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                                          工業稱重儀表低成本軟硬件優化方案
                                          時間:2016-09-29

                                          電子技術是數?;旌霞杉夹g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,增加了電路性能,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,給產品可信性留下隱患。優勢是與模式A相比其性價比有所增加,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。因此儀表可信性及硬件成本均得到改善。

                                          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,芯片有AD公司的Adu8XX,TI公司的MSC121X,SILICONLAB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器件低中高價位均有供貨。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,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,是增加儀表性能和檔次的具體體現,而且基于RS485傳輸的通訊成本也很低的。

                                          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,這是一種具低成本的、可信性的配料控制秤解決方案。

                                          (三)稱重控制軟件的優化

                                          由于硬件的模塊化設計的降低了成本,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。




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