第五届全国称重技术研讨会论文集

    [摘要] 本文介绍了一般工业称重控制仪表低成本化设计的思路及提升其性能档次的一些扩展功能模块的基本原理，同时介绍了工业称重仪表抗干扰对策。

    关键词：工业称重仪表 Σ-ΔA/D D/A Profibus总线 EMC

一、概述

    工业级称重控制仪表产品的生命力取决于其质量及可靠性的高低。产品质量是指产品满足使用要求所具有的全部特征和特性，即产品的性能、寿命、可靠性、可维护性、维护保障性、安全性、经济性等；产品可靠性是产品质量的重要内容。据调查，影响产品或系统可靠性的原因中，40%是设计技术水平的高低，30%属于元器件选择是否适中，15%是属于生产制造工艺方法和水平情况，10%属于全面质量管理的深入程度，5%属于使用、维护情况的好坏，因而设计是保证仪表质量和可靠性的前提和基础。另一方面，企业受利润最大化驱使，必然追求产品成本的最小化；因此，工业称重仪表的高性价比是衡器厂商不懈求索的永恒主题。

二、主要技术参数

    作为称重仪表，首先必须满足计量精度的要求, 而作为工业应用场合，仪表要能适应现场的各种恶劣环境，为此，特提出以下这些技术参数，作为后续设计探讨的基本依据。
    ⑴静态准确度： OIML III 级
    ⑵动态准确度：优于1‰
    ⑶ A/D速率：≥100次/秒，A/D分辩率：≥18位
    ⑷工作温度：-20℃～85℃
    ⑸相对湿度：≤99%RH
    ⑹工作电源：AC85V～264V，功率≤20W
    ⑺EMC性能 ：优良
    ⑻扩展模块：可靠、方便 

三、系统组成框图

    工业称重仪表的基本组成如下：

    上述框图应该也是所有智能化仪表的一个经典组成图。因低成本化的设计要求，已将上述框图分为基本功能模块和扩展模块。基本功能模块是任何称重场合不可缺少的构件，因此在硬件电路规划时可将该部分集成在一块主CPU印制板上，并在CPU板上预置好智能化的扩展槽；扩展功能因场合要求不同，可能只用一个或一个以上，因此可将每一种扩展功能设计成各自独立的印制板，这样可以按需灵活配置，从而减少了因集成多余功能引起的成本浪费，还会因少用电子元件而提高了产品的可靠性。

四、低成本软硬件优化方案

    电子技术特别是数模混合集成技术的飞速发展，为工业称重仪表硬件电路低成本化设计上提供了条件。有关新型I2C存贮器及时钟器件、新型Σ-ΔA/D、新型RISC结构的微处理器可以大大简化电路，极大提高了电路性能，在实际设计中应越来越广泛被采用。
    （一） 基本功能模块的优化
    基本功能模块是仪表组成的核心部分，直接决定了仪表性能的好坏及成本的高低；而其中最为关键的器件该是MCU莫属了，MCU即单片微处理器，是智能化仪表的大脑和心脏。根据MCU的不同选择，目前市场上的称重仪表的基本功能电路可概括为以下几种组合模式：
    模式A：AMP+A/D+MCU+扩展RAM+ 扩展EPROM+扩展I/O+ E2PROM+键盘+显示驱动器+WDT
    分析：典型芯片有8031/8039/80C49/8751等。属早期MCU芯片，很多功能在外部扩展，MCU芯片及其扩展芯片已渐渐被市场淘汰，芯片集成商为应付早期产品只在少量生产，故芯片价格相当昂贵；该组合模式产品的稳定性及抗干扰性能也很差，产品难以通过EMC测试。
    模式B：AMP+A/D+MCU+ E2PROM+键盘+显示驱动器+WDT
    分析：MCU典型芯片有AT89C5X系列、W78E5X等，片内具有FLASH程序存贮器。
    由于该系列MCU无WDT功能，设计时要在外部护展，因而增加了一定的硬件成本，同时该系列MCU的I/O口无EMI/EMS处理措施，给产品可靠性留下隐患。优势是与模式A相比其性价比有所提高，目前称重控制仪采用该模式仍比较广泛。
    模式C：A/D+MCU+显示/键盘
    分析：MCU典型芯片有STC89XX系列、AVR系列等，该系列MCU内部集成了E2PROM及 WDT功能，I/O口有EMC措施，且价格不比模式B用MCU贵。因此仪表可靠性及硬件成本均得到极大改善。
    模式D：MCU+ E2PROM+显示/键盘
    分析：MCU将AMP、A/D及微处理器集成在一块芯片内，属混合信号MCU，代表芯片有AD公司的Adu8XX，TI公司的MSC121X，SILICON LAB公司的C8051F35X,等。该模式更加简化电路，在小型化、节电或本安应用中不失为一种好的选择方案。
    A/D选型：
    称重仪表用的A/D转换类型主要有：双积分型、三积分型、Σ-Δ型；双积分及三积分由于受A/D转换速度限制，一般在工业动态称重场合很少被采用；目前，市场上大多仪表均采用Σ-Δ型A/D转换，特点是A/D分辩率高，线性好，A/D转换速度又能满足工业动态称重的需求。目前市场上型A/D器件低中高档均有供货。建议控制仪表可选内带PGA的中档Σ-Δ型A/D芯片，比较经济和实用。

