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2009年3月30日

工业称重仪表的低成本化设计

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:OIMLIII级

⑵动态准确度:优于1‰

⑶A/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,SILICONLAB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。

2009年3月28日

怎样合理选用电子衡器和称重仪

  电子衡器的使用已遍及各个行业,并已得到了广泛的使用。它不但具有高精度的计量,而且实现了多功能、多用途。目前国内生产电子衡器的厂家已发展到了数百家,主要以非自动衡器和自动衡器为主。

电子衡器已从过去的引进技术进入了自行开发和设计的时期,尤其是用于非自动衡器方面的称重显示控制器的开发突飞猛进。

衡器发分自动衡器和非自动衡器两大类,而市场上普遍使用的是非自动衡器。它主要用于贸易结算方面,也是群众接触最多的电子衡器,例如其中普遍使用的电子计价秤、电子台秤和电子汽车衡;自动衡器一般较常见于工矿企业的配料秤、定量包装秤等。

电子衡器主要是由称重显示控制器、称重传感器和电器控制等部分组成,合理选用称重显示控制器和称重传感器是决定该厂品质量的关键,它决定了秤的精度、可靠性以及故障因数等参数。

怎样合理选购电子衡器和称重显示控制器这是用户最关心的问题。

一、电子衡器的选购

目前市场上销售的衡器其精度等级为(III)级秤,显示分度一般为3000分度,其最小分度值根据秤量的大小从1g至50 kg不等,(例如15 kg的电子计价秤其最小分度分度值为5g)。

在选购时:如以15 kg的电子计价秤为例;1、在空秤状态下和最大秤量状态下数字均显示稳定(不眨眼);2、用三分之一最大秤量的砝码(或接近此值的重物)放于秤台面1/4(将秤台面均分4份)的范围内测试各点数字是否一致;3、如有条件取最大秤量的标准砝码放于秤台面上测试其准确度;4、取接近最大秤量的标准砝码(或接近此值的重物)重复加载3次,测试各次数字是否一致;5、按各功能键,测试各功能键是否接触良好,是否达到目的;

二、称重显示控制器的选购

1、 仪表种类
就其功能来分:有单功能、多功能和专用仪表。如上海寺冈、耀华、三积分;常州托利多;杭州科利等几个称重显示控制器生产厂的产品质量经国家监督抽查表明连续两年合格、品质较为稳定;新产品的诞生标志着国内生产称重显示控制器的能力日趋雄厚,起点高、功能强。
根据传感器输出信号特点,可配接模拟量输出信号的传感器、也可配接数字量输出信号的传感器,另外尚有计价功能,具有一表多用。其系列中的单功能仪表有A1---计量式,A2---计数式等。

2、多功能仪表和单功能仪表的利弊
多功能仪表:它的适应性较强,可广泛配用于各种非自动电子衡器和自动电子衡器。但软件开发周期长和硬件的支持费用高,所以它的制造成本较高。
单功能仪表:软件开发周期短,硬件也少,所以它的制造成本较低。
专用仪表;制造成本在单功能和多功能之间。就使用故障率而言,相比之下多功能要高些。

称重仪表使用维护注意事项

  电子衡器中所使用的称重仪表都属于精密仪器仪表一类,在安装、使用、维护上都必须按说明书中的要求去做,才能确保仪表的安全、正常、准确。否则可能导致仪表损坏,或缩短其使用寿命。

1. 安装:一般应选择清洁、干燥、通风、温度适宜的环境放置仪表。仪表位置应固定,不要经常移动,否则可能导致信号电缆插头内部引线脱落而产生故障。

2. 电源:称重仪表(如8142、8530等系列)大多使用220伏交流电源,电压允许变化范围一般为187伏---242伏。在变更电源线路后切记先要测量电压是否符合要求,才能给仪表通电。如果误把380伏电源通到仪表上可能会引起损坏。电源电压波动较大的场合应配备性能良好的稳压器(如CW型交流参数稳压器)来保证仪表的正常使用。不要与强干扰源(如电动机、电铃、日光灯)使用同一电源插座,以免仪表显示值不稳定。有的仪表(如HAWK表等)为交直流两用。在装入干电池使用时应注意,电池漏液会损坏仪表。长期不使用电池供电时,应取出电池。

