- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
提高電子衡器性能的幾點探討
【摘 要】 衡器的電子結構勢必對稱重性能產生影響。本文就若干影響稱重質量和性能的電子因素提出意見，對甄別信號特征調理、降噪、數據轉換參數、軟件優先和基于PC的稱重技術的概念、選擇通行的總線標準和在大規模DCS系統中構建符合無線標準的衡器等方面做一些粗淺的探討。
標準我一直把衡器歸類于信息設備類別，隨著社會文明的發展，衡器對信息社會和知識型經濟的聯系越來越緊密，新需求促進新發展。稱重的本質是獲取重量信息的過程，衡器的機械結構和電子結構都是為這一目的服務的，且均對稱重的性能產生影響。本文僅對衡器電子線路的若干影響因素進行一些粗略的探討。
一、稱重信號測量
就稱重技術來說，如果從數據采集（DAQ，Data Acquisition）的角度進行分析，可能會收到較好的效果。限于篇幅，下面僅就稱重儀表有關的信號調理和采集處理做些討論。
1、甄別信號特征進行信號調理
衡器的結構確定以后，稱重儀表在體現衡器質量與功能上發揮關鍵作用。在稱重儀表中需要處理模擬與數字兩種的信號，并運用這兩種的信號完成預期的工作。模擬信號是對比于時間的值，而數字信號不能以時間為基準賦與任何數值，這是兩種截然不同的信號，認識兩種信號的特征并甄別調理是解決稱重技術的基礎。
模擬信號的主要特性是幅值（強度）、形狀及頻率。測量信號的強度時，系統的準確度非常重要。和信號的形狀或強度不同的是，頻率信號不能直接進行測量，必須使用傅利葉變形的軟件進行分析。當頻率是最重要的信息時，就必須同時考慮準確度和采集速度，確保獲此速度的條件稱為奈奎斯特取樣定理（Nyquist Sampling Theorem），得出了采樣頻率至少兩倍于輸入信號頻率。
數字信號的主要特性是狀態和速率。狀態只有高及低兩個可能值，通常要符合TTL（Transistor
to Transistor Logic）規格，當強度落在0至0.8伏特之間時，數字信號視為低；在2至5伏特之間則視為高。數字信號的速率是測量單位時間內某種特征信號出現的次數。數字信號的處理不需要復雜的軟件算法來確定。
借助于數據分析儀器，針對信號特征，通過仿真測試正確選擇出電路的設計參數，是稱重儀表成功的第一步。
2、最大程度降低噪聲的影響
有時盡管噪聲信號并不大，但當在稱重分度數小于200時傳感器的輸出電壓很低，這時除稱重儀表本身的噪聲、漂移會影響測量質量外，小信號在傳輸的過程中更容易被疊加的偏移電壓和噪聲歪曲，比如引起稱重儀表末位數字跳動，甚或稱重信號被噪聲湮滅，造成粗大測量誤差。這些誤差很大程度上是由白噪聲（覆蓋所有頻率的隨機噪聲）和1/f噪聲組成；熱電壓通常具有1/f特性，這意味著在信號上產生偏移量，而所做的測量越多，產生的漂移就會越大。降低噪聲干擾，是高靈敏度電子儀表所必須考慮的問題。
通過采取技術手段如適當濾波可以減小白噪聲；但濾波對1/f噪聲沒有明顯著作用，而1/f噪聲恰恰確定了測量噪聲的基底，利用斬波技術對付超低頻噪聲會有效果。
模數轉換中使用CHOP模式去除ADC的偏移誤差；ADC的參考源可以由傳感器電橋的激勵源
提供，采取比例測量方法抵消激勵源中的噪聲也是行之有效的措施。