    （二） 各扩展功能的优化
    称重仪表的基本性能已由基本CPU板模块保证，由于仪表的扩展功能决定了称重仪表的实用性及档次的高低，因此对仪表扩展功能的接口电路也需巧妙选材，精心设计。工业现场用称重仪表的扩展功能主要有以下几类，分别介绍如下：
    1.打印模块：可设计成串口/并口兼容方式，打印单据一般需要时间/日期数据，可将时钟电路安排在打印接口板上。
    2. 4-20mA模块： 由于工业现场数据DCS系统传输采用4-20mA信号标准，因此称重仪表要与之兼容则要备有该功能模块。一般DCS系统的4-20mA有1‰精度就够了，选12位D/A转换器即可，高位数D/A会增加模块成本；
    该模块软件算法：MAout=weight/[max/(H_ma-L_ma)]
    其中 Maout：实时输出电流所需的D/A数字量
         weight：料重实时测量值； max：秤最大量程
         L_ma：秤处零位，4mA输出所需的D/A调节值
         H_ma：秤处满量程，20mA输出所需的D/A调节值
    该算法通过软件能方便被编程实现，可以大大简化硬件电路成本。
    3.通讯模块：由于工业DCS系统存在众多缺陷，目前，FCS系统（现场总线控制系统）正越来越广泛被应用在自动化控制当中，FCS系统技术主要以Profibus为主，要求现场过程控制设备具备基于RS485传输智能通讯接口。因而，工业称重仪表的通讯接口智能化设计已是大势所趋，从而使称重信息能在企业Intrnet(Ethernet)甚至Internet上互联互通，数据共享。而为基于RS485传输的工业称重仪表制定统一的通讯协议已迫在眉捷。建议采用下面基本通讯格式：STX（起始位）+IP地址+数据信息/命令+。。。+ETX（结束位）

IP地址：仪表地址编号

    工业称重仪表智能化通讯是发展趋势，是提高仪表性能和档次的具体体现，而且基于RS485传输的通讯成本也最低的。
    4.PWM模块
    在包装秤及定量给料秤需要通过振动方式加料时，该功能模块作用明显。

    振动加料器控制信号如图示：

    常规控制方法：一般为快中慢三段给料，需三只振动控制器，且该控制器均需通过电位器手动调节振动量。此种控制成本高，振动控制器易损坏。
    模块控制原理：交流过零时中断捕获振动调节量（与称重成比例同步变化），根据调节量控制定时器触发可控硅导通，从而达到自动调幅目的。如上图示t1,t2点为
触发时刻，且t2比t1时刻触发振动量大。
    特点：仪表全数字化设定及控制，振动量随物料多少自动无级调节。因此，这是一种具极低成本的、极高性能和可靠性的配料控制秤解决方案。
    5. I/O模块：
    在有些工业称重场合，称重仪表与PLC之间的信号联络越来越多，该I/O模块就显得必不可少。该模块输出信号方式：光电隔离型的OC门输出，或电磁隔离型的继电器干结点输出；注意电路中继电器线圈应两端反并一只二极管以吸收反势电压。
    另外该I/O模块也可设计成智能型的I/O接口，根据接收Profibus或PC机命令去执行相应I/O输入输出功能。
    6. BCD模块
    有些工业用秤场合，PLC与称重仪表之间通讯是通过交换BCD码来实现的。

