PAGEPAGE22基于FPGA的電子秤設(shè)計摘要：針對電子秤稱重設(shè)備智能化與高精度需求，本研究設(shè)計了基于FPGA的電子秤方案，核心采用CycloneⅣE系列EP4CE6F17C8N芯片，構(gòu)建包含數(shù)據(jù)采集、人機交互與智能控制的系統(tǒng)架構(gòu)。硬件層面，數(shù)據(jù)采集模塊選用HX711稱重傳感器與A/D轉(zhuǎn)換套裝，實現(xiàn)重量信號放大、24位模數(shù)轉(zhuǎn)換及抗干擾處理，通過FPGA時序控制精準讀取數(shù)據(jù)。人機交互界面集成獨立鍵盤與LCD顯示器，支持單價輸入、去皮、累加功能，分區(qū)域?qū)崟r顯示重量與價格，操作便捷高效。軟件基于Verilog語言開發(fā)控制程序，通過QuartusII完成邏輯編譯、仿真及下載，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、鍵盤響應(yīng)與顯示驅(qū)動的協(xié)同控制，兼具FPGA硬件靈活性與軟件可編程優(yōu)勢。關(guān)鍵技術(shù)上，HX711的高增益放大與抗干擾設(shè)計，結(jié)合FPGA并行時序控制，保障了信號采集的高精度；系統(tǒng)架構(gòu)整合低成本硬件資源，滿足工業(yè)與商業(yè)計量對高精度、低功耗的需求。測試表明，裝置在5kg量程內(nèi)穩(wěn)定運行，重量與價格顯示誤差可控，功能響應(yīng)準確。關(guān)鍵詞：EDA技術(shù)；FPGA；稱重傳感器；HX711PAGEPAGE22FPGA-basedelectronicscaledesignAbstract:Inresponsetothedemandsforintelligenceandhighprecisioninelectronicscaleweighingequipment,thisstudydesignsanelectronicscalesolutionbasedonFPGA.ThecorecomponentadoptstheCycloneIVEseriesEP4CE6F17C8Nchip,andbuildsasystemarchitecturethatincludesdataacquisition,human-machineinteraction,andintelligentcontrol.Atthehardwarelevel,thedataacquisitionmoduleselectstheHX711loadcellsensorandA/Dconversionkittoachievesignalamplification,24-bitanalog-to-digitalconversion,andanti-interferenceprocessing.TheFPGAtimingcontrolisusedtoaccuratelyreadthedata.Thehuman-machineinteractioninterfaceintegratesanindependentkeyboardandLCDdisplay,supportingunitpriceinput,tare,andaccumulationfunctions.Itdisplaysweightandpriceinrealtimeindifferentareas,providingconvenientandefficientoperation.ThesoftwareisdevelopedusingVeriloglanguagetocontroltheprogram,andthelogiccompilation,simulation,anddownloadarecompletedthroughQuartusII,achievingcoordinatedcontrolofdataprocessing,keyboardresponse,anddisplaydriving.ItcombinestheflexibilityofFPGAhardwarewiththeprogrammabilityofsoftware.Intermsofkeytechnologies,thehigh-gainamplificationandanti-interferencedesignofHX711,combinedwiththeparalleltimingcontrolofFPGA,ensurethehighprecisionofsignalacquisition.Thesystemarchitectureintegrateslow-costhardwareresources,meetingtherequirementsofhighprecisionandlowpowerconsumptioninindustrialandcommercialmeasurement.Testsshowthatthedeviceoperatesstablywithina5kgrange,withcontrollableerrorsinweightandpricedisplay,andaccuratefunctionalresponses.Keywords：EDA,technology,FPGA,Loadcells,HX711目錄TOC\o"1-3"\h\u7355畢業(yè)論文（設(shè)計）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 I28081摘要 II30656Abstract: III223161緒論 189091.1研究意義與背景 167001.