基于FPGA的电子秤设计与实现.docx

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基于FPGA的电子秤设计与实现

基于FPGA的电子秤设计与实现

摘要

随着科学技术水平的不断发展，市面上出现了很多有价值的电子产品，这些设备有些倾向于自然简单，而有些却追求超乎平常的复杂功能。

当这些电子设备在对社会起到深远影响的同时，电子秤作为一个越来越简单的电子设备，在我们生活的许多方面扮演着重要的角色。

不论是工业还是销售行业，不论是大量程还是微小的计量称重，电子秤的出现使得数据得出更精确。

本设计的核心技术是基于FPGA（现场可编程门阵列）的。

共包含三大模块，分别为数据采集模块、控制器模块和人机交互模块。

数据采集模块用到称重传感器，直接与信号的前级处理和A/D转换部分共同构成。

人机交互模块包含简易键盘和点阵式液晶显示器。

最为主要的是本设计采用FPGA作为控制核心，软件部分使用Verilog（VerilogHardwareDescriptionLanguage）语言，这样的设计使得编程灵活，调试更加方便，而且精度较高，稳定性较好，可以实现全部的控制功能。

最终本项目成功完成，论文由绪论、关键技术介绍、系统分析、系统设计、系统实现、和系统测试以及最终结论组成。

关键词：

FPGA，电子秤，Verilog

DesignandImplementationofElectronicScaleBasedonFPGA

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,alotofvaluableelectronicproductshaveappearedonthemarket.Thesedevicestendtobenaturallysimple.Butsomecomplexbeyondtheusualfunctions.Whentheseelectronicdeviceshaveaprofoundeffectonsociety,atthesametime,moreandsimplerelectronicscaleselectronicdevicesplayanimportantroleinmanyaspectsofourlives,whetherindustrialorsalessmallorlargerangeofmeasuringandweighing,theemergenceofelectronicscalesmakesthedatamoreaccurate.

ThedesignofthecoretechnologyisbasedonFPGA（fieldprogrammablegatearray）,includingthreemodules,namely,dataacquisitionmodules.Controllermoduleandinteractivemodules.

Weighingsensorisusedindataacquisitionmodule.Whichisconnectedwiththepre-processingandA/Dconversionsectionofthesignal.HCImodulecontainsasimplekeyboardanddot-matrixliquidcrystaldisplays.ThemostimportantisthedesignusingFPGAasthecore,theuseofthesoftwarepartofVerilog（verilogHardwareDescriptionLanguage）language.Thisdesignallowsflexibleprogramming,moreconvenientdebugging,andhighaccuracy,goodstability.Thedesigncanalsoachievefully-controlledfunction.Theultimatesuccessoftheprojectiscompleted.Thepaperismadeupoftheintroduction,keytechnologies,systemanalysis,systemdesign,systemimplementation,andsystemtestingaswellasthecompositionofthefinalconclusions.

Keywords:

FPGA,ElectronicWeighingScale,Verilog

第1章　绪论

该设计以FPGA为核心控制部件，并基于超高速硬件描述语言VHDL在SpartanⅡE系列的XC2S100E芯片上编程实现；系统的硬件部分包括FPGA最小系统板、人机交互界面、数据采集这三大部分。

最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器，数据采集模块分为压力传感器、信号的前级处理和A/D转换三部分。

人机界面部分使用键盘输入，晶体管显示，软件基于Verilog语言实现了全部控制功能。

数字电子秤目前已变得非常方便和普及，它们几乎被用在目前所有的行业。

邮局，银行，珠宝店和食品工业用更精密的小数字刻度，而很多制造企业需要大量程的称重工具。

电子秤的出现使得各种物品的重量测量更精确，易于阅读和使用，任何时候当你需要测量重量，他们就是最方便的选择。

而科学技术的逐步发展，新的更好的产品已经出现，对人类社会的影响更加深远。

这些设备更倾向于自然和简单。

电子秤已成为简单的日常设备，在我们生活的许多角落作用明显。

1.1论文研究主要内容

现代电子秤由于便于携带和使用方便，以及度量精准，已经在很多领域被使用，电子秤所使用的各项技术不尽相同，本论文使用现场可编程门阵列既FPGA技术。

该技术在电子领域目前已经有广泛应用，因其作为一种半定制电路，解决了定制电路的不足，使用更灵活，编程更方便，当把这项技术应用在电子秤设计中时，电子秤也就具有了开发和使用方便，而且度量精准的特点。

