提高電子衡器性能

我一直把衡器歸類于信息設(shè)備類別，隨著社會(huì)文明的發(fā)展，衡器對信息社會(huì)和知識(shí)型經(jīng)濟(jì)的聯(lián)系越來越緊密，新需求促進(jìn)新發(fā)展。稱重的本質(zhì)是獲取重量信息的過程，衡器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)都是為這一目的服務(wù)的，且均對稱重的性能產(chǎn)生影響。本文僅對衡器電子線路的若干影響因素進(jìn)行一些粗略的探討。

一、稱重信號(hào)測量

就稱重技術(shù)來說，如果從數(shù)據(jù)采集（DAQ，Data Acquisition）的角度進(jìn)行分析，可能會(huì)收到較好的效果。限于篇幅，下面僅就稱重儀表有關(guān)的信號(hào)調(diào)理和采集處理做些討論。

1、甄別信號(hào)特征進(jìn)行信號(hào)調(diào)理

衡器的結(jié)構(gòu)確定以后，稱重儀表在體現(xiàn)衡器質(zhì)量與功能上發(fā)揮關(guān)鍵作用。在稱重儀表中需要處理模擬與數(shù)字兩種的信號(hào)，并運(yùn)用這兩種的信號(hào)完成預(yù)期的工作。模擬信號(hào)是對比于時(shí)間的值，而數(shù)字信號(hào)不能以時(shí)間為基準(zhǔn)賦與任何數(shù)值，這是兩種截然不同的信號(hào)，認(rèn)識(shí)兩種信號(hào)的特征并甄別調(diào)理是解決稱重技術(shù)的基礎(chǔ)。模擬信號(hào)的主要特性是幅值（強(qiáng)度）、形狀及頻率。測量信號(hào)的強(qiáng)度時(shí)，系統(tǒng)的準(zhǔn)確度非常重要。和信號(hào)的形狀或強(qiáng)度不同的是，頻率信號(hào)不能直接進(jìn)行測量，必須使用傅利葉變形的軟件進(jìn)行分析。當(dāng)頻率是重要的信息時(shí)，就必須同時(shí)考慮準(zhǔn)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（NyquistSampling Theorem），得出了采樣頻率至少兩倍于輸入信號(hào)頻率。數(shù)字信號(hào)的主要特性是狀態(tài)和速率。狀態(tài)只有高及低兩個(gè)可能值，通常要符合 TTL（Transistorto Transistor Logic）規(guī)格，當(dāng)強(qiáng)度落在 0 至 0.8 伏特之間時(shí)，數(shù)字信號(hào)視為低；在 2 至 5 伏特之間則視為高。數(shù)字信號(hào)的速率是測量單位時(shí)間內(nèi)某種特征信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)。數(shù)字信號(hào)的處理不需要復(fù)雜的軟件算法來確定。借助于數(shù)據(jù)分析儀器，針對信號(hào)特征，通過仿真測試正確選擇出電路的設(shè)計(jì)參數(shù)，是稱重儀表成功的第一步。

2、大程度降低噪聲的影響

有時(shí)盡管噪聲信號(hào)并不大，但當(dāng)在稱重分度數(shù)小于 200 時(shí)傳感器的輸出電壓很低，這時(shí)除稱重儀表本身的噪聲、漂移會(huì)影響測量質(zhì)量外，小信號(hào)在傳輸?shù)倪^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(shù)字跳動(dòng)，甚或稱重信號(hào)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(jī)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(hào)上產(chǎn)生偏移量，而所做的測量越多，產(chǎn)生的漂移就會(huì)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(shù)手段如適當(dāng)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(shù)對付超低頻噪聲會(huì)有效果。模數(shù)轉(zhuǎn)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(lì)源提供，采取比例測量方法抵消激勵(lì)源中的噪聲也是行之有效的措施。 搞技術(shù)的人更容易體會(huì)“細(xì)節(jié)決定成敗”的含義，制造與使用中，看似技術(shù)含量不高的諸如電路中的機(jī)械應(yīng)力、熱梯度、熱電偶結(jié)點(diǎn)效應(yīng)、熱隔離、溫度控制和觸點(diǎn)不潔等細(xì)微因素所產(chǎn)生的漂移切勿忽略。其它如信號(hào)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源、縮短信號(hào)源與模擬放大器的間距、加強(qiáng)電磁屏蔽等抗干擾效果，有時(shí)還是靠實(shí)踐得出?，F(xiàn)在的數(shù)字傳感器將模擬、數(shù)字和控制運(yùn)算結(jié)合為一體，同時(shí)又高度集成了多種抗擾措施，實(shí)

現(xiàn)了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集功能，并且以盡可能短的模擬信號(hào)傳輸距離換來了超長的數(shù)字信號(hào)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(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)

