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基于FPGA的动态轨道衡硬件电路设计

1引言

动态轨道衡是一种对运行中的列车（标准四轴货车）进行自动称重的计量设备，是集传感器技术、微电子技术、计算机控制及测试技术、机械制造

自动化技术、物料输送和管理技术等为一体的综合技术，是现代称重计量和控制系统工程的重要技术基础。应用电子称重技术开发的电子称重系

统，具有广阔的应用领域和较强的渗透性，同其它高技术产业一样，电子衡器产业也是国家经济和科学竞争的重要组成部分之一[1]。

电子定量包装秤是电子称重技术在定量系统中的具体应用，是将机械、电气、电子、计算机、自动控制与衡器等融为一体的智能机电结合计量设

备。它是一种按照事先设计的方法和程序，将大宗颗粒物料分成预定质量的小份载荷形式的自动称量设备。其技术原理是称重台面将列车重量传递

至传感器，传感器将重量转换为电压信号，模/数转换系统将电压信号转换为数字信号，再由计算机处理，得出每节车重量、速度，从而实现对货

物列车的自动称重[2]。

2动态轨道衡的设计方案

2.1动态轨道衡硬件组成原理

图表的标注：图片标注在下方，现在的动态轨道衡基本上以电子式为主，电子式动态轨道衡由承重台、称重传感器、称重显示控制器等组成。承重

台是支承货物列车的平台；称重传感器将重量信号转变成便于测试的电信号；称重显示控制器的核是微处理器，并包括信号放大、滤波、A/D转

换、显示、串行通讯等模块，可将称重值存储并显示。有的动态轨道衡配在上位机，可将称重显示控制器的称重信号传递到上位机上，便于远程监

控和管理[3]。动态轨道衡硬件组成原理如所示。

2.2数据采集模块电路设计

动态轨道衡的称重流程如下：首先，载有货物的火车经过轨道衡，由传感器采集压力信号，再经过硬件电路处理，即数据采集模块；其次，将数据

采集模块出来的信号经过传输到达数据处理分析模块，对采集的信号进行分析与处理，再次，将该信号保存，换算成重量信息进行显示、保存或打

印；最后，结束称重。称重流程见所示。

该系统的关键技术是数据采集模块的设计，本设计采用了压力传感器与剪力传感器采集信号，将它们采集的信号送到硬件电路，由于传感器采集的

信号只有十几毫伏，而ADC0809对输入模拟量的要求是：信号单极性，电压范围是0~5V。若信号太小，必须进行放大，所以，传感器采集的信号

必须经过放大后才能输入ADC0809中进行模数转换。本设计采用了ADC0809对其信号进行处理，并利用FPGA控制A/D转换器的工作，使之快

速得到想要的数字信号。

2.3动态轨道衡的调理电路设计

动态轨道衡硬件系统组成原理如所示，目前常用的动态轨道衡器采集称重数据的原理是利用压力传感器和剪力传感器采集数据，将压力转化为电压

信号，输出微小的称重模拟信号，经过信号放大后传送到整理电路，之后到A/D转换器，A/D转换后所得数字信号由UART按照一定的通信协议进

行处理，最后传送计算机并按照用户需要打印、保存或传送。其中，A/D转换和串口发送均由FPGA控制。

2.3.1传感器的选择与性能分析

选择传感器要考虑以下几点：

(1)数量的选择

根据电子称重系统的用途、秤体需要采集数据的路数而定，根据实际情况，系统需要采集8路数据，其中采用了4个压力传感器和4个剪力传感

器。
(2)量程的选择

根据被测压力的大小确定传感器的量程。根据经验，一般应使传感器工作在其30%~70%量程内，但对于一些在使用过程中存在较大冲击力的动态

称重系统，在选择传感器时，一般要扩大其量程，使传感器工作在其量程的20%~30%之内，以增大传感器称重储备量，保证传感器的使用安全和

寿命。

(3)准确度的选择

称重传感器准确度等级的选择，以满足称重系统的准确度要求为准，切不可片面追求高的准确度等级。若在同一称重系统内使用了n只并联使用的

结构相同、型式相同、额定负荷相同的称重传感器，则由误差传递公式可得，其综合误差r为：r=σ/n，式中σ表示单个称重传感器的综合误差；n

表示称重传感器的个数，因此，由上式可以看出，n个称重传感器并联后，其总的综合误差r是单个称重传感器综合误差的1/n倍。即总的综合误

差反而小了。这是由于单个称重传感器的误差可看作是服从统计规律的，它有大、有小、有正、有负在并联后，其误差相互抵消一部分，所以总的

综合误差反而小了。

(4)使用环境及介质性能的考虑

根据环境条件和被测介质的性能综合选择。

(5)传感器型号

传感器型号的选择要考虑各种类型传感器的适用范围。这主要取决于称量的类型和安装空间，保证安装合适，称量安全可靠。总之，既要从各方面

提高要求，又要考虑经济效益，确保达到高性价比。从上述几点综合考虑，我们选用了德国HBMC16AD1称重传感器。