針對汽車衡數據管理系統對采樣精度、傳輸方式及功能擴展等要求，設計了基于FPGA的汽車衡稱重數據遠程 采集系統。該系統利用XC2S30型FPGA作為智能控制器，根據道閘、紅外定位、信號燈等模塊邏輯時序控制24位高精度 AD7787芯片采集稱重數據,并通過GSM模塊MC35i遠程發送至管理中心。該系統精度高、易移植，具有較好的實用價值和應用前景。

0.引言

隨著汽車衡從機械式向電子式、靜態稱重到動態計量方向 發展,基于計算機、單片機、嵌人式、DSP等主控制器的傳統汽車衡數據采集系統已不能滿足高稱量精度和功能擴展要 求。為此，文中利用現場可編程門陣列（FPGA)可靠性強、 運算速度快、易移植等特點，及GSM網絡的短消息業務功能 (SMS),設計了基于FPGA的汽車衡稱重數據遠程采集系統。 系統采用FPGA作為智能控制器,根據道閘、紅外定位、信號燈 等模塊邏輯時序控制24位高精度AD7787芯片采集稱重數據， 并通過GSM模塊遠程發送至管理中心。該系統可髙效、可靠 地實現遠程數據采集及管理中心對汽車遠程調度’對提高工作 效率,實現磅房無人值守具有重要意義。

1.系統總體設計

1.1系統結構

系統由數據采集終端和管理中心2部分組成。數據采集 終端實現各模塊工作時序切換、A/D采樣存儲及GSM遠程通 信，包含智能控制器（FPGA)、稱重傳感器、射頻卡系統、道閘、 紅外定位和GSM通信模塊。管理中心接收遠程稱重數據、發 送控制命令及打印報表,包含稱重上位機和數據庫服務器。數 據采集終端與管理中心間通過GSM網絡進行數據遠程傳輸，系統結構如圖1所示。

1.2數據采集流程

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，兩側引坡均安裝道閘、地感線 圈，兩側對角處安裝有監控攝像機;車輛迎面方向安裝有信號 燈、揚聲器及大屏幕。數據采集流程如下：

每個采集終端GSM模塊配備有唯一 SIM卡，當貼有電 子標簽車輛駛人汽車衡時，駕駛員可向該SIM卡發送短信“要 稱重”。FPGA接收短信后，立即啟動射頻讀寫系統讀卡，并將 讀卡信息傳至主控制器驗證車輛是否注冊，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產生檢測信號。FPGA根據該信 號啟動揚聲器“請上鎊”、控制道閘1升起、啟動紅外光電開關 工作、觸發2臺攝像機采集車輛上磅圖像。

紅外光電開關1檢測到車輛上磅時，信號黃燈亮,禁止 下一車輛駛人車道。車輛完全上衡后，人口紅燈亮、道閘1落 下。采集車輛稱重數據并通過大屏幕顯示，揚聲器播報稱重信 息。

紅外光電開關2檢測到車輛下衡后，道閘2升起，FP- GA驅動GSM模塊將車輛稱重信息發送至遠程管理中心數據 庫。地感線圈2檢測到車輛通過時信號燈滅，稱量過程完成， 進人下一次稱量的等待狀態。

2.系統硬件設計

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轉換選用高分辨率、低功耗、低噪聲的24 位模數轉換器AD7787,內部集成1個Z-A調制器、1個緩沖 器和1個片內數字濾波器。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.設計的A/D采集電路如圖3所示。

圖3中，稱重傳感器內電阻應變片（基體）受到拉伸或壓縮 時，惠斯通電橋失去平衡從而產生差分電壓輸出，當激勵電壓 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，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。AD7787電源電壓VDD取 5 V，為去除電源噪聲,增加系統可靠性，采用0. 1 m,F電容旁路 掉高頻成分，同時并聯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 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AD620放大倍數G與Rc (AD620引腳1、8間電阻）關系式,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片內有5個寄存器（通信寄存器、 狀態寄存器、模式寄存器、濾波器寄存器和數據寄存器），通過 AD7787串行接口對片內寄存器工作方式進行讀/寫操作實現 對AD7787設置和控制。DIN用于向AD7787的寄存器寫人數 據;SCLK用作FPGA與AD7787間數據傳輸的串行時鐘； D0UT/I5Y用于從AD7787寄存器讀出數據,RDY當電平為低 時指示新的轉換數據生成。

2.2數據傳送電路

數據傳送采用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,實現對GSM引擎的控制。 同時,管理中心的各種信息也可以通過GPRS網絡，經MC35I 由UART反饋給主控制器。由于FPGA是系統，可使用 SP3232E進行RS232電平轉換。