1.1.1项目市场调查

刻度指示从19世纪40年代开始统一，电子称重技术不久后开始出现，市场的高需求使得这项产业迅猛发展，技术不断更迭，产品质量越来越好，产品功能也越来越多样化。

称重技术手段的标准化和精确化，对市场管理的影响是巨大的。

所以不断追求称重精确和便携是有意义的，本论文的意义也在于此。

1.1.2项目涉及的技术

压力传感器需要用到前级放大装置来对信号进行放大，A/D转换可以对信号进行翻译，人机交互的接口问题和显示系统以及硬件PCB布线合理性等等都是技术难点。

1.2国内外现状

50年代中期衡器制造业由于电子技术的渗入而开始发展。

自从60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过40多年不断的改进与完善，我国电子衡器产业从最初的机电结合型发展到现在的全电子型与数字智能型。

目前我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际90年代中期的水准。

电子衡器制造技术及应用得到了新的发展。

电子称重技术也从静态称重向动态称重发展；计量方法由模拟测量向数字测量发展；测量特点由单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。

但就总体而言，我国电子衡器产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。

通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

第2章　关键技术介绍

2.1EDA技术简介

早在上世纪九十年代，一些在计算机技术和电子技术上比较先进的国家就开始探索新的电路设计方法了，他们不只是对设计方法进行了一系列改进，同时在设计工具等方面也进行了变革，并且取得了很大的成功。

就电子技术设计这一领域而言，可编程逻辑器件诸如CPLD和FPGA等等的应用，已经有了大面积普及，这些器件的出现给数字系统的设计带来的是前所未有的灵活性。

通过软件编程可以对这些器件的硬件逻辑结构和工作方式进行重新构成，这样的设计方式将对硬件的设计变得如同软件设计一样快捷方便。

这种革命性的变革改变了数字系统设计的传统方法，在设计过程和设计理念上都带来了新的前景，极大促进了EDA技术的发展进步。

EDA技术的基础是将计算机作为工具，设计者用硬件描述语言在EDA软件平台上完成设计文件，然后交由计算机来完成逻辑编译和化简、分割、综合、优化、布局、布线与仿真，然后对芯片进行编译和程序下载。

这种技术的出现，不但是对电路设计的效率和可操作性进行了升级，同时对设计者而言，也减轻了很多劳动强度，这项技术的门槛下降，使更多的人可以进行电路设计。

现在的EDA概念在很多范畴和领域都有所应用，比如航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事、通信、机械等等，EDA技术出现在各种科研机构、教学部门、企事业单位等等。

EDA设计可分为电路级、系统级和物理实现级。

有关EDA技术的设计软件有很多种，概括起来可分为三大类，分别是系统设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件和芯片设计辅助软件。

我国目前有很多机构都在利用EDA技术进行电路设计，所以有几款软件很受欢迎，比如：

Protel、Modelsim、Matlab、Pspice、AltiumDesigner等等、他们的共同点就是功能很强，多数都可以进行电路设计和仿真，对于PCB自动布局布线和生成网表文件也不在话下，与第三方软件的衔接更是非常兼容。

我们在学校学习过程中，通过老师的介绍，接触到了其中几款软件，比如Spice，这款软件是在20世纪末由InteractiveImageTechnologiesLtd推出的电路仿真软件，与其他EDA软件相比，他的人机交互界面更直观形象，尤其是它仪表库的表现最为出色，软件中的仪表和真实仪表一模一样，而且它对数模电路进行混合仿真时得出的结果也与真实电路完全一致。

软件自身提供了万用表、失真度分析仪、频谱分析仪和信号发生器等等仪表的功能，而且各种建模需要的精确元器件诸如电容、电阻、二极管、三极管、电感、数码管等等也一应俱全。

不但器件库里提供的器件丰富，而且可以自制元器件。

这款软件对VHDL和Verilog仿真也同样非常出色。

本项目所要用到的FPGA技术就是PLD的一种，PLD的意思是用户根据需要来构造逻辑功能的数字集成电路，这项技术的实现就要用到EDA软件，在设计的过程中，设计者用原理图、硬件描述语言等等来编译对器件的逻辑描述，然后将编好的程序下载到器件中来实现。