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 175481.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1119531.2.2國外研究現(xiàn)狀 2254332研究內(nèi)容與目標 380552.1研究內(nèi)容 3256052.2研究目標 3220363系統(tǒng)硬件設(shè)計 43663.1系統(tǒng)硬件總體框圖 4309083.2數(shù)據(jù)采集模塊 4278883.2.1重力傳感器 4285243.2.2放大電路與A/D轉(zhuǎn)換 5169863.3主控模塊 749563.3.1芯片的選擇 7307573.3.2FPGA芯片的特性 7252983.4人機交互模塊 8139223.4.1矩陣鍵盤 894323.4.2LCD顯示 8292344系統(tǒng)軟件設(shè)計 108694.1基于QuartusII的軟件開發(fā)環(huán)境 10229674.2系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計 1061294.3核心模塊設(shè)計與實現(xiàn) 11155894.3.1頂層模塊 1114264.3.2HX711模塊 12168054.3.3重量計算模塊 12217744.3.4按鍵模塊 13261374.3.5設(shè)置單格模塊 13108984.3.6計算價格模塊 14107644.3.7顯示模塊 14271034.3.8總結(jié) 15165925系統(tǒng)測試與驗證 16177155.1測試方案制定 16304845.2測試結(jié)果 16215685.3測試誤差分析 1852505.3.1傳感器固有誤差 18317085.3.2數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差 18325415.3.3其他誤差 18297926設(shè)計不足及創(chuàng)新點 19221976.1設(shè)計不足 19275956.2設(shè)計創(chuàng)新點 1912533結(jié)論 2027170參考文獻 21PAGEPAGE221緒論1.1研究意義與背景電子秤是指裝有電子裝置的秤，而秤是指利用作用在物體上的重力來測量其質(zhì)量的計量器具REF_Ref25108\r\h[1]。同時按照JJG539—2016《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程的要求，符合電子秤的最基本特征，規(guī)程中計量性能的要求和通用技術(shù)要求規(guī)定電子秤應(yīng)當遵守相關(guān)的準則才算是合格REF_Ref25213\r\h[2]。在數(shù)字化與智能化技術(shù)深度融合的時代背景下，電子秤作為計量領(lǐng)域的核心設(shè)備，其精確化、便捷化與功能集成化需求日益凸顯。電子產(chǎn)品生產(chǎn)所需物料種類多數(shù)量大，人工計數(shù)降低了生產(chǎn)效率，設(shè)計電子計數(shù)秤，通過對物料進行測量直接顯示，有利于提高生產(chǎn)效率REF_Ref25327\r\h[3]。傳統(tǒng)電子秤多依賴單片機或固定邏輯電路，存在靈活性不足、擴展能力有限及高精度信號處理成本高等問題，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化、商業(yè)智能計量及家用場景的多樣化需求?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）憑借其硬件可編程特性、高速并行處理能力及高集成度優(yōu)勢，為電子秤的智能化升級提供了新路徑。通過FPGA可靈活配置邏輯單元，實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)處理與人機交互的深度協(xié)同，有效提升系統(tǒng)的適應(yīng)性和性價比。本研究聚焦基于FPGA的電子秤設(shè)計，旨在突破傳統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)瓶頸。一方面，結(jié)合電阻應(yīng)變式稱重傳感器與HX711專用A/D轉(zhuǎn)換芯片，解決微弱信號放大、抗干擾及高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵問題，滿足工業(yè)級計量對穩(wěn)定性與精度的要求；另一方面，通過FPGA邏輯編程實現(xiàn)單價設(shè)置、累加計算、去皮等多功能集成，配合LCD顯示與獨立鍵盤輸入，構(gòu)建直觀高效的人機交互界面。研究成果不僅為電子秤的小型化、低功耗設(shè)計提供技術(shù)參考，還可推動FPGA在智能傳感設(shè)備中的跨領(lǐng)域應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)優(yōu)勢：國內(nèi)廠商在中低端市場占據(jù)主導地位。香山衡器、上海英展、凱豐集團等企業(yè)憑借成本控制優(yōu)勢，主導商用電子秤、家用體重秤等中低端領(lǐng)域。以香山衡器為例，其自主研發(fā)稱重傳感器使成本降至進口產(chǎn)品率，通過推出智能體脂秤等多元化產(chǎn)品。?政策與市場需求共同驅(qū)動行業(yè)發(fā)展。受中國制造業(yè)升級及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普及推動，電子秤智能化進程加速REF_Ref25431\r\h[4]。