基于FPGA的实用电子称

沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节www.symcukf.com基于FPGA的实用电子称摘要：该设计以现场可编程门阵列FPGA为核心控制部件,并基于超高速硬件描述语言VHDL在Xilinx公司的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，数据采集、人机交互界面三大部分。最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器，数据采集部分由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。人机界面部分为键盘输入，点阵式液晶显示，软件基于VHDL语言实现了本设计的全部控制功能，包括基本的称重功能，和发挥部分的显示购物清单的功能，并增加了时钟、过载提示欠量程提示、语音提示等创新功能。整机系统结构简单，使用方便。功能齐全，精度高，具有一定的开发价值。关键词：电子称，计价，压力传感器，FPGA，VHDL第1页共33页沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节www.symcukf.com目录第一章系统方案的设计...........................................................41.1电子称的设计要求..........................................................41.1.1基本要求............................................................41.1.2发挥部分...........................................................41.1.3创新部分............................................................41.2设计的基本思路...........................................................41.3系统方案比较和论证.......................................................41.1.3控制器..............................................................41.3.2前级放大器..........................................................51.3.3A/D转换器..........................................................61.3.4显示输出电路........................................................61.4系统组成.................................................................7第二章单元电路设计.............................................................72.1称重传感器...............................................................72.2前端信号处理.............................................................82.3A/D转换电路..............................................................92.4主控制控制电路...........................................................102.5人机交互界面.............................................................112.5.1键盘接口电路.......................................................112.5.2LCD显示接口电路...................................................122.5.3LED数码管显示电路.................................................122.6日历时钟电路............................................................132.7电源电路................................................................142.8其它扩展电路............................................................142.8.1通讯接口电路......................................................142.8.2语音电路..........................................................152.8.3报警电路..........................................................16第2页共33页沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节www.symcukf.com第三章系统软件的设计..........................................................163.1开发软件及编程语言简介...................................................163.2系统软件的设计...........................................................163.1.1软件率程序流程.....................................................163.1.2VHDL模块设计......................................................173.2.3程序设计顶层映射原理...............................................193.3程序清单及仿真..........................................................19第四章系统测试................................................................214.1测试仪器清单.............................................................214.2测试方法.................................................................214.3测试结果和误差分析.......................................................214.3.1测试结果...........................................................214.3.2误差计算及分析.....................................................22第五章设计总结................................................................22参考文献........................................................................22附录１主要元器件清单...........................................................23附录2印制板图.................................................................23附录3程序清单.................................................................24第3页共33页沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节www.symcukf.com第一章系统方案的设计1.1电子称的设计要求1.1.1基本要求1)能用简易键盘设置单价，加重后能同时显示重量、金额和单价；2)重量显示：单位为公斤；最大称重为9.999公斤，重量误差不大于±0.005公斤；3)单价金额及总价金额显示：单价金额和总价金额的单位为元，最大金额数值为9999.99元，总价金额误差不大于0.01元；4)具有去皮功能和总额累加计算功能。1.1.2发挥部分能显示购物清单，自拟10种商品名称或代号，清单内容包括：商品名称，数量，单价，金额，本次购物总金额。1)清单内容的商品名称等可使用代号显示；2)清单内容增加购货日期和收银员编号；3)清单内容在（2）的基础上增加售货单位名称（自拟），且全部内容采用中文显示。1.1.3创新部分在完成基本要求和题目所提出的发挥部分要求的情况下，考虑到电子称实际应用的需要，又增加了时钟功能，另外由于实际当中，称可以有一定量的过载，但不能超出要求的范围，为此我们还设计了过载提示功能。1.2设计的基本思路题目要求设计一个实用电子称，按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块完成对来自稳重传感器器的电压信号的检测、放大、AD转换。此时的数字信号送给控制器处理，由控制器完成被测物体重量的判断、显示等功能。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。在扩展功能上，本设计增加了一个时钟芯片（PCF8563）用以显示购物日期/时钟，一个声光报警电路用以过载提示。1.3系统方案比较和论证1.3.1控制器方案一基于51系列单片机来实现。目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量，由于系统需要的按键较多，因此要加一个键盘显示管理芯片（ZLG7289）原理方框图如图1.3.1所示。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点.但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。使用这种方案会给系统设计带来一定的难度。第4页共33页沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节www.symcukf.comMCUAT89S52放大器AD转换器显示器键盘电路时钟芯片传感信号ZLG7289图1.3.1单片机实现方案原理框图方案二采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心采用现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心，利用EDA软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片Xilinx公司的SpartanⅡ系列XC2S100E芯片上，体积大大减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。采用FPGA测频测量精度高，测量频率范围大，而且编程灵活、调试方便，本设计要求的精度较高，所以要求系统的稳定性要好，抗干扰能力要强。因此，我们决定采用方案二，即采用FPGA为控制核心。1.3.2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。我们考虑可以采用以下几种方案可以采用：方案一利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。