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標題: 淺談工業(yè)稱重儀表低成本化的設(shè)計 [打印本頁]

作者: csxfjsw123 時間: 2007-7-25 09:35
標題: 淺談工業(yè)稱重儀表低成本化的設(shè)計

淺談工業(yè)稱重儀表低成本化的設(shè)計

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(yè)稱重儀表抗干擾對策。
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、可維護性、維護保障性、安全性、經(jīng)濟性等；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、維護情況的好壞，因而設(shè)計是保證儀表質(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，首先必須滿足計量精度的要求, 而作為工業(yè)應(yīng)用場合，儀表要能適應(yīng)現(xiàn)場的各種惡劣環(huán)境，為此，特提出以下這些技術(shù)參數(shù)，作為后續(xù)設(shè)計探討的基本依據(jù)。
⑴靜態(tài)準確度： OIML III 級
⑵動態(tài)準確度：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相對濕度：≤99%RH
⑹工作電源：AC85V～264V，功率≤20W
⑺EMC性能：優(yōu)良
⑻擴展模塊：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經(jīng)典組成圖。因低成本化的設(shè)計要求，已將上述框圖分為基本功能模塊和擴展模塊?；竟δ苣K是任何稱重場合不可缺少的構(gòu)件，因此在硬件電路規(guī)劃時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(shè)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(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)模混合集成技術(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)計上提供了條件。有關(guān)新型I2C存貯器及時鐘器件、新型Σ-ΔA/D、新型RISC結(jié)構(gòu)的微處理器可以大大簡化電路，極大提高了電路性能，在實際設(shè)計中應(yīng)越來越廣泛被采用。
（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(qū)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(yīng)付早期產(chǎn)品只在少量生產(chǎn)，故芯片價格相當昂貴；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EMC測試。
模式B：AMP+A/D+MCU+ E2PROM+鍵盤+顯示驅(qū)動器+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WDT功能，設(shè)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(chǎn)品可靠性留下隱患。優(yōu)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(nèi)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(nèi)，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(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)動態(tài)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(zhuǎn)換，特點是A/D分辯率高，線性好，A/D轉(zhuǎn)換速度又能滿足工業(yè)動態(tài)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(nèi)帶PGA的中檔Σ-Δ型A/D芯片，比較經(jīng)濟和實用。
（二）各擴展功能的優(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(shè)計。工業(yè)現(xiàn)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(shè)計成串口/并口兼容方式，打印單據(jù)一般需要時間/日期數(shù)據(jù)，可將時鐘電路安排在打印接口板上。
2. 4-20mA模塊：由于工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)DCS系統(tǒng)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(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(shù)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(diào)節(jié)值
      H_ma：秤處滿量程，20mA輸出所需的D/A調(diào)節(jié)值
該算法通過軟件能方便被編程實現(xiàn)，可以大大簡化硬件電路成本。
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)場總線控制系統(tǒng)）正越來越廣泛被應(yīng)用在自動化控制當中，F(xiàn)CS系統(tǒng)技術(shù)主要以Profibus為主，要求現(xiàn)場過程控制設(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)計已是大勢所趨，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

工業(yè)稱重儀表智能化通訊是發(fā)展趨勢，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(guī)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)量（與稱重成比例同步變化），根據(jù)調(diào)節(jié)量控制定時器觸發(fā)可控硅導通，從而達到自動調(diào)幅目的。如上圖示t1,t2點為
觸發(fā)時刻，且t2比t1時刻觸發(fā)振動量大。
特點：儀表全數(shù)字化設(shè)定及控制，振動量隨物料多少自動無級調(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)稱重場合，稱重儀表與PLC之間的信號聯(lián)絡(luò)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(jié)點輸出；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電壓。
另外該I/O模塊也可設(shè)計成智能型的I/O接口，根據(jù)接收Profibus或PC機命令去執(zhí)行相應(yīng)I/O輸入輸出功能。
6. BCD模塊
有些工業(yè)用秤場合，PLC與稱重儀表之間通訊是通過交換BCD碼來實現(xiàn)的。
可將該模塊設(shè)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(jié)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(yōu)化
由于硬件的模塊化設(shè)計極大的降低了成本，使得很多復(fù)雜的控制需要通過軟件將各種功能整合在一起，而軟件設(shè)計的邊際成本幾乎為零，因此軟件的優(yōu)化設(shè)計工作是低成本化工業(yè)儀表設(shè)計的靈魂。軟件設(shè)計應(yīng)當采用模塊化設(shè)計方法，其流程圖可如下圖：

五、抗干擾對策
工業(yè)稱重控制儀表作為智能化現(xiàn)場測控終端，往往運行在較惡劣的環(huán)境中，來自現(xiàn)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(tài)失常甚至造成死機。嚴重時將會使整個控制系統(tǒng)癱瘓。因此，工業(yè)稱重儀表應(yīng)從設(shè)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(chǎn)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(shè)備。由于干擾源無法去控制，可以從設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)量，模擬與數(shù)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(fù)位狀態(tài)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(jīng)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(wěn)壓方式，先由開關(guān)電源初步穩(wěn)壓（可削除上述的串擾信號，及電網(wǎng)電壓波動干擾），再在主CPU板上增加一級穩(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(shù)據(jù)顯示產(chǎn)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(jié)論
綜上所述，工業(yè)稱重儀表的低成本優(yōu)化設(shè)計，離不開電子新技術(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)計將使儀表整機成本變得極低；另一方面，新技術(shù)應(yīng)用加精心設(shè)計也使儀表EMC性能得到根本提高；而模塊的高性能化設(shè)計和先進控制技術(shù)的應(yīng)用極大地提升儀表的檔次?？傊?，高性價比工業(yè)稱重控制儀是市場之求，企業(yè)創(chuàng)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(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 北京航空航天大學出版社
3. 鄒益仁等現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā) 國防工業(yè)出版社
4．[美] Hengry w.ott Noise Reduction Techniques In Electronic Systems（Second Edition）

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