珠三角、長三角地區(qū)形成從傳感器制造到整機集成的完整產(chǎn)業(yè)鏈體系，例如深圳杰曼生產(chǎn)的工業(yè)級電子秤采用國產(chǎn)HX711芯片，較進口方案成本降低30%，凸顯本土產(chǎn)業(yè)鏈配套優(yōu)勢。國內(nèi)的不足：高端技術(shù)依賴進口。目前，萬分之一精度的高精度傳感器、24位ADC等專用A/D轉(zhuǎn)換芯片仍主要依賴美國德州儀器、ADI等企業(yè)供應(yīng)，導致國內(nèi)企業(yè)在實驗室天平、醫(yī)療衡器等高端領(lǐng)域的市場份額不足15%。準化與認證存在短板。雖然中國計量科學研究院已具備OIML證書發(fā)證資質(zhì)，但國內(nèi)企業(yè)獲得國際OIML認證的產(chǎn)品數(shù)量僅占全球少數(shù)。1.2.2國外研究現(xiàn)狀國外的優(yōu)勢：技術(shù)壟斷與品牌壁壘顯著。歐美企業(yè)如梅特勒-托利多REF_Ref25497\r\h[5]、賽多利斯主導高精度稱重技術(shù)及智能算法領(lǐng)域，占據(jù)全球高端市場超絕大部分份額。如賽多利斯工業(yè)秤內(nèi)置AI算法，能自動校準溫度漂移。全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)整合優(yōu)勢突出，日本石田多頭組合秤運用自研ASIC芯片，廣泛用于食品包裝；德國SICK光學稱重技術(shù)突破傳統(tǒng)電學限制，精度達十萬分之一。國際標準制定權(quán)方面，歐美企業(yè)占據(jù)主導的OIML衡器標準制定，其產(chǎn)品天然契合全球貿(mào)易合規(guī)要求，國內(nèi)企業(yè)則需額外支付認證成本。國外的不足：中低端市場競爭力方面市場份額不足，主因生產(chǎn)成本高，如德國賽多利斯基礎(chǔ)款電子秤售價達國產(chǎn)同類產(chǎn)品3倍。新興技術(shù)應(yīng)用上，國內(nèi)企業(yè)快速布局健康管理、電商直播稱重等智能場景，而國外品牌在物聯(lián)網(wǎng)、AI功能集成迭代較慢，例如香山衡器智能體脂秤可實現(xiàn)14項身體指標分析，歐姆龍同類產(chǎn)品僅覆蓋8項。供應(yīng)鏈層面，歐美企業(yè)在華依賴進口零部件，交貨周期平均8周，國內(nèi)廠商借助本土供應(yīng)鏈可實現(xiàn)2周內(nèi)交付，凸顯本地化優(yōu)勢。2研究內(nèi)容與目標2.1研究內(nèi)容本研究聚焦基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的電子秤設(shè)計REF_Ref25696\r\h[6]，通過硬件可編程特性與軟件邏輯控制的結(jié)合，構(gòu)建高效靈活的智能稱重系統(tǒng)。核心內(nèi)容包括：系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計：以FPGA為核心，整合數(shù)據(jù)采集、人機交互與智能控制模塊。數(shù)據(jù)采集模塊采用HX711稱重傳感器與A/D轉(zhuǎn)換套裝，實現(xiàn)重量信號的放大（增益128倍）與24位模數(shù)轉(zhuǎn)換；人機交互模塊集成獨立鍵盤（支持單價輸入、去皮、累加等功能）與LCD顯示器（分區(qū)域顯示重量與價格）。硬件與軟件實現(xiàn)：硬件層面設(shè)計傳感器信號放大電路、抗干擾濾波電路及FPGA最小系統(tǒng)板；軟件基于Verilog語言開發(fā)控制程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理（重量-價格計算）、鍵盤響應(yīng)（消抖與指令解析）及顯示驅(qū)動（動態(tài)刷新時序控制），借助QuartusII完成邏輯編譯與仿真驗證。系統(tǒng)測試與優(yōu)化：通過實物調(diào)試驗證系統(tǒng)功能，包括初始化校準、量程測試（5kg內(nèi)）、誤差分析（重量誤差≤5%）及功能穩(wěn)定性（連續(xù)操作無故障），優(yōu)化硬件布局與軟件算法以提升抗干擾能力和響應(yīng)速度。2.2研究目標(1)核心功能實現(xiàn)：設(shè)計一款具備基礎(chǔ)稱重、單價設(shè)置、總價計算及分區(qū)域顯示功能的電子秤原型。(2)性能指標優(yōu)化：控制重量誤差范圍、價格計算誤差的精確性，確保人機交互流暢與計量精度。(3)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用：驗證FPGA在低成本電子秤中的可行性，利用其硬件優(yōu)勢提升系統(tǒng)靈活性，探索HX711芯片與FPGA的協(xié)同優(yōu)化。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件總體框圖本系統(tǒng)以FPGA為核心控制單元，圍繞“數(shù)據(jù)采集-處理-交互”的核心流程，構(gòu)建了包含數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊與人機交互模塊的三層硬件架構(gòu)。數(shù)據(jù)采集模塊：包含重力傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和鍵盤。重力傳感器感知重量信號，經(jīng)放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，鍵盤用于輸入操作。