世界上比较有名的PLD厂家有Altera、Xilinx和Lattice等，其中Altera在上世纪九十年代后发展很快，其推出的多款产品都成为经典，其中最近推出的QuartusII现在已成为主流，不像Xilinx在欧洲的火爆，Altera公司在日本和亚太地区更受欢迎。

虽然Xilinx是FPGA的发明者，但是现在，Altera和Xilinx共同决定着PLD的发展方向。

至于ISP技术的发明者Lattice，虽然ISP技术对PLD的发展起到了不可忽视的促进作用，但是与Altera和Xilinx相比，它的开发工具还不够好，在中小规模的PLD方面比较有特色，但是大规模方面，它的竞争力太弱。

EDA技术的应用遍布科研、教学、制造业等各个领域，教学方面，几乎所有学习电子信息的专业都会有EDA课程的学习，而在科研和制造业，对设计进行虚拟测试等，可以节省很多时间和成本，现代社会的数字化和电子化已经离不开EDA技术，EDA正在各行各业里渗透，改变着我们的生活环境和生活质量。

本项目就会采用Altera的Quartus软件来完成，选用这款软件不只是因为在本科四年的学习过程中经常接触，这款软件的强大功能，内嵌的仿真器更是选择它的不二理由。

2.2关键性开发技术的介绍

2.2.1控制器

FPGA在最高层面上来讲，也就是可重新编程的硅芯片，通过预建的逻辑块以及可重新编程布线资源，用户无需再使用烙铁等工具重新加工电路板，就可以配置芯片以便实现自定义的硬件功能。

用户在整个过程中只需要编译包含元件相连接关系的信息等的配置文件就可以。

而且FPGA可以完全重置反复利用，用户需要编译不同的电路配置时，只需要重新编写配置文件，FPGA就能够呈现出新的用户需求功能。

FPGA技术最早要求门槛较高，只有熟知数字硬件设计的工程师才可以使用，然而现在随着高层次设计工具的发展进步，图形化程序框图或者是C语言编写的代码，都可以被时下流行的设计工具转换成数字硬件电路。

本设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性和抗干扰能力要好，采用现场可编程门阵列（FPGA）为控制核心，利用EDA软件进行编程，使用Quartus内嵌仿真器进行仿真，最后下载烧制实现功能。

不但整个操作过程更方便简单，而且系统可集成于一小片芯片上，使得体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围更广，这样的技术更可以实现大规模和超大规模的集成电路。

2.2.2称重传感器

电子秤的最重要组成部件是称重传感器，这是对重物数据采集的第一道步骤，传感器被重物施压后产生电信号，经过一系列处理才能成为直观的数字呈现在用户眼前。

称重传感器是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。

用传感器应先要考虑传感器所处的实际工作环境，这一点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作，也关系着它的安全和使用寿命，甚至整个衡器的可靠性和安全性。

在称重传感器主要技术指标的基本概念与评价方法上，新旧国标有很大的差异。

主要有膜盒式、悬臂型、S型、板环式、轮辐式、桥式、柱筒式等几种样式。

称重传感器作为一种可以随意移动的器材，其注定会因为空气浮力和重力加速度等因素的影响而产生误差，这些误差可能有滞后误差、蠕变、重复性误差、线性误差、灵敏度温度特性和零点温度特性等等，所以在衡量传感器的准确度的时候，我们要通过对综合性的误差控制来评估。

对于本项目来说，除去不可抗力诸如重力加速度等等的影响外，自身的技术成熟度也是影响因素，所以只要在误差范围之内，都是可以接受的。

因传感器的设计工作会对本项目课题造成过多的干扰和带来不相干知识点，所以本设计采用商业成品传感器，只对它的工作原理进行简单学习和研究，不再另行设计。

2.2.3前级放大器

压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。

放大电路是一种能将微弱的交流小信号通过三极管等等器件进行处理，最终得到一个不失真而且电流信号幅值增大很多的相似波形的装置。

20世纪初真空三极管的出现使得信号增大技术得以实现，40年代晶体管出现，使这项技术朝着体积小，增幅大的特点发展。

现在使用的放大电路核心的技术器件都是晶体管。

一般我们把放大的倍数称为增益，这是衡量一个放大器的放大能力的指标，一般情况下，放大器可以放大电压、电流、互导、互阻和功率等等，在本项目的实现过程中，只有将称重传感器得到的电压进行增益后，才能被A/D转换模块处理。

