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第五屆全國(guó)稱重技術(shù)研討會(huì)論文集
淺談工業(yè)稱重儀表低成本化的設(shè)計(jì)
上海大和衡器有限公司 技術(shù)部 程兆明
[摘要] 本文介紹了一般工業(yè)稱重控制儀表低成本化設(shè)計(jì)的思路及提升其性能檔次的一些擴(kuò)展功能模塊的基本原理，同時(shí)介紹了工業(yè)稱重儀表抗干擾對(duì)策。
關(guān)鍵詞：工業(yè)稱重儀表 Σ-ΔA/D D/A Profibus總線 EMC
一、概述
工業(yè)級(jí)稱重控制儀表產(chǎn)品的生命力取決于其質(zhì)量及可靠性的高低。產(chǎn)品質(zhì)量是指產(chǎn)品滿足使用要求所具有的全部特征和特性，即產(chǎn)品的性能、壽命、可靠性、可維護(hù)性、維護(hù)保障性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等；產(chǎn)品可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的重要內(nèi)容。據(jù)調(diào)查，影響產(chǎn)品或系統(tǒng)可靠性的原因中，40%是設(shè)計(jì)技術(shù)水平的高低，30%屬于元器件選擇是否適中，15%是屬于生產(chǎn)制造工藝方法和水平情況，10%屬于全面質(zhì)量管理的深入程度，5%屬于使用、維護(hù)情況的好壞，因而設(shè)計(jì)是保證儀表質(zhì)量和可靠性的前提和基礎(chǔ)。另一方面，企業(yè)受利潤(rùn)最大化驅(qū)使，必然追求產(chǎn)品成本的最小化；因此，工業(yè)稱重儀表的高性價(jià)比是衡器廠商不懈求索的永恒主題。
二、主要技術(shù)參數(shù)
作為稱重儀表，首先必須滿足計(jì)量精度的要求, 而作為工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，儀表要能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的各種惡劣環(huán)境，為此，特提出以下這些技術(shù)參數(shù)，作為后續(xù)設(shè)計(jì)探討的基本依據(jù)。
⑴靜態(tài)準(zhǔn)確度： OIML III 級(jí)
⑵動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度：優(yōu)于1‰
⑶ A/D速率：≥100次/秒，A/D分辯率：≥18位
⑷工作溫度：-20℃～85℃
⑸相對(duì)濕度：≤99%RH
⑹工作電源：AC85V～264V，功率≤20W
⑺EMC性能 ：優(yōu)良
⑻擴(kuò)展模塊：可靠、方便
三、系統(tǒng)組成框圖
工業(yè)稱重儀表的基本組成如下：
上述框圖應(yīng)該也是所有智能化儀表的一個(gè)經(jīng)典組成圖。因低成本化的設(shè)計(jì)要求，已將上述框圖分為基本功能模塊和擴(kuò)展模塊�；竟δ苣K是任何稱重場(chǎng)合不可缺少的構(gòu)件，因此在硬件電路規(guī)劃時(shí)可將該部分集成在一塊主CPU印制板上，并在CPU板上預(yù)置好智能化的擴(kuò)展槽；擴(kuò)展功能因場(chǎng)合要求不同，可能只用一個(gè)或一個(gè)以上，因此可將每一種擴(kuò)展功能設(shè)計(jì)成各自獨(dú)立的印制板，這樣可以按需靈活配置，從而減少了因集成多余功能引起的成本浪費(fèi)，還會(huì)因少用電子元件而提高了產(chǎn)品的可靠性。
四、低成本軟硬件優(yōu)化方案
電子技術(shù)特別是數(shù)�；旌霞杉夹g(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)稱重儀表硬件電路低成本化設(shè)計(jì)上提供了條件。有關(guān)新型I2C存貯器及時(shí)鐘器件、新型Σ-ΔA/D、新型RISC結(jié)構(gòu)的微處理器可以大大簡(jiǎn)化電路，極大提高了電路性能，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)越來(lái)越廣泛被采用。
（一） 基本功能模塊的優(yōu)化