    可将该模块设计成如下形式：

    特点：可以近距离的BCD卡与PLC以BCD码方式直接传输，也可远距离的仪表与BCD卡以Rs485方式间接传输，这样，在远程传输时可节省昂贵的BCD多芯电缆线成本和安装费用。

    （三） 称重控制软件的优化
    由于硬件的模块化设计极大的降低了成本，使得很多复杂的控制需要通过软件将各种功能整合在一起，而软件设计的边际成本几乎为零，因此软件的优化设计工作是低成本化工业仪表设计的灵魂。软件设计应当采用模块化设计方法，其流程图可如下图：

    五、抗干扰对策
    工业称重控制仪表作为智能化现场测控终端，往往运行在较恶劣的环境中，来自现场的干扰其频谱往往很宽，且具有随机性，这些干扰一旦串入仪表，将使仪表工作状态失常甚至造成死机。严重时将会使整个控制系统瘫痪。因此，工业称重仪表应从设计初期就要考虑电磁兼容性问题，并提出一些具体解决方案。由于电磁干扰产生必须具备三个条件，即干扰源，传播途径（传导和辐射），敏感设备。由于干扰源无法去控制，可以从设计上从切断传播途径，降低仪表电磁敏感度角度，从软硬件上提出综合解决方案如下：
    电磁辐射：其能量较低，仅对模拟信号有影响；措施有采用屏蔽信号线，仪表放大器输入端加LC/RC滤波器，放大电路或仪表壳体采用金属屏蔽，并将屏蔽体良好接地。软件上采取单层或多层滤波及判断法对数据进行处理，取出有效值。
    I/O线传导：主要由各种输入输出接口串入，对此种干扰只需将输入输出口采用光耦隔离措施即可；尽量采用I2C/SPI串口器件及贴片元件，以减少印板走线数量，模拟与数字电路分开布线，其接地点在DC电源输入端口处汇接。软件上，对输入信号进行多次判断后取值，对输出信号，采用与其复位状态相反的电平作I/O控制信号输出，对I2C/SPI串口器件控制字在程序运行中要经常去刷新。
    电源线传导：仪表干扰信号主要是由该部分引入。包括雷击、静电引起的浪涌尖峰电压，电感负载启停引起的反势浪涌尖峰电压，以及一些功率控制单元开闭引起的高频谐波等，这些干扰由于能量大有时将导致仪表工作瘫痪。在硬件上的对策是可采用直流电源两级稳压方式，先由开关电源初步稳压（可削除上述的串扰信号，及电网电压波动干扰），再在主CPU板上增加一级稳压，以提高电源纹波系数；其次在直流电输入端增加浪涌抑制二极管。软件上采用措施为：指令亢余、数据备份、软件陷井等手段。
    另外，震动和风力也是影响仪表工作的因素，震动和风力主要是通过影响传感器输出信号进而使仪表数据显示产生变动，此类解决方法，可通过软件滤波方式及逻辑判断法加以剔除。

六、结论

    综上所述，工业称重仪表的低成本优化设计，离不开电子新技术的广泛采用。新型MCU、新型I2C器件、新型Σ－ΔA/D等器件的选用及功能模块化设计将使仪表整机成本变得极低；另一方面，新技术应用加精心设计也使仪表EMC性能得到根本提高；而模块的高性能化设计和先进控制技术的应用极大地提升仪表的档次。总之，高性价比工业称重控制仪是市场之求，企业创富之源。

参考文献

    1．国家标准 GB/T-7724-1999 称重显示控制器
    2．王幸之等 单片机应用系统抗干扰技术 北京航空航天大学出版社
    3. 邹益仁等 现场总线控制系统的设计和开发 国防工业出版社
    4．[美] Hengry w.ott Noise Reduction Techniques In Electronic Systems（Second Edition）

<全文完>