3. 接地: 称重仪表应连接独立且良好的接地线(接地电阻<4欧姆,接地引线应尽量地短)。接地线有双重作用:它既具有保护操作人员人身安全,同时也具有重要的抗干扰作用,能确保仪表稳定地工作,地线连接在仪表电源插座上,若把仪表地线接在公共的强电保护地线上,这样可能会对仪表产生电源干扰,使仪表显示值波动。应定期检查地线连接点是否接触良好。因为经过较长时间后,各连接点产生氧化,锈蚀等情况会使仪表实际上不起作用。

4. 防晒:应避免阳光直射在仪表黑色外壳上,否则有可能会使仪表工作环境超过额定温度范围而损坏。

5. 防水:一般情况下,仪表工作环境的湿度虽可达95%,但都规定不能产生结露。特殊的具有防水功能的不锈钢外壳仪表除外。

6. 防腐:腐蚀性物质不能渗进仪表内部,否则会对线路板上的器件和线路板本身产生腐蚀,时间一长,可能会使仪表报废。即使是具有防腐功能的仪表,如果封闭不严,也会有同样的结果。

7. 防雷击:电子衡器属于弱电系统,容易受到雷电的袭击而损坏部件。雷电主要从两个方面进入仪表:由电源线导入和由秤台经信号缆导入。在正常天气下,操作人员只要操纵电源开关即可,但在可能发生近距离雷击的情况下,必须拔下仪表电源插头及秤台信号电缆插头。最好采取防雷击措施,例如在仪表电源回路中增加防浪涌保护器等。

8. 防强电:220伏以上的电源火线意外地搭到秤台或利用秤台作地线,在秤台上进行电焊操作都有可能损坏仪表。

9. 清洁:在工业环境下,仪表外壳上会有积灰或受到污染,必须在断电情况下经常用湿抹布擦干净。但要注意不能用酒精等溶剂擦拭显示窗,这样会使透光性能变坏,显示模糊不清。

10. 防静电:一旦仪表损坏,就要送修。有的单位为了使来回传递的速度加快,喜欢把仪表的PCB板拆下来,用特快专递邮寄,这就产生一防静电的问题。取PCB板时要手持板的四角,切勿用手摸到有集成块引脚的地方。因为这样容易让静电击坏集成块。拆下的PCB板应立即装入屏蔽袋,在没有屏蔽袋的情况下可用普通报纸包好。如果随手把板放在高绝缘的桌面上就有可能损坏PCB板。在收到已修好的PCB板,需要重新装入仪表时,也同样要注意防静电。

11. 防震动:仪表运输时,最好放在原包装箱中,或采取合适的防震动措施。

12. 防爆:如果仪表使用在复合型或本安型防爆系统中,应遵循防爆的有关规定。

13. 职责:电子衡器是一种比较先进的称重系统,应由经过培训的人员专门负责操作和维护。目前大部分称重仪表都通过软件上的参数设定和校正来确定衡器的功能及性能。一旦这些参数被随意更改,就可能影响称量的准确性及功能(如不打印或不通讯等)。所以,确定操作人员和维护人员各自的职责也是十分重要的。

电子汽车衡和电子平台衡日常保养

很好的使用环境和定期的维护保养,能提高称量的准确性和可靠性,延长电子衡器的使用寿命。维护保养的目的就是:预防为主,防患于未然。

电子汽车衡、电子地上衡:

机械部分:

* 汽车衡秤台四周的间隙不得有异物卡死,如有异物卡住则必须清除干净

* 经常清扫秤体台面,保持清洁(建仪:每年一次秤体表面油漆)

* 连接件每半年进行一次保养,支承头部清洁后涂抹上黄油

* 汽车衡秤台上严禁电焊作业或将秤台作为地线使用

* 传感器和秤台的限位间隙为 2~3mm,如间隙不合适则必须调整

* 基坑内不应积水,因暴雨等到原因造成基坑积水,应立即用抽水机抽掉或疏通排水道,并采取干燥措施后仪表方可通电

* 过衡车辆最高时速不得大于5km/h

* 过衡车辆及货物总重不应超过允许轴载和额定称量

仪表部分:

* 称重显示仪、打印机、计算机的外观保持干净清洁

* 经常检查各接线是否松动、断裂,接地线是否牢靠

* 保持接线盒干燥清洁,盒内干燥剂定期烘干更换。盒内如有水滴,可用电吹风烘干。

* 仪表在毛重状态下,空秤时,如果发现零光标不亮,称量前应清零

* 汽车衡定期由法制计量管理部门检定

* 下班时,切断称重显示仪和其他电器的电源

* 磅房内应具有防火等消防保安措施

* 司磅员经培训后持证上岗操作

工业称重仪表的总体设计要求

一、 仪表设计的综合要求
称重仪表功能要求
1.必备外部功能要求
1)数字显示——显示称重结果(LED数码管、VFD荧光数码管或LCD
液晶板)
2)置零——使显示的数字回到零点
3)去皮——去除皮重,显示净重。
4)数字标定(确定量程、分度值、小数点位数)
5)超载指示——最大秤量超过9d不再显示。
6)零点指示——当衡器在零点时,给出提示。

2. 必备的内部功能
1) 数据稳定设置——对采样数据进行滤波处理的强度设置
2) 零点跟踪范围选择——根据使用情况对选择不同的零点跟踪
范围

3. 可增加的外部功能
1) 累计——对每次称重结果进行累计,并可以显示累计结果。
2) 打印——可以输出某种形式的打印命令和数据格式。
3) 通讯——通过串口输出通讯命令与数据。
4) I/O输入输出——通过光隔离输入外部的控制信号或输出控制
信号,控制外设工作。

4. 可增加的内部功能
1) 仪表工作方式设置——选择不同的工作方式,用于不同的工
作目的。
2) A/D转换速度设置——根据不同的使用场合需要,选择不同的
a/d 转换速度.
3) 密码设置——设置系统进入密码,防止有人任意修改标定参
数。
4) 打印方式设置——选择不同的打印机驱动;打印不同格式的
磅单

称重仪表的硬件电路
称重仪表的硬件电路一般由以下几块组成:
1.A/D模块——转换传感器模拟信号为数字信号
2.CPU模块——运算、存储数据,发布控制指令
3.显示模块——显示重量和参数
4.接口模块——控制打印、通讯等外设工作
5.I/O 模块——输出和输入信号的接口
6.电源模块——向仪表电路提供电源
7.键盘电路——向仪表输入数据和指令

二、仪表设计中A/D器件的选择
目前称重仪表设计中常用的A/D转换器基本有两种形式。一种是积
分式A/D转换器,另一种为Σ-Δ式A/D转换器。后一种成本较高,但转
换位数多,转换精度高,而且转换速度远高于积分型A/D,所以已经逐
步被愈来愈多的人采用。例如5532A/D转换器转换位数为24位,误差仅
为±1码,外围器件很少,内设高精度放大器,不需要精密电阻,转换
速度可以达到800次/s。是一款非常好用的A/D器件。

三、 仪表抗干扰设计要求
仪表的抗干扰能力的高低直接影响仪表的工作性能,抗干扰性能
差的仪表,在工作中经常遇到死机、程序跑飞的现象。仪表的抗干扰设
计应该从以下几个方面入手:
1. 电源电路
1) 采用浮地技术。即仪表外壳接大地,内部浮地。采用双层屏
蔽变压器。即在初级线圈与次级线圈之间加两层静电屏蔽
层,靠近初级线圈的屏蔽层接外部机壳和大地,内层屏蔽接仪
表地。
2) 采用抗干扰性能较好的C型或R型变压器。对称的线圈布置,
电磁干扰相互抵消,使得干扰信号减少到最小。
3) 采用较大的滤波电容,储存较多的电能,在外部电压发生突
变时,可以将其缓冲。
4) 国产电源滤波器选用要合理,电源滤波器中滤波电容接地的
抗干扰能力强,但耐压试验难过关。滤波器中滤波电容浮地
的抗干扰能力弱,但耐压试验能过关。

2. 信号输入电路
1) 输入信号线采用屏蔽线,屏蔽端一点接地(仪表外壳)
2) 信号线进入仪表后,每一根信号线上穿上一个空心磁环,配
合电容器组成一个LC滤波器,减少外界引入的干扰。

3. 集成电路芯片的选择
1) 尽量采用高集成度,小体积的器件,减少被干扰的可能性。
2) 如有可能,尽量不采用可编程器件,应为可编程器件一旦被
干扰,搅乱了内部的可编程序,器件失效后会导致部分系统不
能正常工作。
3) 带有高电压大电流的器件,尽可能地放在机箱外面,以免瞬
变的电压或电流造成机箱内部产生较大的干扰信号。
4) 采用合理的电路,把干扰减少到最少。例如采用数据放大器
而不采用普通放大器。