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 經過+3.3 VLD0芯片SPX1117 - 3.3穩壓并濾波得到， SPX1117系列LD0芯片輸出電流可達800 mA，輸出電壓精度 在±1%以內,具有電流限制和熱保護功能，為改善瞬態響應和 穩定性，其輸出端接1個10 #鉭電容，電路圖如圖4所示。

3.系統釆集與傳輸軟件設計

3.1主控制器設計

數據采集流程由狀態機（ASM)實現，系統ASM圖參見文 獻[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工作。車輛通過地 感線圈1產生檢測信號，FPGA根據此信號啟動揚聲器、道閘1、 紅外光電開關、攝像機工作。通過地感線圈1、2和紅外光電開 關1、2狀態組合來判斷汽車是否完全上衡，若上衡FPGA內采 樣控制器控制AD7787采集稱重數據，啟動大屏幕、揚聲器工 作，一定時間后啟動MC35i模塊發送至遠程管理中心數據庫.

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

3.2采樣控制器設計

AD7787具有單轉換、連續轉換和連續讀3種工作模式，通 過模式寄存器即可設置。該系統基于連續轉換模式設計，對應 模式寄存器“MD1MD0”設為“00”，時序圖如圖5所示。

啟動片選&信號后數據開始轉換,根據DOUT/S5Y值或狀態寄存器內RDY值變低判斷數據轉換是否結束。轉換結束后 施加SCLK脈沖,依次寫人通信寄存器“00111001” (因模擬信 號從AIN2輸人，通信寄存器及狀態寄存器內“CH1CH0”應設 為“01”），因寫人數據是8位,可采用8位計數器判斷數據寫人 是否完畢，設置下一步從數據寄存器讀取數據。當再施加 SCLK有效脈沖后，數據依次從DOUT/輸出，待24位數據 讀取完后DOUT/S5Y變為高，一次數據讀取完畢。根據 AD7787的A/D轉換控制要求，采樣過程用Moore型狀態機來 實現，狀態轉換圖如圖6所示。

該過程共6個狀態:ST0為空閑等待狀態，置石為低則轉人 狀態ST1;ST1為數據轉換狀態,S5Y為數據轉換標志,當= l 保持狀態ST1，3RDY = 0時表示當前轉換結束,進人狀態ST2， 即用戶向通信寄存器寫人指令表示準備讀取數據寄存器；向 AD7787施加SCLK有效脈沖，轉人ST3;ST3為向通信寄存器串 行寫人8位數據,data_input_end為ST3轉人ST4的條件;ST4為 數據讀取準備狀態，施加SCLK有效脈沖后，轉人數據讀取狀態 ST5;通過data_mitPut_end判斷是否讀滿24位，若滿足則轉入 ST6；ST6為數據讀取完狀態，若_變高則轉入初始狀態ST0。

設計選用單極性數據采集方式，即模式寄存器內“ U/B"設 為“ 1 ”，對應編碼為 214 x ( AIN/Tref )。

3.3 GSM通信模塊軟件設計

MC35i支持標準的RS -232接口，有固定的參數:8位數據 位和1位停止位、無奇偶校驗位，通信波特率支持300 bps ~ 230 400 kpS,通過RXD、TXD和GND引腳與FPGA芯片實現串 口通信W。MC35i通過AT指令實現數據和指令的雙向傳輸， 系統通過正確的AT指令對MC35i進行初始化和短消息發送及 接收。程序開始時要發送AT指令初始化MC35i。短消息服務 中心地址設置指令AT + CSCA = “ < SCA > ” ,江蘇南通的SCA 為“ +8613800513500”。根據 GSM07.05 的定義，MODEM 通過 通信接口實現對SMS控制共有3種接入協議:Block Mode.PDU Mode和Text Mode[9]。系統采用16bit編碼PDU Mode進行短 消息收發，通過編碼格式指令AT + CMGF = <0>設置。稱重 數據傳輸短消息格式:操作功能+被叫號碼+稱重信息內容 (可調），其中信息內容如“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，可調用Visual Basic軟件的Hex (八8(：賈（“漢字”））函數獲取。字母和數字則在8位的ASC碼 前面補0，統一成十六進制編碼。

4結束語

采用FPGA為核心控制器，通過對24位模數轉換器 AD7787、GSM/GPRS雙模模塊MC35i的控制，設計了具有精度 高、速率快、網絡化等特點的汽車衡稱重數據遠程采集系統。該 系統工作穩定、可靠、可移植性強，實驗表明能高效、精準地采集 稱重數據，并能實時遠程發送，具有較好的實用價值和應用前 景。