淺談工業稱重儀表低成本化的設計

淺談工業稱重儀表低成本化的設計

上海大和衡器有限公司 技術部 程兆明

    [摘要] 本文介紹了一般工業稱重控制儀表低成本化設計的思路及提升其性能檔次的一些擴展功能模塊的基本原理，同時介紹了工業稱重儀表抗干擾對策。
    關鍵詞：工業稱重儀表 Σ-ΔA/D D/A Profibus總線 EMC
一、概述
    工業級稱重控制儀表產品的生命力取決于其質量及可靠性的高低。產品質量是指產品滿足使用要求所具有的全部特征和特性，即產品的性能、壽命、可靠性、可維護性、維護保障性、安全性、經濟性等；產品可靠性是產品質量的重要內容。據調查，影響產品或系統可靠性的原因中，40%是設計技術水平的高低，30%屬于元器件選擇是否適中，15%是屬于生產制造工藝方法和水平情況，10%屬于全面質量管理的深入程度，5%屬于使用、維護情況的好壞，因而設計是保證儀表質量和可靠性的前提和基礎。另一方面，企業受利潤最大化驅使，必然追求產品成本的最小化；因此，工業稱重儀表的高性價比是衡器廠商不懈求索的永恒主題。
二、主要技術參數
    作為稱重儀表，首先必須滿足計量精度的要求, 而作為工業應用場合，儀表要能適應現場的各種惡劣環境，為此，特提出以下這些技術參數，作為后續設計探討的基本依據。
    ⑴靜態準確度： OIML III 級
    ⑵動態準確度：優于1‰
    ⑶ A/D速率：≥100次/秒，A/D分辯率：≥18位
    ⑷工作溫度：-20℃～85℃
    ⑸相對濕度：≤99%RH
    ⑹工作電源：AC85V～264V，功率≤20W
    ⑺EMC性能 ：優良
    ⑻擴展模塊：可靠、方便
三、系統組成框圖
    工業稱重儀表的基本組成如下：

    上述框圖應該也是所有智能化儀表的一個經典組成圖。因低成本化的設計要求，已將上述框圖分為基本功能模塊和擴展模塊。基本功能模塊是任何稱重場合不可缺少的構件，因此在硬件電路規劃時可將該部分集成在一塊主CPU印制板上，并在CPU板上預置好智能化的擴展槽；擴展功能因場合要求不同，可能只用一個或一個以上，因此可將每一種擴展功能設計成各自獨立的印制板，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，還會因少用電子元件而提高了產品的可靠性。
四、低成本軟硬件優化方案
    電子技術特別是數模混合集成技術的飛速發展，為工業稱重儀表硬件電路低成本化設計上提供了條件。有關新型I2C存貯器及時鐘器件、新型Σ-ΔA/D、新型RISC結構的微處理器可以大大簡化電路，極大提高了電路性能，在實際設計中應越來越廣泛被采用。
    （一） 基本功能模塊的優化
    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MCU的不同選擇，目前市場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+擴展RAM+ 擴展EPROM+擴展I/O+ E2PROM+鍵盤+顯示驅動器+WDT
    分析：典型芯片有8031/8039/80C49/8751等。屬早期MCU芯片，很多功能在外部擴展，MCU芯片及其擴展芯片已漸漸被市場淘汰，芯片集成商為應付早期產品只在少量生產，故芯片價格相當昂貴；該組合模式產品的穩定性及抗干擾性能也很差，產品難以通過EMC測試。
    模式B：AMP+A/D+MCU+ E2PROM+鍵盤+顯示驅動器+WDT
    分析：MCU典型芯片有AT89C5X系列、W78E5X等，片內具有FLASH程序存貯器。
    由于該系列MCU無WDT功能，設計時要在外部護展，因而增加了一定的硬件成本，同時該系列MCU的I/O口無EMI/EMS處理措施，給產品可靠性留下隱患。優勢是與模式A相比其性價比有所提高，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
    分析：MCU典型芯片有STC89XX系列、AVR系列等，該系列MCU內部集成了E2PROM及 WDT功能，I/O口有EMC措施，且價格不比模式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
    分析：MCU將AMP、A/D及微處理器集成在一塊芯片內，屬混合信號MCU，代表芯片有AD公司的Adu8XX，TI公司的MSC121X，SILICON LAB公司的C8051F35X,等。該模式更加簡化電路，在小型化、節電或本安應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轉換速度限制，一般在工業動態稱重場合很少被采用；目前，市場上大多儀表均采用Σ-Δ型A/D轉換，特點是A/D分辯率高，線性好，A/D轉換速度又能滿足工業動態稱重的需求。目前市場上型A/D器件低中高檔均有供貨。建議控制儀表可選內帶PGA的中檔Σ-Δ型A/D芯片，比較經濟和實用。
    （二） 各擴展功能的優化
    稱重儀表的基本性能已由基本CPU板模塊保證，由于儀表的擴展功能決定了稱重儀表的實用性及檔次的高低，因此對儀表擴展功能的接口電路也需巧妙選材，精心設計。工業現場用稱重儀表的擴展功能主要有以下幾類，分別介紹如下：
    1.打印模塊：可設計成串口/并口兼容方式，打印單據一般需要時間/日期數據，可將時鐘電路安排在打印接口板上。
    2. 4-20mA模塊： 由于工業現場數據DCS系統傳輸采用4-20mA信號標準，因此稱重儀表要與之兼容則要備有該功能模塊。一般DCS系統的4-20mA有1‰精度就夠了，選12位D/A轉換器即可，高位數D/A會增加模塊成本；
    該模塊軟件算法：MAout=weight/[max/(H_ma-L_ma)]
    其中 Maout：實時輸出電流所需的D/A數字量
         weight：料重實時測量值； max：秤最大量程
         L_ma：秤處零位，4mA輸出所需的D/A調節值
         H_ma：秤處滿量程，20mA輸出所需的D/A調節值
    該算法通過軟件能方便被編程實現，可以大大簡化硬件電路成本。
    3.通訊模塊：由于工業DCS系統存在眾多缺陷，目前，FCS系統（現場總線控制系統）正越來越廣泛被應用在自動化控制當中，FCS系統技術主要以Profibus為主，要求現場過程控制設備具備基于RS485傳輸智能通訊接口。因而，工業稱重儀表的通訊接口智能化設計已是大勢所趨，從而使稱重信息能在企業Intrnet(Ethernet)甚至Internet上互聯互通，數據共享。而為基于RS485傳輸的工業稱重儀表制定統一的通訊協議已迫在眉捷。建議采用下面基本通訊格式：STX（起始位）+IP地址+數據信息/命令+。。。+ETX（結束位）