前级放大器的要求为尽量简单，轻量化，而且增益效果越高越好。

2.2.4A/D转换器

模数转换器也就是A/D转换器，或者简称ADC，通常是指一个可以将模拟信号转为数字信号的电子元件。

通常模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出数字信号。

由于数字信号本身没有实际意义，仅表示一个相对大小。

所以任何一个模数转换器都要一个参考模拟量作转换的标准，比较常见的参考标准是最大的可转换信号大小。

而输出的数字量就表示输入信号相对参考信号的大小。

感应器发出的信号即使是经过放大后，依然不能直接被识别，仍需要一个转换器对初始信号进行翻译。

使用本设计中使用的称重传感器自带的A/D转换器可以解决本项目中容易被工频信号影响的缓慢变化的压力信号带来的诸多问题，这种转换器具有很强的抗干扰能力。

2.2.5示输出电路

数据经过处理之后需要进入到人机交互模块进行可视化。

电子秤的好处之一就是读数直观方便。

所以需要有一个显示输出电路。

一个好的显示方案意味着界面清晰，信息量满足需求，信息显示准确，一切宗旨都是为了客户的使用方便。

显示器除了具有使用方便的特点外，还应该有设计简单，成本低，功耗低，使用寿命长等特点。

2.3使用QuartusII实现仿真

QuartusII是一款综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、Verilog、VHDL等等多种输入形式，内部自由综合器和仿真器，可以完成设计、配置、仿真一系列完整的数字硬件电路设计流程，本软件可以在多种操作系统上使用，包括XP、Linux和Unix。

这款设计软件界面友好，操作简单，功能强大，是本项目所必须的开发软件。

尤其在本项目的仿真环节，本软件有不可取代的地位。

功能仿真，是在编译之前对所设计电路进行逻辑功能验证，这时的仿真没有延迟信息，只是对初步的功能进行一次检测。

仿真前，要先建立测试向量，仿真结果会生成报告文件与输出信号波形，从中可以观察各个节点的信号的变化。

如果发现出错，那么返回设计部分去修改逻辑设计。

功能仿真之后要进行综合优化，所谓综合就是把较高级抽象层次的描述转成较低层次的描述。

综合优化根据目标与逻辑连接，将层次设计平面化，供FPGA的布局布线软件来实现。

通俗地讲，也就是生成由与门、非门、或门、RAM、触发器等等逻辑单元组成的逻辑连接网表，这样真实直观的门级电路才可以被FPGA制造商用来布局布线。

综合后的仿真，一般被称为后仿，这次仿真是为了检测综合结果与原设计是否一致，在仿真时，把综合时生成的标准延时文件标注到综合仿真模型里去，可以估计门延时带来的影响大小，不过这个仿真也有一定缺陷，那就是连线的延时是无法估计的。

本设计中需要通过仿真确定运行正确后再烧制程序做出实物。

针对本项目的仿真先由各个模块单独进行功能仿真，最后再综合仿真，得到最终的仿真结果。

第3章　系统分析

3.1构架概述

3.1.1功能构架

根据需求调研结果确定本系统主要包括以下功能模块，如图3.1所示。

图3.1系统体系结构

3.1.2模块需求描述

（1）数据采集模块

对数据进行检测，采集，然后通过放大电路和A/D转换得到数字信号。

处理完成的数字信号才可以进入下一模块进行处理。

本模块需要重力传感器。

然而传感器发出的信号量级太小，A/D转换器很难处理，所以在两者之间先经过一个放大电路的增益处理。

（2）控制器模块

处理从数据采集模块和人机交互模块传送来的数据，对所称物体重量进行判断，对键盘输入信息进行处理，对物品价格进行计算和最终数据在数码管显示器上显示等问题进行处理。

本模块主要功能都通过软件来实现，内部有数据处理模块，数码管显示器控制模块和键盘控制模块。

（3）人机交互模块

键盘将价格和数量等数据输入给控制器模块，控制器模块进行整理运算后将信息结论显示在数码管上告知用户，达到人机交互的目的。

所以人机交互模块包括键盘输入模块和数码管显示器两部分。

3.2系统开发环境

软件开发环境：

QuartusII

Quartus是Altera公司开发的综合性PLD/FPGA开发软件，它支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等等多种设计输入形式，而且内嵌了综合器和仿真器，可以完成由设计到硬件配置这样完整的PLD设计流程。