基本功能模塊是儀表組成的核心部分，直接決定了儀表性能的好壞及成本的高低；而其中最為關(guān)鍵的器件該是MCU莫屬了，MCU即單片微處理器，是智能化儀表的大腦和心臟。根據(jù)MCU的不同選擇，目前市場(chǎng)上的稱重儀表的基本功能電路可概括為以下幾種組合模式：
模式A：AMP+A/D+MCU+擴(kuò)展RAM+ 擴(kuò)展EPROM+擴(kuò)展I/O+ E2PROM+鍵盤(pán)+顯示驅(qū)動(dòng)器+WDT
分析：典型芯片有8031/8039/80C49/8751等。屬早期MCU芯片，很多功能在外部擴(kuò)展，MCU芯片及其擴(kuò)展芯片已漸漸被市場(chǎng)淘汰，芯片集成商為應(yīng)付早期產(chǎn)品只在少量生產(chǎn)，故芯片價(jià)格相當(dāng)昂貴；該組合模式產(chǎn)品的穩(wěn)定性及抗干擾性能也很差，產(chǎn)品難以通過(guò)EMC測(cè)試。
模式B：AMP+A/D+MCU+ E2PROM+鍵盤(pán)+顯示驅(qū)動(dòng)器+WDT
分析：MCU典型芯片有AT89C5X系列、W78E5X等，片內(nèi)具有FLASH程序存貯器。
由于該系列MCU無(wú)WDT功能，設(shè)計(jì)時(shí)要在外部護(hù)展，因而增加了一定的硬件成本，同時(shí)該系列MCU的I/O口無(wú)EMI/EMS處理措施，給產(chǎn)品可靠性留下隱患。優(yōu)勢(shì)是與模式A相比其性價(jià)比有所提高，目前稱重控制儀采用該模式仍比較廣泛。
模式C：A/D+MCU+顯示/鍵盤(pán)
分析：MCU典型芯片有STC89XX系列、AVR系列等，該系列MCU內(nèi)部集成了E2PROM及 WDT功能，I/O口有EMC措施，且價(jià)格不比模式B用MCU貴。因此儀表可靠性及硬件成本均得到極大改善。
模式D：MCU+ E2PROM+顯示/鍵盤(pán)
分析：MCU將AMP、A/D及微處理器集成在一塊芯片內(nèi)，屬混合信號(hào)MCU，代表芯片有AD公司的Adu8XX，TI公司的MSC121X，SILICON LAB公司的C8051F35X,等。該模式更加簡(jiǎn)化電路，在小型化、節(jié)電或本安應(yīng)用中不失為一種好的選擇方案。
A/D選型：
稱重儀表用的A/D轉(zhuǎn)換類型主要有：雙積分型、三積分型、Σ-Δ型；雙積分及三積分由于受A/D轉(zhuǎn)換速度限制，一般在工業(yè)動(dòng)態(tài)稱重場(chǎng)合很少被采用；目前，市場(chǎng)上大多儀表均采用Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換，特點(diǎn)是A/D分辯率高，線性好，A/D轉(zhuǎn)換速度又能滿足工業(yè)動(dòng)態(tài)稱重的需求。目前市場(chǎng)上型A/D器件低中高檔均有供貨。建議控制儀表可選內(nèi)帶PGA的中檔Σ-Δ型A/D芯片，比較經(jīng)濟(jì)和實(shí)用。
（二） 各擴(kuò)展功能的優(yōu)化
稱重儀表的基本性能已由基本CPU板模塊保證，由于儀表的擴(kuò)展功能決定了稱重儀表的實(shí)用性及檔次的高低，因此對(duì)儀表擴(kuò)展功能的接口電路也需巧妙選材，精心設(shè)計(jì)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用稱重儀表的擴(kuò)展功能主要有以下幾類，分別介紹如下：
1.打印模塊：可設(shè)計(jì)成串口/并口兼容方式，打印單據(jù)一般需要時(shí)間/日期數(shù)據(jù)，可將時(shí)鐘電路安排在打印接口板上。
2. 4-20mA模塊： 由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)DCS系統(tǒng)傳輸采用4-20mA信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，因此稱重儀表要與之兼容則要備有該功能模塊。一般DCS系統(tǒng)的4-20mA有1‰精度就夠了，選12位D/A轉(zhuǎn)換器即可，高位數(shù)D/A會(huì)增加模塊成本；
該模塊軟件算法：MAout=weight/[max/(H_ma-L_ma)]
其中 Maout：實(shí)時(shí)輸出電流所需的D/A數(shù)字量
weight：料重實(shí)時(shí)測(cè)量值； max：秤最大量程