搞技術的人更容易體會“細節決定成敗”的含義，制造與使用中，看似技術含量不高的諸如電路中的機械應力、熱梯度、熱電偶結點效應、熱隔離、溫度控制和觸點不潔等細微因素所產生的漂移切勿忽略。其它如信號遠離強干擾源、縮短信號源與模擬放大器的間距、加強電磁屏蔽等抗干擾效果，有時還是靠實踐得出。
現在的數字傳感器將模擬、數字和控制運算結合為一體，同時又高度集成了多種抗擾措施，實現了穩定的數據采集功能，并且以盡可能短的模擬信號傳輸距離換來了超長的數字信號傳輸距離，堪稱是有效降低噪聲和漂移電壓干擾的典范思想。
3、優化數據轉換參數
前面提及的模數轉換器，高分辨率和高速度一直是矛與盾的問題。24位的ADC放在25年之
前是不敢想象的，今天我們除崇拜這一成果外，還應在實踐中繼續研究。
首先，一個傳統ADC頻域傳輸特性中，輸入一個正弦信號，按照Nyquist定理，
以兩倍于輸入信號的頻率Fs采樣。根據快速傅里葉變換（FFT）分析可得一個基頻和一系列頻率分布于DC到Fs/2之間的隨機噪聲，這就是所謂的量化噪聲，主要是由于ADC的有限分辨率而造成的。我們所必須的信號噪聲比（SNR），就是基頻信號的功率與所有頻率的噪聲的功率之和（RMS）的比值。對于一個N位ADC，SNR可由公式：SNR=6.02N+1.76dB得到。在傳統ADC中，改善SNR的辦法是增加位數。
1 N位ADC以頻率fs采樣單音信號的頻譜分析
Σ-Δ型ADC把大部分轉換過程轉移到了數字域因而顯現其優勢，它更接近于數字器件，成本低廉且把高性能模擬與數字處理融合在一起，在整個電壓范圍內實現高水平的線性化，噪聲整形功能使低通數字濾波器能夠消除大部分噪聲并產生高精度的電壓測量，因而被稱重儀表廣泛采用。
如果將采樣頻率提高到kFs，利用過采樣系數k，FFT分析顯示噪聲基線降低了，SNR值雖未
改變，但噪聲能量卻分散到更寬的頻率范圍。Σ-Δ轉換器正是利用了這一原理，采用過采樣在多個頻率段分散量化噪聲，它與Δ-Σ調制器一起整形噪聲，使大部分噪聲不被包含在信號測量頻帶中，這樣RMS就降低了，使得Σ-Δ轉換器能夠從一個低分辨率ADC獲得寬動態范圍，即是以k倍采樣頻率經過Σ-Δ轉換器的濾波效果。
對整形后噪聲的濾除效果
一階的Σ-Δ調制器在每兩倍的過采樣率下可提供9dB的SNR改善。采用更多的積分與求和環節，可以提供更高階數的量化噪聲成形。例如，一個二階Σ-Δ調制器在每兩倍的過采樣率下可改善SNR 15dB，三階Σ-Δ調制器在每兩倍的過采樣率下可改善SNR 21dB。
雖然Δ-Σ轉換器的最終絕對精度主要取決于基準電壓的精度，但為了追求優化數據和最佳轉換結果，并非易事。隨著抽樣、調制時鐘和PGA的調整，相同數據速率在性能方面的表現會有所不同。另外一些問題還包括輸入阻抗、濾波器響應、抗混疊以及面對長期漂移等問題，需要耐心地選擇正確的參數。
二、硬件、軟件的無縫集成已成稱重儀表發展趨勢
1、樹立軟件優先的概念
隨著電子系統功能的日益強大和微型化，硬件和軟件不再是截然分開的兩個概念，而是親密結合、相輔相成。以軟件為核心的模塊化系統日臻完善，讓軟件發揮甚至替代硬件功能具有不可抵擋的優勢。比如在設計時以軟件實現全量程范圍內的多點校驗修正，除變動誤差外，其余誤差依照標準修正為零，測量達到理想的準確度；加入信號自動識別技術，能清除變動信號和粗大干擾信號等非正常信號的影響，又不存在硬件固有的延時效應，提高動態測量性能；發揮軟件的校驗修正能力，既能能減少硬件成本，更可提高準確度的長期穩定性。