主控模塊：集成數(shù)據(jù)處理、鍵盤控制和顯示驅(qū)動功能。負責處理數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)男盘?，對信號進行計算，響應(yīng)鍵盤操作，并驅(qū)動顯示模塊。人機交互模塊：通過LCD顯示屏展示處理后的信息，實現(xiàn)與用戶的交互。各層功能通過硬件電路設(shè)計與Verilog代碼邏輯深度協(xié)同實現(xiàn)，代碼中模塊的功能定義與時序控制直接支撐了架構(gòu)的可靠性與實用性?？傮w框圖如圖3-1所示：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1系統(tǒng)總體框圖3.2數(shù)據(jù)采集模塊3.2.1重力傳感器信號感知層是系統(tǒng)的“輸入前端”，核心任務(wù)是將物理重量轉(zhuǎn)換為FPGA可處理的數(shù)字信號。重力傳感器是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置，在測量過程中，把重物放在稱重傳感器上，其表面彈性體會發(fā)生塑性變形REF_Ref25774\r\h[7]。利用金屬電阻應(yīng)變片受應(yīng)變而變化的效應(yīng)，安裝在彈性體上的金屬電阻應(yīng)變片可以將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電子信號REF_Ref25784\r\h[8]。稱重傳感器采用電阻應(yīng)變式，其原理如圖3-2所示：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC2惠斯通電橋原理圖結(jié)構(gòu)組成稱重傳感器通常由彈性體、電阻應(yīng)變片和惠斯通電橋構(gòu)成。電阻應(yīng)變片粘貼在彈性體表面，當彈性體受力變形時，應(yīng)變片也隨之變形，進而引起電阻值變化。多個電阻應(yīng)變片連接成惠斯通電橋，常見為四臂電橋，即圖3-2中的R1-?R1、R2+?R2、R3-?R3、R4+?R4REF_Ref26173\r\h[9]。工作過程(1)無載荷時：電橋處于平衡狀態(tài)，四個橋臂電阻滿足R1×R3=R2×R4，此時輸出電壓Eout=0。(2)有載荷時：彈性體在重物作用下產(chǎn)生變形，粘貼在其上的電阻應(yīng)變片也發(fā)生變形。受拉的應(yīng)變片電阻值增大（如R2和R4增加?R)，受壓的應(yīng)變片電阻值減?。ㄈ鏡1和R3減小?R)。這樣電橋平衡被打破，不再滿足R1×R3=R2×R4，從而有輸出電壓Eout產(chǎn)生。3.2.2放大電路與A/D轉(zhuǎn)換本設(shè)計選用海芯科技研發(fā)的HX711型A/D轉(zhuǎn)換器，該器件專為電子秤應(yīng)用場景量身打造，具備高精度與易用性的顯著優(yōu)勢，通過集成化設(shè)計將低噪聲放大器與24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器融合，有效簡化了硬件電路復雜度，同時提升了信號處理的可靠性。稱重傳感器（電阻應(yīng)變式）受重時輸出的電壓信號極為微弱（滿量程僅約10mV），無法直接被FPGA讀取。A/D放大器模塊的核心任務(wù)是：(1)信號放大：將傳感器輸出的微弱模擬信號放大至A/D轉(zhuǎn)換器可處理的范圍（HX711內(nèi)置可編程放大器，增益可選32/64/128倍，本設(shè)計選用128倍增益模式，匹配5kg量程的信號強度）；(2)模數(shù)轉(zhuǎn)換：將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換為24位數(shù)字信號，通過串口（PD-SCK與DOUT）傳輸至FPGA，為后續(xù)重量計算提供高精度原始數(shù)據(jù)；(3)抗干擾增強：集成穩(wěn)壓電路與低通濾波功能，抑制環(huán)境噪聲（如工頻50Hz干擾），確保信號在放大與轉(zhuǎn)換過程中的穩(wěn)定性。一般而言，A/D轉(zhuǎn)換需外部電源維持正常運行，且需配備穩(wěn)定信號的電路，而HX711型轉(zhuǎn)換器創(chuàng)新地將穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩等外圍電路集成于一體，內(nèi)置可編程低噪聲放大器，其增益上限可達128倍。這種高度集成化設(shè)計不僅有效降低了生產(chǎn)成本，還顯著提升了整體設(shè)計性能。此外，該芯片自帶的模擬電路能夠同時為A/D轉(zhuǎn)換模塊及外部傳感器供應(yīng)模擬電源。其電源電路及芯片管腳的具體情況，分別如圖3-3和圖3-4所示。放大電路與A/D放大器二者之間的關(guān)系可參考圖3-5。傳感器所采集的信號首先會通過左側(cè)的4個管腳經(jīng)行傳輸至HX711模塊，在該模塊中完成信號的放大以及數(shù)模轉(zhuǎn)換操作。經(jīng)過處理后的信號隨后會被管腳12傳送至FPGA，由FPGA開展后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作REF_Ref26342\r\h[11]。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC3電源電路圖3-SEQ圖3-\*ARABIC4HX711A/D轉(zhuǎn)換芯片引腳圖圖3-SEQ圖3-\*ARABIC5A/D轉(zhuǎn)換電路圖3.3主控模塊3.3.1芯片的選擇主控模塊以FPGA為核心，承擔信號解析、數(shù)據(jù)計算與功能調(diào)度，是架構(gòu)的“大腦”。