Quartus具有完善的用户图形界面设计方式，它具有运行速度快，界面统一，易学易用，功能集中等特点。

Quartus支持Altera的IP核，包含LPM/MegaFunction宏功能模块库，用户利用这些成熟的模块，可以使设计的复杂性简化，加快设计速度。

尤其是其对第三方EDA工具良好的支持也使得客户可以在进行设计的各阶段使用自己顺手熟悉的EDA工具。

Quartus作为可编程逻辑设计环境的一种，因其直观易用的接口和强大的设计能力，越来越受数字系统设计者的青睐。

3.3系统任务的可行性分析

3.3.1控制器可行性

（1）单片机

所有兼容了intel8031指令系统的单片机都被称为51单片机，Flashrom技术的发展，使得8031单片机进展迅猛，应用变的非常广泛，很多公司都有针对51系列的兼容机型应用于工业测控系统，这种应用广泛的技术目前发展非常成熟，成本低，功耗低，体积小，而且运算能力很强，但是如果使用单片机进行设计，外围电路会非常复杂，给本设计带来更多难度。

最主要的是在大学学习过程中，对单片机技术接触不多，所以上手比较困难。

（2）现场可编程门阵列

也就是FPGA技术，本技术集成度高，程序下载烧制在一片小芯片上，减小了体积，逻辑单元更加灵活，适用范围也随之增大，本方案所用到的开发软件在大学学习过程中非常熟悉，而且这样的方案使得程序的调试更方便，系统的稳定性强，抗干扰，不用对外围电路进行任何改造或重新设计是最便利的一点。

所以相对比单片机方案，使用FPGA技术更适合本设计。

3.3.2前级放大电路可行性

（1）利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器

此方案会引入大量噪音，而A/D转换器需要很高的精度，噪音会对测量准确性造成比较大的影响，所以本方案不够理想。

（2）专为电子秤设计的HX711

此芯片含有稳压电源，而且有片内时钟震荡器等，这些都是在其他同类芯片中必不可少的外围电路，而本芯片将这些部分全部集成起来，这样高集成度的芯片具有更抗干扰，响应快的优点，而且放大电路直接在片上集成，这款芯片上的放大电路可以实现32倍、64倍以及128倍增益，不但减少了成本，而且提升了设计的性能。

综上，使用方案2中的HX711芯片方案比较好。

3.3.3A/D转换电路可行性

（1）逐次逼近型A/D转换器

逐次逼近顾名思义，其思路类似于用天平称物体时逐次加砝码逼近比较，这种方案目前使用最为广泛，它具有采样频率高，功耗低，不但高精度、高速度，而且十分省电，是很理想的转换器。

然而对于本设计，信号属于慢变形，本方案的高速性在本设计中完全体现不出来，而且本方案的高精度在本设计中也显得过于精准，是没有必要的，本方案放在本设计中发挥不出他的优点，而且浪费系统资源，大材小用，不是很理想的方案。

（2）HX711型A/D转换器

本方案精度高，反应慢，对于本设计，缓慢变化的压力信号很容易受工频信号影响，本转换器正好可降低对滤波电路的要求，本设计对转换器的速度要求不高，精度上它可以完全满足要求，强大的抗干扰能力和较低的价格都是其优点；而且本转换器自身集成了放大电路、稳压电源和时钟振荡器，给设计带来不少便利。

综上所述，方案2中的HX711型A/D转换器方案更好。

3.3.4显示电路可行性

（1）全部数码管显示

数码管要正常显示，就需要有驱动电路来对“8”字数码管的各个码段进行驱动，正是由于驱动的不同，数码管显示被分为动态和静态两种形式。

静态显示也叫直流驱动。

动态显示是本设计中可行的一种方案，这种类似于扫描的形式会逐个点亮各个需要亮起的码段，理论上这种逐个点亮只能使每个码段亮1-2ms，但是由于人的视觉暂留现象以及二极管的余辉效应，只要扫描足够快速，人眼不会感受到闪烁。

这样的设计节省了大量接口。

此方案编程简单，易于实现，而且晶体管成本低，电路连接不算非常复杂。

（2）使用LCD显示

LCD技术利用液晶的物理特性，通电时有序排列，光线通过，不通电时排列混乱，光线被阻隔无法通过