4. 线路板设计
1) 线路要按照信号的流向排布,来回走向的线路容易引起附加
干扰。
2) 要按照屏蔽的要求屏蔽那些需要屏蔽的器件(如A/D转换
器),模拟地与数字地要分开走,最后在电源处一点连通。
3) 容易产生干扰的器件(如变压器)要尽可能地隔离开。
4) 容易产生温度器件要远离精密元件,如运放和A/D器件。
5) 接地线、电源线要有足够的宽度(一般来说1mm宽设计工作电
流为1A),保证电流通过时产生最小的电压降。

5. 屏蔽于接地
1) 采用双层屏蔽技术,仪表内部浮地。仪表外壳接大地。
2) A/D器件和电路采取屏蔽处理,隔离外界的干扰。
3) 传感器信号线屏蔽,防止干扰信号进入。

6. 软件设计
1) 采用看门狗技术,即时恢复跑飞的程序。
2) 对可编程器件,只要许可,在运行过程中重复对其进行初始
化,防止因干扰破坏其设定的运行程序。
3) 尽可能地设计多层循环语句,一旦发生程序干扰出错,能及
时地返回到正确的道路上来。

7. 机箱设计
1) 采用金属机箱,提高抗电磁干扰能力。
2) 尽量减小机箱上开孔尺寸,防止电磁波干扰的进入。
3) 在开孔位置安装金属丝网,能够阻挡部分干扰对象的进入,

如果按照以上要求来设计称重仪表,设计出的仪表就不会出现拉
拉日光灯,开开电钻,数字就乱跳,打个手机数字也乱跳,有的甚至会
死机。这样的仪表是不能运用于工业环境的。

我国的称重仪表行业发展十分迅猛

我国生产的主要属于静态衡器使用的称重仪表,其在计量要求、技术性能、功能和外观上已达到国外同类产品的先进水平,在价格上又低于国外同类产品,具有较强的出口潜力,而自动衡器用的动态称重仪表,与国外同类产品还有一定的距离,尤其在动态稳定性上存在较大差距,我国进口的称重仪表大多是这类产品。


  近几年,我国称重仪表行业发展十分迅猛。目前,我国称重仪表的生产厂家已有近百家,产量从1996年的1.1万台到2002年的约10万台,几年内产量几乎增加10倍;2002年的产值为1.3亿元,比2001年增加近30%。


  但在这百家企业中,相当一部分企业产量较低,有的企业仅能配备本企业的衡器产品,这些企业基本上没有市场竞争力。国内仅有几家企业的产品不但产量大,而且质量稳定,从内部结构到外形都更加完美,达到国际同类产品的先进水平,具有较强的市场竞争力。


  我国生产的主要属于静态衡器使用的称重仪表,其在计量要求、技术性能、功能和外观上已达到国外同类产品的先进水平,在价格上又低于国外同类产品,具有较强的出口潜力,而自动衡器用的动态称重仪表,与国外同类产品还有一定的距离,尤其在动态稳定性上存在较大差距,我国进口的称重仪表大多是这类产品。


  业内有关专家认为,今后几年,称重仪表的发展动向是,在性能上,向高速率、高灵敏度、高准确度、高可靠性方向发展;在功能上,向交直流两用、多功能或专用功能、接口丰富、便于与计算机连接方向发展;在品种上,专用的、动态的、自动在线的称重仪表及称重计算机将有较大发展;在结构上,向小型化、便携式、车载式、模块化、组合化、嵌入式、壁挂式的方向发展;外观更加美观,向人性化、个性化设计方向发展。那种简易型、价格适中、交直流两用的称重仪表将是市场销售的主流。

