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                    防爆电子秤性能探讨2016-03-28

                    我一直把防爆电子秤归类于信息设备类别,随着社会文明的发展,防爆电子秤对信息社会和知识型经济的联系越来越紧密,新需求促进新发展。称重的本质是获取重量信息的过程,防爆电子秤的机械结构和电子结构都是为这一目的服务的,且均对称重的性能产生影响。本文仅对防爆电子秤电子线路的若干影响因素进行一些粗略的探讨。
                    一、称重信号测量
                    就称重技术来说,如果从数据采集(DAQ,Data Acquisition)的角度进行分析,可能会收到较好的效果。限于篇幅,下面仅就称重仪表有关的信号调理和采集处理做些讨论。
                    1、甄别信号特征进行信号调理
                    防爆电子秤的结构确定以后,称重仪表在体现防爆电子秤质量与功能上发挥关键作用。在称重仪表中需要处理模拟与数字两种的信号,并运用这两种的信号完成预期的工作。模拟信号是对比于时间的值,而数?#20013;?#21495;不能以时间为基准?#31204;?#20219;何数值,这是两种截然不同的信号,认识两?#20013;?#21495;的特征并甄别调理是解决称重技术的基础。
                    模拟信号的主要特性是幅值(强度)、形状及频率。测量信号的强度时,系统的准确?#30830;?#24120;重要。和信号的形状或强度不同的是,频率信号不能直接进行测量,必须使用傅利叶变形的软件进行分析。当频率是最重要的信息时,就必须同时考虑准确度和采集速度,确保获此速度的条件称为奈奎斯特取样定理(Nyquist Sampling Theorem),得出了采样频?#25163;?#23569;两倍于输入信号频率。数?#20013;?#21495;的主要特性是状态和速率。状态只有高及低两个可能值,通常要符合 TTL(Transistor to Transistor Logic)规格,当强度落在 0 至 0.8 伏特之间时,数?#20013;?#21495;视为低;在 2 至 5 伏特之间则视为高。数?#20013;?#21495;的速率是测量单位时间内某种特征信号出现的次数。数?#20013;?#21495;的处理不需要复杂的软件算法来确定。借助于数据分析仪器,针对信号特征,通过仿真测试正确选择出电路的设计参数,是称重仪表成功的第一步。
                    2、最大程度降低噪声的影响
                    有?#26412;?#31649;噪声信号并不大,但当在称重分度数小于 200 时称重模块的输出电压很低,这时除称重仪表本身的噪声、漂移会影响测量质量外,小信号在传输的过?#35752;?#26356;容易被叠加的偏移电压和噪声歪曲,比如引起称重仪表末位数字跳动,甚或称重信号被噪声湮灭,造成粗大测量误差。这些误差很大程度上是由?#33258;?#22768;(覆盖所有频率的随机噪声)和 1/f 噪声组成;热电压通常具有 1/f 特性,这意味着在信号上产生偏移量,而所做的测量越多,产生的漂移就会越大。降低噪声干扰,是高灵敏度称重仪表所必须考虑的问题。
                    通过采取技术手段如适当滤波可以减小?#33258;?#22768;;但滤波对 1/f 噪声没有明显著作用,而 1/f 噪声恰恰确定了测量噪声的基底,利用斩波技术对付超低频噪声会有效果。模数转换中使用 CHOP 模式去除 ADC 的偏移误差;ADC 的参考源可以由称重模块电桥的激励源提供,采取比例测量方法抵消激励源中的噪声也是行之有效的措施。搞技术的人更容易体会“细节决定成败”的含义,制造与使用中,?#27492;?#25216;术含量不高的诸如电路中的机械应力、热梯?#21462;?#28909;电偶结点效应、热隔离、温度控制和触点不洁?#35748;?#24494;因素所产生的漂移?#24418;?#24573;略。其它如信号远离强干扰?#30784;?#32553;短信号源与模拟放大器的间距、加强电磁屏蔽等抗干扰效果,有?#34987;?#26159;靠实践得出。现在的数字称重模块将模拟、数字和控制运算结合为一体,同时又高度集成了多种抗扰措施,实现?#23435;?#23450;的数据采集功能,并且以尽可能短的模拟信号传输距离换来了超长的数?#20013;?#21495;传输距离,堪称是有效降低噪声和漂移电压干扰的典范思想。
                    3、优化数据转换参数
                    前面提及的模数转换器,高分辨率和高速度一直是矛与盾的问题。24 位的 ADC 放在 25 年之前是不敢想象的,今天我们除崇拜这一成果外,还应在实践中继续研究。
                    首先,一个传统 ADC 频域传输特性中,输入一个正弦信号,按照 Nyquist 定理,以两倍于输入信号的频率 Fs 采样。根据快速傅里叶变换(FFT)分析可得一个基频和一系列频率分?#21152;?DC 到 Fs/2 之间的随机噪声,这就是所谓的量化噪声,主要是由于 ADC 的有限分辨?#35782;?#36896;成的。我们所必须的信号噪声比(SNR),就是基频信号的功率与所有频率的噪声的功?#25163;?#21644;(RMS)的比值。对于一个 N 位 ADC,SNR 可由公式:SNR=6.02N+1.76dB 得到。在传统 ADC 中,改善SNR 的办法是增加位数。