現在出現了軟硬件協同（codesign）設計方法——使用統一的方法和工具對軟件和硬件進行描述、綜合和驗證，可以避免軟件、硬件體系獨立設計帶來的各自為政的弊病。設計中，軟件是滿足系統需求的首要選擇，系統設計者采用了軟件優先的設計理念，也是一場設計理念的革命。
國際流行的“軟件定義儀器”的思想，應當引起我們重視并值得借鑒，尤其對于新儀表開發甚有裨益。
衡器界的問題是軟件在稱重技術中的認識尚待提高，應用軟件、組態軟件的開發尚待加強。現在我們要做的工作是在系統中盡可能多的嵌合的軟件能模塊，盡可能多的實現以軟代硬，以取得衡器功能更大的擴展性和智能化的升級。
2、為數據采集硬件與PC總線的選擇說幾句話
（1）基于PC的稱重技術
信息社會對衡器的性能要求越來越高、功能要求越來越多，這樣任務幸虧有了計算機才得以完成。現在的稱重數據無不是包括收集傳感器的模擬信號以及放大、數字化，連接到PC以便分析、管理、儲存及通訊，形成了基于PC的稱重技術，更容易定制個性化的稱重系統。
特別是PC進入多核處理器時代，為衡器應用帶來的巨大的性能和吞吐量的提升，我們進入了基于PC的稱重技術的時代，把計算機變成了靈活、高性能的稱重和控制系統。
（2）為用戶利益，選擇通行的總線標準
由于目前基于不同PC技術構建的硬件平臺有很大靈活性，同時林林總總的總線也有如雨后春筍源源不斷涌現，于是各廠家的制式差異懸殊。但用戶不可能只買一家的產品，其總線標準的五花八門，令用戶很是煩惱。事實上用戶的最大利益是不管哪家產品，使用方便才好。由此出發，生產廠家還是盡可能集中選用主流總線，以提高設備的通用性為高。
當然選擇總線，首先考慮的是傳輸的數據量、是否有單點I/O需求、多臺設備是否要求同步、
有無便攜要求和測量結果與計算機的距離等基本要素。
當滿足上述基本要素后，就應考慮選擇常用總線，范圍縮小，以便于各廠家設備的駁接，減少用戶的茫然。外設部件互連總線PCI、可擴展至x16 數據通路的PCI Express、面向儀器系統的PXI、擴展的PXI Express、局域主干的以太網、具有IEEE 802.11x（x為版本號，如g、i等）標準的無線技術和成本低廉而方便的通用串行總線USB等都是通行的總線，能從不同的角度滿足廠家的選擇。
三、符合無線標準的衡器將有更廣闊的使用空間
大規模DCS系統中需布置很長的電纜或光纜，不僅成本高昂，而且長距離的電纜還容易引入噪聲。如果使用便攜式計算平臺將采集系統移至更接近信號源的地方，去除計算機與測量硬件之間的長線線連接，改用無線技術結合主干線以太網，可以更方便、靈活地進行分布式測量并將數據回傳至上位中央監控平臺。
實現這一構想的關鍵，是為遠端的稱重傳感器及其他參數采集裝置集成無線通訊功能，借鑒
WSN（wireless sensor network）技術，構建無線稱重傳感器網絡。
我們可以設想，如果在惡劣的、或危險的、或移動的的復雜環境中，不便在傳感器和稱重儀表間連接纜線，這時只要給數字稱重傳感器配置了無線輸出的能力，將不僅在傳輸距離、傳輸質量、傳輸場地等方面，而且在稱重系統的巡檢、診斷與定位等方面，都將帶來頗具競爭力的飛躍。