本設(shè)計選用芯片為EP4CE6F17C8N。(1)核心需求匹配1)高精度稱重：電子秤需對傳感器輸出的模擬信號進行高速采樣（如24位ADC，采樣率≥100Hz），F(xiàn)PGA的并行處理能力可實時完成數(shù)字濾波（去除噪聲）、溫度補償（校準算法）、浮點運算（單位換算），避免單片機的串行處理延遲。2)功能擴展性：課題計劃添加價格轉(zhuǎn)換等功能，F(xiàn)PGA可通過硬件邏輯自定義接口（如UART、SPI）和算法模塊，后期若需增加藍牙通信或LCD觸控顯示，僅需在現(xiàn)有邏輯中添加IP核，無需修改硬件電路。3)實時性要求：在檢測到重量時立即觸發(fā)（響應(yīng)時間＜1ms），F(xiàn)PGA的硬件級信號處理可確保低延遲，而單片機可能因任務(wù)調(diào)度導致響應(yīng)滯后REF_Ref26440\r\h[12]REF_Ref26453\r\h[13]。(2)單片機的局限性若采用單片機，復雜的數(shù)字信號處理（如高精度校準算法）需依賴軟件實現(xiàn)，可能占用大量CPU資源，導致顯示刷新或通信功能卡頓。單片機的ADC外設(shè)精度通常為12-16位，若課題要求24位高精度采集，需外接獨立ADC芯片，增加電路復雜度；而FPGA可直接驅(qū)動高速ADC，并通過硬件邏輯實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。(3)結(jié)論選擇FPGA芯片的理由；1)技術(shù)優(yōu)勢：并行處理、硬件可重構(gòu)、高速數(shù)據(jù)處理能力完全滿足電子秤高精度、實時性、可擴展的設(shè)計目標。2)課題定位：聚焦FPGA技術(shù)應(yīng)用，通過自定義邏輯電路實現(xiàn)核心功能，體現(xiàn)課題的技術(shù)深度與創(chuàng)新性。3)長期價值：掌握FPGA設(shè)計方法對未來嵌入式系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等領(lǐng)域的學習具有遷移性，遠超單片機的單一軟件開發(fā)能力。3.3.2FPGA芯片的特性EP4CE6F17C8N是英特爾CycloneIVE系列的一款高性能FPGA芯片，專為低成本、低功耗應(yīng)用設(shè)計，尤其適用于需要實時數(shù)據(jù)處理和靈活邏輯控制的場景。以下是其核心特性的詳細解析：代碼中主控制模塊與數(shù)據(jù)處理模塊的協(xié)同設(shè)計，體現(xiàn)了FPGA硬件并行處理的優(yōu)勢：信號解析：鍵盤輸入通過矩陣掃描實現(xiàn)（代碼中鍵盤掃描模塊的行掃描-列檢測狀態(tài)機），通過消抖算法（如20ms延時計數(shù)）過濾按鍵抖動，確保鍵值（如單價輸入、去皮指令）的準確識別。數(shù)據(jù)計算：重量數(shù)據(jù)經(jīng)HX711轉(zhuǎn)換后，代碼中重量處理模塊通過線性校準算法，將24位原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際重量值，并結(jié)合單價計算總價。功能調(diào)度：FPGA通過時分復用技術(shù)并行處理多任務(wù)（如同時讀取HX711數(shù)據(jù)、掃描鍵盤、刷新顯示），代碼中通過頂層模塊的所有模塊分配不同時鐘周期的任務(wù)，確保各模塊無沖突運行。3.4人機交互模塊于客戶而言，人機交互界面的設(shè)計標準較高，信息呈現(xiàn)的直觀性是其基本需求。本設(shè)計選用LCD顯示器，并將其劃分為兩個功能區(qū)域：其一用于實時顯示物品重量；其二負責呈現(xiàn)價格信息。3.4.1矩陣鍵盤在鍵盤設(shè)計方面，采用4×4矩陣鍵盤由16個按鍵組成，按4行4列排列，通過行列交叉點實現(xiàn)按鍵映射。其核心優(yōu)勢是節(jié)省IO接口：僅需8個IO引腳（4行+4列）即可控制16個按鍵，相比獨立按鍵（需16個IO）節(jié)省50%的硬件資源，適用于單片機、FPGA等IO資源有限的嵌入式系統(tǒng)。同時配置單價設(shè)置、去皮、重置等功能按鍵，能夠滿足用戶在稱重計價過程中的各類操作需求REF_Ref26564\r\h[14]。鍵盤模塊的具體布局與按鍵分布情況，如圖3-6所示：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC6鍵盤模塊3.4.2LCD顯示本設(shè)計采用的LCD（LiquidCrystalDisplay）顯示屏由大量微小像素單元構(gòu)成顯示區(qū)域，這些像素單元以矩陣形式緊密排列，共同構(gòu)成完整的顯示畫面。當特定像素單元接收驅(qū)動電信號后，會依據(jù)信號參數(shù)呈現(xiàn)對應(yīng)的亮度與色彩，通過不同像素單元的亮暗及色彩組合，實現(xiàn)文字、圖像乃至動態(tài)視頻的多樣化顯示。LCD像素單元的核心組件為夾置于兩片玻璃基板之間的液晶有機材料，其周圍集成了控制電極與驅(qū)動電路，用于調(diào)控液晶分子的排列狀態(tài)。由于液晶分子狀態(tài)切換所需驅(qū)動電壓較低（通常為幾伏特量級），且工作電流極小，因而具備顯著的低功耗與穩(wěn)定運行特性。根據(jù)液晶分子排列方式及驅(qū)動機制的差異，LCD主要分為TN（扭曲向列型）、IPS（平面轉(zhuǎn)換型）、VA（垂直取向型）等類型：TN型響應(yīng)速度快但可視角度較窄，IPS型具備廣視角優(yōu)勢但響應(yīng)速度稍慢，VA型則以高對比度為特點，不過響應(yīng)速度亦非最優(yōu)。