狀態(tài)，置石為低則轉(zhuǎn)人 狀態(tài)ST1;ST1為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換狀態(tài),S5Y為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)志,當(dāng)= l 保持狀態(tài)ST1，3RDY = 0時表示當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)束,進(jìn)人狀態(tài)ST2， 即用戶向通信寄存器寫人指令表示準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù)寄存器；向 AD7787施加SCLK有效脈沖，轉(zhuǎn)人ST3;ST3為向通信寄存器串 行寫人8位數(shù)據(jù),data_input_end為ST3轉(zhuǎn)人ST4的條件;ST4為 數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)備狀態(tài)，施加SCLK有效脈沖后，轉(zhuǎn)人數(shù)據(jù)讀取狀態(tài) ST5;通過data_mitPut_end判斷是否讀滿24位，若滿足則轉(zhuǎn)入 ST6；ST6為數(shù)據(jù)讀取完?duì)顟B(tài)，若_變高則轉(zhuǎn)入初始狀態(tài)ST0。

設(shè)計(jì)選用單極性數(shù)據(jù)采集方式，即模式寄存器內(nèi)“ U/B"設(shè) 為“ 1 ”，對應(yīng)編碼為 214 x ( AIN/Tref )。

3.3 GSM通信模塊軟件設(shè)計(jì)

MC35i支持標(biāo)準(zhǔn)的RS -232接口，有固定的參數(shù):8位數(shù)據(jù) 位和1位停止位、無奇偶校驗(yàn)位，通信波特率支持300 bps ~ 230 400 kpS,通過RXD、TXD和GND引腳與FPGA芯片實(shí)現(xiàn)串 口通信W。MC35i通過AT指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的雙向傳輸， 系統(tǒng)通過正確的AT指令對MC35i進(jìn)行初始化和短消息發(fā)送及 接收。程序開始時要發(fā)送AT指令初始化MC35i。短消息服務(wù) 中心地址設(shè)置指令AT + CSCA = “ < SCA > ” ,江蘇南通的SCA 為“ +8613800513500”。根據(jù) GSM07.05 的定義，MODEM 通過 通信接口實(shí)現(xiàn)對SMS控制共有3種接入?yún)f(xié)議:Block Mode.PDU Mode和Text Mode[9]。系統(tǒng)采用16bit編碼PDU Mode進(jìn)行短 消息收發(fā)，通過編碼格式指令AT + CMGF = <0>設(shè)置。稱重 數(shù)據(jù)傳輸短消息格式:操作功能+被叫號碼+稱重信息內(nèi)容 (可調(diào)），其中信息內(nèi)容如“X號汽車衡：車牌號:XX ? XXXXX 稱重:XX噸時間:XXXX年XX月XX日”。PDU編碼時，中文 直接采用漢字的Unicode編碼，可調(diào)用Visual Basic軟件的Hex (八8(：賈（“漢字”））函數(shù)獲取。字母和數(shù)字則在8位的ASC碼 前面補(bǔ)0，統(tǒng)一成十六進(jìn)制編碼。

4結(jié)束語

采用FPGA為核心控制器，通過對24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD7787、GSM/GPRS雙模模塊MC35i的控制，設(shè)計(jì)了具有精度 高、速率快、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)的汽車衡稱重?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)。該 系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、可移植性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)表明能高效、精準(zhǔn)地采集 稱重?cái)?shù)據(jù)，并能實(shí)時遠(yuǎn)程發(fā)送，具有較好的實(shí)用價值和應(yīng)用前 景。