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工业称重仪表低成本软硬件优化方案-(XINWEN)

发布时间:2021-10-08 15:16:46 阅读: 来源:搅拌站除尘器厂家

工业称重仪表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。

(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。

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