在電氣連接模式方面，LCD可分為正性與負性兩種顯示模式：若像素電極公共端接高電位，通過控制各像素電極的低電位信號實現(xiàn)顯示驅(qū)動，稱為正性液晶顯示模式；反之，當公共端接低電位，通過高電位信號驅(qū)動像素電極時，則稱為負性液晶顯示模式。LCD顯示屏的顯示能力極為多元，除了支持0-9數(shù)字、A-Z字母等基礎(chǔ)字符顯示，還可呈現(xiàn)復雜圖形、動態(tài)視頻及細膩色彩過渡效果，廣泛應(yīng)用于電視、計算機顯示器、移動終端屏幕等各類顯示設(shè)備。本LCD顯示器模塊如圖3-7所示：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC7LCD液晶顯示模塊4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1基于QuartusII的軟件開發(fā)環(huán)境軟件開發(fā)的環(huán)境為：QuartusIIQuartus是英特爾推出的一款功能強大的FPGA和CPLD開發(fā)軟件，在數(shù)字電路設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。下面從五個方面對其進行介紹：Quartus支持多種設(shè)計輸入方式，能滿足不同開發(fā)者的習慣和需求。對于新手或者注重整體架構(gòu)的開發(fā)者，它提供了原理圖輸入方式，可通過繪制邏輯圖直觀地搭建電路結(jié)構(gòu)。而對于有一定編程基礎(chǔ)的開發(fā)者，支持使用硬件描述語言（HDL），如VHDL和Verilog進行代碼編寫。在軟件編譯中是將設(shè)計代碼轉(zhuǎn)化為硬件電路的關(guān)鍵步驟，Quartus在這方面表現(xiàn)出色。它采用了先進的編譯算法，能夠快速完成編譯過程，大大節(jié)省了開發(fā)時間。在編譯過程中，軟件會對設(shè)計進行全面的優(yōu)化，包括邏輯優(yōu)化、資源分配優(yōu)化和時序優(yōu)化等。在硬件設(shè)計中，仿真驗證是確保設(shè)計正確性的重要環(huán)節(jié)。Quartus提供了功能仿真和時序仿真兩種模式。功能仿真主要驗證設(shè)計的邏輯功能是否正確，不考慮電路中的延遲因素，能快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的邏輯錯誤。Quartus集成了大量的IP核，這些IP核是經(jīng)過驗證的、可復用的硬件模塊，涵蓋了通信、存儲、數(shù)字信號處理等多個領(lǐng)域。使用這些IP核可以大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)難度。例如，開發(fā)者在設(shè)計一個通信系統(tǒng)時，無需從頭開始設(shè)計復雜的通信協(xié)議，只需調(diào)用Quartus提供的以太網(wǎng)IP核即可。完成設(shè)計和驗證后，需要將設(shè)計文件下載到FPGA或CPLD器件中。Quartus提供了便捷的編程配置功能，支持多種編程方式，如JTAG、AS和PS等。開發(fā)者可以根據(jù)實際需求選擇合適的編程方式。同時，軟件在編程過程中會進行嚴格的錯誤檢查，確保設(shè)計文件正確無誤地下載到器件中。4.2系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計軟件系統(tǒng)按功能劃分為四大核心模塊，各模塊通過信號接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，邏輯上相互獨立但時序上嚴格同步，各模塊關(guān)系見圖4-1所示。(1)數(shù)據(jù)采集控制模塊：負責HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時序驅(qū)動與原始數(shù)據(jù)讀??；(2)數(shù)據(jù)處理模塊：完成重量校準、濾波及價格計算；(3)人機交互模塊：實現(xiàn)鍵盤掃描、按鍵消抖及LCD顯示驅(qū)動；(4)系統(tǒng)調(diào)度模塊：協(xié)調(diào)各模塊運行時序，避免資源沖突。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC1軟件架構(gòu)總覽4.3核心模塊設(shè)計與實現(xiàn)4.3.1頂層模塊電子秤頂層模塊程序，用于調(diào)用HX711采集模塊程序、重力計算程序、價格初始化程序、LCD液晶顯示模塊程序、矩陣鍵盤模塊程序。各模塊關(guān)系間的數(shù)據(jù)流如圖4-2圖4-SEQ圖4-\*ARABIC2數(shù)據(jù)流架構(gòu)總覽4.3.2HX711模塊對基于24位高精度AD轉(zhuǎn)換器HX711的電子秤重進行了研究，對稱重傳感器和AD轉(zhuǎn)換器的選型進行了對比分析REF_Ref26636\r\h[15]。HX711模塊是系統(tǒng)的“信號入口”，負責將稱重傳感器輸出的微弱模擬信號轉(zhuǎn)換為FPGA可處理的數(shù)字信號。其設(shè)計核心是嚴格遵循芯片時序，確保24位數(shù)據(jù)的精準讀取。見圖4-3.