L_ma：秤處零位，4mA輸出所需的D/A調(diào)節(jié)值
H_ma：秤處滿量程，20mA輸出所需的D/A調(diào)節(jié)值
該算法通過(guò)軟件能方便被編程實(shí)現(xiàn)，可以大大簡(jiǎn)化硬件電路成本。
3.通訊模塊：由于工業(yè)DCS系統(tǒng)存在眾多缺陷，目前，F(xiàn)CS系統(tǒng)（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）正越來(lái)越廣泛被應(yīng)用在自動(dòng)化控制當(dāng)中，F(xiàn)CS系統(tǒng)技術(shù)主要以Profibus為主，要求現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制設(shè)備具備基于RS485傳輸智能通訊接口。因而，工業(yè)稱重儀表的通訊接口智能化設(shè)計(jì)已是大勢(shì)所趨，從而使稱重信息能在企業(yè)Intrnet(Ethernet)甚至Internet上互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)共享。而為基于RS485傳輸?shù)墓I(yè)稱重儀表制定統(tǒng)一的通訊協(xié)議已迫在眉捷。建議采用下面基本通訊格式：STX（起始位）+IP地址+數(shù)據(jù)信息/命令+。。。+ETX（結(jié)束位）
IP地址：儀表地址編號(hào)
工業(yè)稱重儀表智能化通訊是發(fā)展趨勢(shì)，是提高儀表性能和檔次的具體體現(xiàn)，而且基于RS485傳輸?shù)耐ㄓ嵆杀疽沧畹偷摹?br>
4.PWM模塊
在包裝秤及定量給料秤需要通過(guò)振動(dòng)方式加料時(shí)，該功能模塊作用明顯。
振動(dòng)加料器控制信號(hào)如圖示：
常規(guī)控制方法：一般為快中慢三段給料，需三只振動(dòng)控制器，且該控制器均需通過(guò)電位器手動(dòng)調(diào)節(jié)振動(dòng)量。此種控制成本高，振動(dòng)控制器易損壞。
模塊控制原理：交流過(guò)零時(shí)中斷捕獲振動(dòng)調(diào)節(jié)量（與稱重成比例同步變化），根據(jù)調(diào)節(jié)量控制定時(shí)器觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)幅目的。如上圖示t1,t2點(diǎn)為
觸發(fā)時(shí)刻，且t2比t1時(shí)刻觸發(fā)振動(dòng)量大。
特點(diǎn)：儀表全數(shù)字化設(shè)定及控制，振動(dòng)量隨物料多少自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。因此，這是一種具極低成本的、極高性能和可靠性的配料控制秤解決方案。
5. I/O模塊：
在有些工業(yè)稱重場(chǎng)合，稱重儀表與PLC之間的信號(hào)聯(lián)絡(luò)越來(lái)越多，該I/O模塊就顯得必不可少。該模塊輸出信號(hào)方式：光電隔離型的OC門(mén)輸出，或電磁隔離型的繼電器干結(jié)點(diǎn)輸出；注意電路中繼電器線圈應(yīng)兩端反并一只二極管以吸收反勢(shì)電壓。
另外該I/O模塊也可設(shè)計(jì)成智能型的I/O接口，根據(jù)接收Profibus或PC機(jī)命令去執(zhí)行相應(yīng)I/O輸入輸出功能。
6. BCD模塊
有些工業(yè)用秤場(chǎng)合，PLC與稱重儀表之間通訊是通過(guò)交換BCD碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
可將該模塊設(shè)計(jì)成如下形式：
特點(diǎn)：可以近距離的BCD卡與PLC以BCD碼方式直接傳輸，也可遠(yuǎn)距離的儀表與BCD卡以Rs485方式間接傳輸，這樣，在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)可節(jié)省昂貴的BCD多芯電纜線成本和安裝費(fèi)用。
（三） 稱重控制軟件的優(yōu)化
由于硬件的模塊化設(shè)計(jì)極大的降低了成本，使得很多復(fù)雜的控制需要通過(guò)軟件將各種功能整合在一起，而軟件設(shè)計(jì)的邊際成本幾乎為零，因此軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作是低成本化工業(yè)儀表設(shè)計(jì)的靈魂。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，其流程圖可如下圖：