2009年3月27日

工业称重仪表的抗干扰与处理搅拌系统复杂工况的要求

--作者:西安筑路机械有限公司搅拌事业部 赵飞

前言
作为工业自动化核心部件的称重仪表,不同于商用衡器,往往面临更复杂的工况。对于拌和站电磁环境比较恶劣的情况下,一些大规模集成电路常常会受到干扰,导致不能正常工作或在错误状态下运行,造成的后果往往是很严重的。因此对抗干扰性能的了解是称量仪表选型的关键。我们在对珠海市长陆工业自动控制系统有限公司生产的UNI800与TR600和其它同类厂家产品进行反复比较过程中,获得了一个好单片机系统(称重仪表)应具备的抗干扰性能方面的分析经验。在此与同行分享,希望以此促进行业技术水平的提高。仪表电磁兼容性(EMC)是一项重要指标,它包含系统的发射和敏感度两方面的问题。如果一个单片机系统符条件合下面三个条件,则该系统是电磁兼容的:

1.对其他系统不产生干扰;

2.对其他系统的发射不敏感;

3.对系统本身不产生干扰;

假若干扰不能完全消除,但也要使干扰减少到最小。干扰的产生不是直接的(通过导体、公共阻抗耦合等),就是间接的(通过串扰或辐射耦合)。电磁干扰的产生是通过导体和通过辐射,很多磁电发射源、如光照、继电器、DC电机和日光灯都可以引起干扰;AC电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速单片机系统中,时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源,这些电路可产生高达300MHz的谐波失真,在系统中应该把他们去掉。另外,在单片机系统中最容易受影响的是复位线,中断线和控制线。

1.干扰的耦合方式

(1)传导性EMI

一种最明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可检拾噪声并把噪声送到其他电路引起干扰。设计人员必须避免导线检拾噪声和在噪声引起干扰前用去耦办法去除噪声。最普通的例子是噪声通过电源进入电路。若电源本身或连接到电源的其他电路是干扰源,则在电源线进入电路之前必须对其去耦。

(2)公共阻抗耦合

当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定,来自两个电路的地电流流过共地阻抗。电路a的地电位被电流b调制,噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路b耦合到电路a。

(3)辐射耦合

经辐射的耦合通称串扰。串扰发生在电流流经导体时产生电磁场,而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。

(4)辐射发射

辐射发射有两种基本类型;差分模式(DM)和共模(CM)。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的,它使电路中所有地连接抬高到系统电地位之上。就电场大小而言,CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小,必须用切合实际的设计使共模电流降到零。

2.影响EMC的因数

(1)电压。电源电压越高,意味着电压振幅越大,发射就更多,而低电源电压影响敏感度。

(2)频率。高频产生更多的发射,周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中,当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中,当负载电流变化时产生电流尖峰信号。

(3)接地。在所有EMC问题中,主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在频率低于1MHz时,可采用单点接地方法,但不适宜高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的接地电路绝不能混合。

(4)PCB设计。适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。

(5)电源去耦。 当器件开关时,在电源线上会产生瞬态电流,必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压,高di/dt产生大范围的高频电流,激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降,减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

3.称量仪表对抗干扰与复杂工况处理的硬件要求

在硬件上 我们要求仪表厂家必须具有以下措施:

(1) PCB及电路抗干扰措施

印刷电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施作一些说明。

① 电源线设计

根据印刷线路板电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻;同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。

② 地线设计

在单片机系统设计中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合来使用,可解决大部分干扰问题。单片机系统中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。

在地线设计中应注意以下几点:

a.正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10MHz,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。

b. 数字地与模拟地分开。电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地;高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔,要尽量加大线性电路的接地面积。

C.接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条,则接地电位会随电流的变化而变化,致使电子产品的定时信号电平不稳,抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于印刷电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3 mm。

d.接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印刷电路板的地线系统时,将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于:印刷电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地线上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降;若将接地线构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

③ 退耦电容配置

PCB设计的常规做法之一,是在印刷板的各个关键部位配置适当的退耦电容。退耦电容的一般配置原则是:

a.电源输入端跨接10~100μF的电解电容器。如有可能,接100μF以上的更好。

b.原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容。如遇印刷板空隙不够,可每4~8个芯片布置一个1~10pF的钽电容。

c.对于抗噪声能力弱、关断时电源变化大的器件,如RAM、ROM存储器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。

d.电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。

此外,还应注意以下两点:

a.在印刷板中有接触器、继电器、按钮等元件时,操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1~2kΩ,C取2.2~47μF。

b.CMOS的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时,对不用端要接地或接正电源。

(2)输入/输出的电磁兼容性设计

在单片机系统中输入/输出也是干扰源的传导线,和接收射频干扰信号的拾检源,称重仪表设计时一般要采取有效的措施:

①.采用必要的共模/差模抑制电路,同时也要采取一定的滤波和防电磁屏蔽措施以减小干扰的进入。

②.在条件许可的情况下尽可能采取各种隔离措施(如光电隔离或者磁电隔离),从而阻断干扰的传播。

(3)单片机复位电路的设计

在单片机系统中,看门狗系统对整个单片机的运行起着特别重要的作用,因为所有的干扰源不可能全部被隔离或去除,一旦进入CPU干扰程序的正常运行,那么复位系统结合软件处理措施就成了一道有效的纠错防御的屏障了。常用的复位系统有以下两种:

①.外部复位系统。外部“看门狗”电路可以自己设计也可以用专门的“看门狗”芯片来搭建。然而,他们各有优缺点,大部分专用“看门狗”芯片对低频“喂狗”信号不能响应,而高频“喂狗”信号都能响应,使其在低频“喂狗”信号下产生复位动作而在高频的“喂狗”信号下不产生复位动作,这样,如果程序系统陷入一个死循环,而该循环中恰巧有着“喂狗”信号的话,那么该复位电路就无法实现它的应有的功能了。然而,我们自己可以设计一个具有带通的“喂狗”电路和其他复位电路构成的系统就是一个很有效外部监控系统了。

②.现在越来越多的单片机都带有自己的片上复位系统,这样用户就可以很方便的使用其内部的复位定时器了,但是,有一些型号的单片机它的复位指令太过于简单,这样也会存在象上述死循环那样的“喂狗”指令,使其失去监控作用。有一些单片机的片上复位指令就做的比较好,一般他们把“喂狗”信号做成固定格式的多条指令依顺序来执行,如果有一定错误则该“喂狗”操作无效,这样就大大提高了复位电路的可靠性。

(4)振荡器

大部分的单片机都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。在PCB上,要求外接是电容、晶体或陶瓷谐振器的引线越短越好。RC振荡器对干扰信号有潜在的敏感性,它能产生很短的时钟周期,因而最好选晶体或陶瓷谐振器。另外,石英晶体的外壳要接地。

(5)防雷击措施

室外使用的单片机系统或从室外架空引入室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击问题。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。气体放电管是当电源的电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导入大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃上千A的电流。

(6)电源系统抗干扰

由于工业电源特别是搅拌设备的电源工况复杂,因此如何在不稳定电源场合确保仪表工作稳定尤为重要。

常用的开关电源与线性电源相比各有优缺点:开关电源作为恒功率器件,外部供电电压高则输出电流小,电压低则输出电流大,从而维持输入到仪表内部的功率恒定,从而减少仪表内部温度差,更不会因过热造成元件损坏。而线性电源在电压升高时,电流将增大,特别是电压运行高于240VAC时,内部温升加快,会造成变压器或三端稳压器等损坏,在低于220VAC时,会造成运行不可靠或停止运行。所以一般工业控制采用开关电源方式,而试验或商用设备采用线性电源较为合理。由于电源波动会造成仪表输出的激励电压波动,因此称量值会随之变化,故应采用较为保险的多级稳压方案。UNI800与TR600均采用二级稳压,当外部电压波动,对仪表读数影响甚小;而有些仪表采用一级稳压,称重数值随外部电压波动而异常变化根本无法满足要求。

(7)模拟信号输出

有些称重仪表厂家为降低成本,往往采用12位脉宽调制方法输出模拟信号,这有几个坏处:①由于脉冲来自单片机系统,占用晶振资源,往往造成输出模拟值滞后仪表读数很多;②低位数的脉宽调制往往在重复性、线性上较差,再加上信号给上位机进行A/D转换又有精度损失,故此方案用于配料 精度高场合不可行。UNI800及TR600由于采用16位DA转换输出模拟信号而成为较佳的选择。

(8)来自称体的干扰

由于秤体的结构变化或物料的粘附等造成称重数值漂移,因此必须在启动配料时须有自动清零功能,UNI800与TR600的此功能确保每次配料的准确性。

(9)信号输入范围

很多添加量较小的材料因秤体自重较重,零位信号较高,放大信号也由于使用3mv/v传感器而接近30mv,对于此要求很多仪表由于放大器设计所限最大只能接受25mv信号而导致不能调校,只能通过加高精度电阻下拉信号电压,但这往往对于野外作业的工地是个难题。因此有合理的适合搅拌系统使用信号输入范围也应成为选型要求之一。UNI800及TR600产品,零位可调电压在0-15mv,放大可调最大至35mv,非常适合沥青秤、外加剂秤使用。