圖4-SEQ圖4-\*ARABIC3RTL-HX711模塊圖(1)時序控制邏輯：軟件通過狀態(tài)機驅(qū)動HX711運行，劃分為4個狀態(tài)：1)IDLE（空閑）：初始狀態(tài)，PD-SCK保持低電平，等待啟動指令；2)START（啟動轉(zhuǎn)換）：輸出25個PD-SCK時鐘脈沖（高電平≥50ns，低電平≥60ns），觸發(fā)HX711開始模數(shù)轉(zhuǎn)換；3)READ_DATA（讀取數(shù)據(jù)）：在PD-SCK的每個下降沿讀取DOUT引腳數(shù)據(jù)（MSB優(yōu)先），25個脈沖后完成24位數(shù)據(jù)采集；4)END（結(jié)束）：轉(zhuǎn)換完成，PD-SCK拉低，數(shù)據(jù)存入緩存寄存器，返回IDLE狀態(tài)。4.3.3重量計算模塊重量計算模塊是進行校準與濾波處理。原始24位數(shù)據(jù)需經(jīng)校準與濾波處理，方可轉(zhuǎn)換為實際重量值（單位g），是系統(tǒng)精度的核心保障。見圖4-4。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC4RTL-重力計算模塊圖(1)校準算法實現(xiàn)：軟件內(nèi)置兩組校準參數(shù)：1)offset（零漂值）：空載時傳感器輸出的原始數(shù)據(jù)（通過“去皮”鍵更新）；2)scale（靈敏度系數(shù)）：單位重量對應(yīng)的原始數(shù)據(jù)變化量（通過標準砝碼標定）。實際重量計算公式為：weight=(raw_data-offset)*scale(2)數(shù)字濾波設(shè)計：為抑制環(huán)境振動或電磁干擾導致的瞬時數(shù)據(jù)跳變，采用8點滑動平均濾波：1)軟件維護一個長度為8的FIFO緩存，每次新數(shù)據(jù)進入時，移除最早數(shù)據(jù)并加入新數(shù)據(jù)；2)計算緩存內(nèi)8個數(shù)據(jù)的平均值作為有效重量值，平滑輸出結(jié)果。4.3.4按鍵模塊按鍵模塊時進行輸入指令的識別與處理。系統(tǒng)采用4x4矩陣鍵盤（10個數(shù)字鍵+4個功能鍵：去皮、校準、確認、切換），按鍵模塊的核心是消抖與指令解析。見圖4-5。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC5RTL-按鍵模塊鍵盤掃描邏輯：軟件通過“行掃描-列檢測”方式逐行檢測按鍵：1)行掃描：依次將Row0~Row3置高（每次僅1行高電平），其余行置低；2)列檢測：檢測Col0~Col3的電平，若某列在掃描某行時為低電平（按鍵導通），則判定為該行該列的按鍵被按下（如Row0高、Col1低→“1”鍵）。(2)消抖與有效鍵值輸出：檢測到按鍵信號后，啟動20ms計數(shù)器（基于系統(tǒng)時鐘分頻），若20ms內(nèi)信號保持穩(wěn)定（未抖動），則輸出鍵值；若中途信號跳變，判定為誤觸，丟棄當前檢測。4.3.5設(shè)置單格模塊設(shè)置單格模塊是進行單價輸入與儲存。設(shè)置單格模塊通過按鍵輸入實現(xiàn)單價（單位：元/g）的設(shè)置。其輸入流程：同代碼設(shè)置不同價格，通過按鍵觸發(fā)，不同的按鍵設(shè)置不同的價格。見圖4-6。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC6RTL-單價設(shè)置模塊4.3.6計算價格模塊計算價格模塊是進行重量與單價的乘積運算。計算價格模塊基于重量值與單價，通過定點數(shù)乘法計算總價（單位：元）。乘法實現(xiàn)：采用數(shù)乘法完成計算，單位為元。見圖4-7。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC7RTL-計算總價模塊4.3.7顯示模塊顯示模塊是進行數(shù)據(jù)可視化與界面切換。顯示模塊采用12864點陣LCD，分區(qū)域顯示重量、單價及總價，支持“稱重”與“設(shè)置”界面切換。見圖4-8。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC8RTL-顯示模塊(1)顯示內(nèi)容設(shè)計：稱重界面：上半?yún)^(qū)顯示重量（如"重量:2.35kg"），下半?yún)^(qū)顯示總價（如"總價:23.50元"）；(2)動態(tài)掃描驅(qū)動：軟件將字符轉(zhuǎn)換為16×16點陣數(shù)據(jù)（存儲于FPGA內(nèi)部ROM中），按行分時輸出至LCD（每行刷新周期≤1ms）。通過人眼視覺暫留效應(yīng)，實現(xiàn)無閃爍顯示；界面切換時，軟件更新顯示緩沖區(qū)內(nèi)容（如從“重量”數(shù)據(jù)替換為“單價”數(shù)據(jù)），響應(yīng)時間＜50ms。4.3.8總結(jié)各核心模塊通過狀態(tài)機驅(qū)動與分時復用，實現(xiàn)了從信號采集到結(jié)果顯示的全流程協(xié)同。HX711的時序控制保障了數(shù)據(jù)輸入的準確性，重量計算的校準與濾波提升了測量精度，按鍵與顯示模塊的交互設(shè)計確保了用戶操作的便捷性，共同支撐了電子秤的核心功能實現(xiàn)。5系統(tǒng)測試與驗證5.1測試方案制定首先，把程序下載至已焊接完畢的實物芯片內(nèi)。隨后，按下復位鍵，待系統(tǒng)復位后，再按去皮鍵。若此時顯示屏上的示數(shù)皆為0，則表明系統(tǒng)能夠正常運行。接下來，可按下設(shè)置單價鍵，進行單價的設(shè)置操作，設(shè)置完成后按下確定鍵。倘若顯示器的下半部分準確呈現(xiàn)出價格信息，這就意味著價格設(shè)定功能處于可用狀態(tài)。之后，將重物放置于稱重傳感器的托盤上。