五、抗干擾對(duì)策
工業(yè)稱重控制儀表作為智能化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端，往往運(yùn)行在較惡劣的環(huán)境中，來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的干擾其頻譜往往很寬，且具有隨機(jī)性，這些干擾一旦串入儀表，將使儀表工作狀態(tài)失常甚至造成死機(jī)。嚴(yán)重時(shí)將會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)癱瘓。因此，工業(yè)稱重儀表應(yīng)從設(shè)計(jì)初期就要考慮電磁兼容性問(wèn)題，并提出一些具體解決方案。由于電磁干擾產(chǎn)生必須具備三個(gè)條件，即干擾源，傳播途徑（傳導(dǎo)和輻射），敏感設(shè)備。由于干擾源無(wú)法去控制，可以從設(shè)計(jì)上從切斷傳播途徑，降低儀表電磁敏感度角度，從軟硬件上提出綜合解決方案如下：
電磁輻射：其能量較低，僅對(duì)模擬信號(hào)有影響；措施有采用屏蔽信號(hào)線，儀表放大器輸入端加LC/RC濾波器，放大電路或儀表殼體采用金屬屏蔽，并將屏蔽體良好接地。軟件上采取單層或多層濾波及判斷法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取出有效值。
I/O線傳導(dǎo)：主要由各種輸入輸出接口串入，對(duì)此種干擾只需將輸入輸出口采用光耦隔離措施即可；盡量采用I2C/SPI串口器件及貼片元件，以減少印板走線數(shù)量，模擬與數(shù)字電路分開(kāi)布線，其接地點(diǎn)在DC電源輸入端口處匯接。軟件上，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行多次判斷后取值，對(duì)輸出信號(hào)，采用與其復(fù)位狀態(tài)相反的電平作I/O控制信號(hào)輸出，對(duì)I2C/SPI串口器件控制字在程序運(yùn)行中要經(jīng)常去刷新。
電源線傳導(dǎo)：儀表干擾信號(hào)主要是由該部分引入。包括雷擊、靜電引起的浪涌尖峰電壓，電感負(fù)載啟停引起的反勢(shì)浪涌尖峰電壓，以及一些功率控制單元開(kāi)閉引起的高頻諧波等，這些干擾由于能量大有時(shí)將導(dǎo)致儀表工作癱瘓。在硬件上的對(duì)策是可采用直流電源兩級(jí)穩(wěn)壓方式，先由開(kāi)關(guān)電源初步穩(wěn)壓（可削除上述的串?dāng)_信號(hào)，及電網(wǎng)電壓波動(dòng)干擾），再在主CPU板上增加一級(jí)穩(wěn)壓，以提高電源紋波系數(shù)；其次在直流電輸入端增加浪涌抑制二極管。軟件上采用措施為：指令亢余、數(shù)據(jù)備份、軟件陷井等手段。
另外，震動(dòng)和風(fēng)力也是影響儀表工作的因素，震動(dòng)和風(fēng)力主要是通過(guò)影響傳感器輸出信號(hào)進(jìn)而使儀表數(shù)據(jù)顯示產(chǎn)生變動(dòng)，此類解決方法，可通過(guò)軟件濾波方式及邏輯判斷法加以剔除。
六、結(jié)論
綜上所述，工業(yè)稱重儀表的低成本優(yōu)化設(shè)計(jì)，離不開(kāi)電子新技術(shù)的廣泛采用。新型MCU、新型I2C器件、新型Σ－ΔA/D等器件的選用及功能模塊化設(shè)計(jì)將使儀表整機(jī)成本變得極低；另一方面，新技術(shù)應(yīng)用加精心設(shè)計(jì)也使儀表EMC性能得到根本提高；而模塊的高性能化設(shè)計(jì)和先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用極大地提升儀表的檔次�？傊咝詢r(jià)比工業(yè)稱重控制儀是市場(chǎng)之求，企業(yè)創(chuàng)富之源。
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<全文完>
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