                    二、硬件、软件的无缝集成已成称重仪表发展趋势
                    1、树立软件优先的概念
                    随着防爆电子秤功能的日益强大和微型化,硬件和软件不再是截然分开的两个概念,而是亲密结合、相辅相成。以软件为核心的模块化系统?#29031;?#23436;善,让软件发挥甚至替代硬件功能具有不可?#20540;?#30340;优势。比如在设计时以软件实现全量程?#27573;?#20869;的多点校验修正,除变动误差外,其余误差依照标准修正为零,测量达到理想的准确度;加入信号自动识别技术,能清除变动信号和粗大干扰信号等
                    非正常信号的影响,又不存在硬件固有的延时效应,提高动态测量性能;发挥软件的校验修正能力,既能能减少硬件成本,更可提高准确度的长期稳定性。
                    现在出现了软硬件协同(codesign)设?#21697;?#27861;——使用统一的方法和工具对软件和硬件进行描述、综合和验证,可以避免软件、硬件体系独立设计带来的各自为政的弊病。设计中,软件是满足系统需求的首要选择,系统设计者采用了软件优先的设计理念,也是一场设计理念的革命。国际流行的“软件定义仪器”的思想,应当引起我们重视并值得借鉴,尤其对于新称重仪表开发甚有裨益。
                    防爆电子秤界的问题是软件在称重技术中的认识尚待提高,应用软件、组态软件的开发尚待加强。现在我们要做的工作是在系统中尽可能多的嵌合的软件能模块,尽可能多的实现以软代硬,以取得防爆电子秤功能更大的扩展性和智能化的升级。
                    2、为数据采集硬件与 PC 总线的选择说几句话
                    (1)基于 PC 的称重技术
                    信息社会对防爆电子秤的性能要求越来越高、功能要求越来越多,这样任务幸亏有了计算机才得以完成。现在的称重数据无不是包括收集称重模块的模拟信号以及放大、数字化,连接到 PC 以便分析、管理、储存及通讯,形成了基于 PC 的称重技术,更容易定?#32856;?#24615;化的称重系统。
                    特别是 PC 进入多核处理器时代,为防爆电子秤应用带来的巨大的性能和吞吐量的提升,我们进入了基于 PC 的称重技术的时代,把计算机变成了灵活、高性能的称重和控制系统。
                    (2)为用户利益,选择通行的总线标准
                    由于目前基于不同 PC 技术构建的硬件平台有很大灵活性,同时?#33267;?#24635;总的总线也有如雨后?#26680;?#28304;源不断涌现,于是各厂家的制式差异悬殊。但用户不可能只买一家的产品,其总线标准的五花八门,令用户很是烦恼。?#29575;?#19978;用户的最大利益是不管哪家产品,使用方便才好。由此出发,生产厂?#19968;?#26159;尽可能集中选用主流总线,以提高设备的通用性为高。当然选择总线,首先考虑的是传输的数据量、是否有单点 I/O 需求、多台设备是否要求同步、有无便携要求和测量结果与计算机的距离?#28982;?#26412;要素。当满足上述基本要素后,就应考虑选择常用总线,?#27573;?#32553;小,以便于各厂家设备的?#21040;櫻?#20943;少用户的茫然。外设部件互连总线 PCI、可扩展至 x16 数据通路的 PCI Express、面向仪器系统的 PXI、扩展的 PXI Express、局域主干的以太网、具有 IEEE 802.11x(x 为版本号,如 g、i 等)标准的无线技术?#32479;?#26412;低廉而方便的通用串行总线 USB 等都是通行的总线,能从不同的角度满足厂家的选择。
                    三、符合无线标准的防爆电子秤将有更广阔的使用空间
                    大规模 DCS 系统中需布置很长的电缆或光缆,不仅成本高昂,而?#39029;?#36317;离的电缆还容易引入噪声。如果使用便携式计算平台将采集系统移至更接近信号源的地方,去除计算机与测量硬件之间的长线线连接,改用无线技术结?#29616;鞲上?#20197;太网,可以更方便、灵活地进行分布式测量并将数据回传至上位中央监控平台。
                    实现这一构想的关键,是为远端的称重模块及其他参数采集装置集成无线通讯功能,借鉴WSN(wireless sensor network)技术,构建无线称重模块网络。我们可以设想,如果在恶劣的、或危险的、或移动的的复杂环境中,不便在传感器和称重仪表间连接缆线,这时只要给数字称重模块配置?#23435;?#32447;输出的能力,将不仅在传输距离、传输质量、传输场地?#30830;?#38754;,而?#20197;?#31216;重系统的?#24067;臁?#35786;断与定位?#30830;?#38754;,都将带来颇具竞争力的飞?#23613;?/p>

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