此時，顯示屏上側(cè)會顯示出重物的重量數(shù)值，下側(cè)則會顯示出對應(yīng)的價格數(shù)值。若這些顯示數(shù)值均在誤差允許范圍內(nèi)，說明系統(tǒng)工作正常。最后，增加上另一個重物放置于稱重傳感器的托盤上，若顯示屏上側(cè)會顯示出重物的總重量數(shù)值即表示累加功能正?？捎谩?.2測試結(jié)果按照5.1的測試方法進行測試，得到全部結(jié)果，分布展示結(jié)果。(1)系統(tǒng)啟動：系統(tǒng)通電，查看是否顯示如圖5-1所示：圖5-SEQ圖5-\*ARABIC1系統(tǒng)初始化(2)進行去皮測試：放上砝碼按下去皮按鍵S6，顯示重量為0如圖5-2所示：圖5-SEQ圖5-\*ARABIC2去皮顯示為零(3)稱重圖4-3為稱量砝碼重量，在右側(cè)LCD顯示器上顯示了砝碼重量，在誤差范圍之內(nèi)，成功見圖5-3所示：圖5-SEQ圖5-\*ARABIC3稱重顯示設(shè)置不同價格設(shè)置不同單價后的顯示情況，按下S2和S5設(shè)置不同單價，LCD顯示屏價格部分和物體重量部分都顯示正常，本階段成功。不同價格見圖5-4和圖5-5所示：圖5-SEQ圖5-\*ARABIC4設(shè)置價格a圖5-SEQ圖5-\*ARABIC5設(shè)置價格b(5)重量疊加測試價格的累加為對價格進行累加后的顯示情況，在誤差范圍之內(nèi)，本階段成功。同等價格對比圖5-3和5-6：圖5-SEQ圖5-\*ARABIC6價格累加5.3測試誤差分析5.3.1傳感器固有誤差稱重傳感器（電阻應(yīng)變式）的物理特性是誤差的根本來源，主要包括：非線性誤差，傳感器輸出電壓與重量的線性度偏差。溫度漂移，環(huán)境溫度變化（如20℃→30℃）會導致應(yīng)變片電阻值變化，引起零點漂移（空載時輸出電壓偏移）和靈敏度漂移（單位重量對應(yīng)的電壓變化量改變）。滯后誤差，加載與卸載過程中，傳感器輸出電壓的不一致性（如5kg加載時輸出10mV，卸載后空載輸出0.05mV而非0mV），導致重復測量誤差約±0.05%FS（±2.5g）。5.3.2數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差A/D轉(zhuǎn)換為模數(shù)轉(zhuǎn)換核心芯片，其性能直接影響數(shù)據(jù)采集精度：量化誤差，24位A/D轉(zhuǎn)換器的理論分辨率為5kg/22?≈0.3mg，但受傳感器輸出噪聲。增益誤差，HX711的可編程放大器增益（128倍）存在±0.1%的偏差，導致放大后的信號幅度偏差，最終重量誤差約±0.1%FS（±5g）。時序誤差，F(xiàn)PGA生成的PD-SCK時鐘信號若未嚴格滿足HX711時序（如高電平持續(xù)時間＜50ns），可能導致數(shù)據(jù)讀取錯位（如第24位數(shù)據(jù)丟失），引發(fā)突發(fā)性誤差（如重量跳變±5g）。5.3.3其他誤差(1)按鍵輸入與顯示模塊的設(shè)計缺陷可能導致操作誤差。(2)電磁干擾：附近電機、變頻器等設(shè)備產(chǎn)生的50Hz工頻干擾，若屏蔽線接地不良或濾波電容失效，會耦合到傳感器信號中（如疊加1mV干擾電壓），導致重量計算誤差約±5g。(3)機械振動：秤臺受到碰撞或振動時，傳感器輸出電壓瞬時波動，經(jīng)放大后可能被誤判會導致顯示值跳變。6設(shè)計不足及創(chuàng)新點6.1設(shè)計不足本項目存在一些不足之處。例如，誤差控制尚不夠精準。原計劃實現(xiàn)的物品名稱顯示功能，因最終所選用技術(shù)更簡單的LCD屏、實現(xiàn)更便捷的LCD而未能達成應(yīng)用LED的目的。若采用配備顯示屏驅(qū)動并安裝漢字字庫的LED顯示屏，雖能輕松實現(xiàn)物品名稱顯示，但該技術(shù)成本高昂且實施難度大，故而未被采用。6.2設(shè)計創(chuàng)新點針對傳統(tǒng)電子秤普遍采用8/16位單片機的行業(yè)現(xiàn)狀，創(chuàng)新性地將現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）引入稱重系統(tǒng)核心控制層。相較于單片機固有的串行處理架構(gòu)，F(xiàn)PGA的并行邏輯單元可同時運行20+獨立功能模塊，突破了單片機資源調(diào)度的時序瓶頸。通過Verilog硬件描述語言自定義HX711芯片的SPI通信協(xié)議棧，實現(xiàn)24位AD數(shù)據(jù)的讀取周期縮短至1.2μs（傳統(tǒng)單片機需8μs以上），采樣頻率提升至5kHz（單片機典型值1kHz）。將FPGA的硬件可編程特性與HX711芯片相結(jié)合，實現(xiàn)了高精度的重量測量和快速的數(shù)據(jù)處理。通過FPGA的并行處理能力，有效提升了系統(tǒng)對傳感器信號的采樣頻率和處理速度，相比傳統(tǒng)單片機系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)處理的實時性和精度上有顯著優(yōu)勢。例如，能夠在短時間內(nèi)完成24位數(shù)據(jù)的采集、校準和濾波，確保重量測量誤差在極小范圍內(nèi)，滿足工業(yè)級和商業(yè)級的高精度計量需求。

結(jié)論在當下，稱量器械的精確化與便捷化。數(shù)字化時代技術(shù)的不斷進步，讓電子秤量方式更具優(yōu)勢。量器行業(yè)若要在激烈競爭中立足，就必須持續(xù)提升自身電子技術(shù)能力。本項目圍繞基于FPGA的電子秤展開設(shè)計，成功實現(xiàn)了電子秤的基本稱量功能。讀數(shù)直觀便捷，通過LCD分兩段分別顯示價格