IP地址：儀表地址編號

    工業稱重儀表智能化通訊是發展趨勢，是提高儀表性能和檔次的具體體現，而且基于RS485傳輸的通訊成本也最低的。
    4.PWM模塊
    在包裝秤及定量給料秤需要通過振動方式加料時，該功能模塊作用明顯。
    振動加料器控制信號如圖示：

    常規控制方法：一般為快中慢三段給料，需三只振動控制器，且該控制器均需通過電位器手動調節振動量。此種控制成本高，振動控制器易損壞。
    模塊控制原理：交流過零時中斷捕獲振動調節量（與稱重成比例同步變化），根據調節量控制定時器觸發可控硅導通，從而達到自動調幅目的。如上圖示t1,t2點為
觸發時刻，且t2比t1時刻觸發振動量大。
    特點：儀表全數字化設定及控制，振動量隨物料多少自動無級調節。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：
    在有些工業稱重場合，稱重儀表與PLC之間的信號聯絡越來越多，該I/O模塊就顯得必不可少。該模塊輸出信號方式：光電隔離型的OC門輸出，或電磁隔離型的繼電器干結點輸出；注意電路中繼電器線圈應兩端反并一只二極管以吸收反勢電壓。
    另外該I/O模塊也可設計成智能型的I/O接口，根據接收Profibus或PC機命令去執行相應I/O輸入輸出功能。
    6. BCD模塊
    有些工業用秤場合，PLC與稱重儀表之間通訊是通過交換BCD碼來實現的。
    可將該模塊設計成如下形式：

    特點：可以近距離的BCD卡與PLC以BCD碼方式直接傳輸，也可遠距離的儀表與BCD卡以Rs485方式間接傳輸，這樣，在遠程傳輸時可節省昂貴的BCD多芯電纜線成本和安裝費用。
    （三） 稱重控制軟件的優化
    由于硬件的模塊化設計極大的降低了成本，使得很多復雜的控制需要通過軟件將各種功能整合在一起，而軟件設計的邊際成本幾乎為零，因此軟件的優化設計工作是低成本化工業儀表設計的靈魂。軟件設計應當采用模塊化設計方法，其流程圖可如下圖：

    五、抗干擾對策
    工業稱重控制儀表作為智能化現場測控終端，往往運行在較惡劣的環境中，來自現場的干擾其頻譜往往很寬，且具有隨機性，這些干擾一旦串入儀表，將使儀表工作狀態失常甚至造成死機。嚴重時將會使整個控制系統癱瘓。因此，工業稱重儀表應從設計初期就要考慮電磁兼容性問題，并提出一些具體解決方案。由于電磁干擾產生必須具備三個條件，即干擾源，傳播途徑（傳導和輻射），敏感設備。由于干擾源無法去控制，可以從設計上從切斷傳播途徑，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，僅對模擬信號有影響；措施有采用屏蔽信號線，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數據進行處理，取出有效值。
    I/O線傳導：主要由各種輸入輸出接口串入，對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，以減少印板走線數量，模擬與數字電路分開布線，其接地點在DC電源輸入端口處匯接。軟件上，對輸入信號進行多次判斷后取值，對輸出信號，采用與其復位狀態相反的電平作I/O控制信號輸出，對I2C/SPI串口器件控制字在程序運行中要經常去刷新。
    電源線傳導：儀表干擾信號主要是由該部分引入。包括雷擊、靜電引起的浪涌尖峰電壓，電感負載啟停引起的反勢浪涌尖峰電壓，以及一些功率控制單元開閉引起的高頻諧波等，這些干擾由于能量大有時將導致儀表工作癱瘓。在硬件上的對策是可采用直流電源兩級穩壓方式，先由開關電源初步穩壓（可削除上述的串擾信號，及電網電壓波動干擾），再在主CPU板上增加一級穩壓，以提高電源紋波系數；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、數據備份、軟件陷井等手段。
    另外，震動和風力也是影響儀表工作的因素，震動和風力主要是通過影響傳感器輸出信號進而使儀表數據顯示產生變動，此類解決方法，可通過軟件濾波方式及邏輯判斷法加以剔除。
六、結論
    綜上所述，工業稱重儀表的低成本優化設計，離不開電子新技術的廣泛采用。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計將使儀表整機成本變得極低；另一方面，新技術應用加精心設計也使儀表EMC性能得到根本提高；而模塊的高性能化設計和先進控制技術的應用極大地提升儀表的檔次。總之，高性價比工業稱重控制儀是市場之求，企業創富之源。

參考文獻

    1．國家標準 GB/T-7724-1999 稱重顯示控制器
    2．王幸之等 單片機應用系統抗干擾技術 北京航空航天大學出版社
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    4．[美] Hengry w.ott Noise Reduction Techniques In Electronic Systems（Second Edition）