4.对干扰措施的软件处理方法

电磁干扰源所产生的干扰信号在一些特定的情况下(比如在一些电磁环境比较恶劣的情况下)是无法完全消除的,最终将会进入CPU处理的的核心单元,这样在一些大规模集成电路常常会受到干扰,导致不能正常工作或在错误状态下工作。特别是像RAM这种利用双稳态进行存储的器件,往往会在强干扰下发生翻转,使原来存储的“0”变为“1”,或者“1”变为“0”;一些串行传输的时序及数据会因干扰而发生改变;更严重的会破坏一些重要的数据参数等;造成的后果往往是很严重的。在这种情况下软件设计的好坏直接影响到整个系统的抗干扰能力的高低。

⑴ 程序会因为电磁干扰大致会一下几种情况:

①程序跑飞。

这种情况是最常见的干扰结果,一般来说有一个好的复位系统或软件帧测系统即可,对整个运行系统的不会产生太大的影响。

② 死循环或不正常程序代码运行。

当然这种死循环和不正常程序代码并非设计人员有意写入的,我们知道程序的指令是由字节组成的,有的是单字节指令而有的是多字节指令,当干扰产生后使得PC指针发生变化,从而使原来的程序代码发生了重组产生了不可预测的可执行的程序代码,那么,这种错误是致命的,它会有可能会去修改重要的数据参数,有可能产生不可预测的控制输出等一系列错误状态。

⑵ 对重要参数储存的措施

一般情况下,我们可以采用错误检测与纠正来有效地减少或避免这种情况的出现。根据检错、纠错的原理,主要思想是在数据写入时,根据写入的数据生成一定位数的校验码,与相应的数据一起保存起来;当读出时,同时也将校验码读出,进行判决。如果出现一位错误则自动纠正,将正确的数据送出,并同时将改正以后的数据回写覆盖原来错误的数据;如果出现两位错误则产生中断报告,通知CPU进行异常处理。所有这一切动作都是靠软件设计自动完成的,具有实时性和自动完成的特点。通过这样的设计,能大大提高系统的抗干扰能力,从而提高系统的可靠性。

检错与纠错原理:

首先来看看检错和纠错的基本原理。进行差错控制的基本思想是在信息码组中以一定规则加入不同方式的冗余码,以便在信息读出的时候依靠多余的监督码或校码码来发现或自动纠正错误。

针对误码发生的特点,即错误发生的随机性和小概率性,它几乎总是随机地影响某个字节中的某一位(bit),因此,如果能够设计自动纠正一位错误,而检查两位错误的编码方式。就可以大大提高系统的可靠性。

⑵ 对RAM和FLASH(ROM)的检测

在编制程序时我们最好是写入一些检测程序来测试RAM和FLASH(ROM)的数据代码,看有无发生错误,一旦发生要立即纠正,纠正不了的要及时给出错误指示,以便用户去处理。

另外,在编制程序时加入程序冗余是不可缺少的。在一定的地方加入三条或三条以上NOP指令对程序的重组有着很有效防止作用。同时,在程序的运行状态中要引入标志数据和检测状态,从而及时发现和纠正错误产生。

后记

总的来说为了提高单片机系统的电磁兼容性,不仅要合理设计PCB板,而且要在电路结构上及软硬件中采取相应的措施。最后我们还对珠海市长陆工业自动控制系统有限公司在冶金、混凝土、粮油饲料、化工、等行业国内外用户应用情况进行了广泛考察,在作为单片机系统的称重控制仪表UNI800和TR600系列的设计、制造、安装和运行的各个阶段,正是通过以上各种抗干扰手段的运用,并经过形形色色的现场环境模拟及实际工作实验,造就了“金刚不坏之躯”,保证称重仪表在各种工况下长期稳定、可靠、安全地运行。该公司并因此获得同类产品中为数不多的由著名认证企业SGS公司签发的CE认证,由此获得进入发达国家工业自动化市场的通行证,拥有与世界老牌企业同类产品竞争的利器。 因此我公司决定选用该公司产品,实际应用证明我们的选择是正确的,是西筑搅拌设备可靠保证的重要因素之一。