前面提及的模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)在實(shí)踐中繼續(xù)研究。首先輸入一個(gè)正弦信號(hào)，按照 Nyquist 定理，以兩倍于輸入信號(hào)的頻率 Fs 采樣。根據(jù)快速傅里葉變換（FFT）分析可得一個(gè)基頻和一系列頻率分布于 DC 到 Fs/2 之間的隨機(jī)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(hào)噪聲比（SNR），就是基頻信號(hào)的功率與所有頻率的噪聲的功率之和（RMS）的比值。對于一個(gè) N 位 ADC，SNR 可由公式：SNR=6.02N+1.76dB 得到。在傳統(tǒng) ADC 中，改善SNR 的辦法是增加位數(shù)。 Σ-Δ 型 ADC 把大部分轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)移到了數(shù)字域因而顯現(xiàn)其優(yōu)勢，它更接近于數(shù)字器件，成本低廉且把高性能模擬與數(shù)字處理融合在一起，在整個(gè)電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高水平的線性化，噪聲整形功能使低通數(shù)字濾波器能夠消除大部分噪聲并產(chǎn)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(shù) k，F(xiàn)FT 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(zhuǎn)換器正是利用了這一原理，采用過采樣在多個(gè)頻率段分散量化噪聲，它與 Δ-Σ 調(diào)制器一起整形噪聲，使大部分噪聲不被包含在信號(hào)測量頻帶中，這樣 RMS 就降低了，使得 Σ-Δ 轉(zhuǎn)換器能夠從一個(gè)低分辨率 ADC 獲得寬動(dòng)態(tài)范圍。

一階的 Σ-Δ 調(diào)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(huán)節(jié)，可以提供更高階數(shù)的量化噪聲成形。例如，一個(gè)二階 Σ-Δ 調(diào)制器在每兩倍的過采樣率下可改善SNR 15dB，三階 Σ-Δ 調(diào)制器在每兩倍的過采樣率下可改善 SNR 21dB。

雖然 Δ-Σ 轉(zhuǎn)換器的終絕對精度主要取決于基準(zhǔn)電壓的精度，但為了追求優(yōu)化數(shù)據(jù)和佳轉(zhuǎn)換結(jié)果，并非易事。隨著抽樣、調(diào)制時(shí)鐘和 PGA 的調(diào)整，相同數(shù)據(jù)速率在性能方面的表現(xiàn)會(huì)有所不同。另外一些問題還包括輸入阻抗、濾波器響應(yīng)、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(shù)。

二、硬件、軟件的無縫集成已成稱重儀表發(fā)展趨勢

1、樹立軟件優(yōu)先的概念

隨著電子系統(tǒng)功能的日益強(qiáng)大和微型化，硬件和軟件不再是截然分開的兩個(gè)概念，而是親密結(jié)合、相輔相成。以軟件為核心的模塊化系統(tǒng)日臻完善，讓軟件發(fā)揮甚至替代硬件功能具有不可抵擋的優(yōu)勢。比如在設(shè)計(jì)時(shí)以軟件實(shí)現(xiàn)全量程范圍內(nèi)的多點(diǎn)校驗(yàn)修正，除變動(dòng)誤差外，其余誤差依照標(biāo)準(zhǔn)修正為零，測量達(dá)到理想的準(zhǔn)確度；加入信號(hào)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，能清除變動(dòng)信號(hào)和粗大干擾信號(hào)等非正常信號(hào)的影響，又不存在硬件固有的延時(shí)效應(yīng)，提高動(dòng)態(tài)測量性能；發(fā)揮軟件的校驗(yàn)修正能力，既能能減少硬件成本，更可提高準(zhǔn)確度的長期穩(wěn)定性。

現(xiàn)在出現(xiàn)了軟硬件協(xié)同（codesign）設(shè)計(jì)方法——使用統(tǒng)一的方法和工具對軟件和硬件進(jìn)行描述、綜合和驗(yàn)證，可以避免軟件、硬件體系獨(dú)立設(shè)計(jì)帶來的各自為政的弊病。設(shè)計(jì)中，軟件是滿足系統(tǒng)需求的首要選擇，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者采用了軟件優(yōu)先的設(shè)計(jì)理念，也是一場設(shè)計(jì)理念的革命。 國際流行的“軟件定義儀器”的思想，應(yīng)當(dāng)引起我們重視并值得借鑒，尤其對于新儀表開發(fā)甚有裨益。衡器界的問題是軟件在稱重技術(shù)中的認(rèn)識(shí)尚待提高，應(yīng)用軟件、組態(tài)軟件的開發(fā)尚待加強(qiáng)?，F(xiàn)在我們要做的工作是在系統(tǒng)中盡可能多的嵌合的軟件能模塊，盡可能多的實(shí)現(xiàn)以軟代硬，以取得衡器功能更大的擴(kuò)展性和智能化的升級(jí)。

2、為數(shù)據(jù)采集硬件與 PC 總線的選擇說幾句話

（1）基于 PC 的稱重技術(shù)

信息社會(huì)對衡器的性能要求越來越高、功能要求越來越多，這樣任務(wù)幸虧有了計(jì)算機(jī)才得以完成?，F(xiàn)在的稱重?cái)?shù)據(jù)無不是包括收集傳感器的模擬信號(hào)以及放大、數(shù)字化，連接到 PC 以便分析、管理、儲(chǔ)存及通訊，形成了基于 PC 的稱重技術(shù)，更容易定制個(gè)性化的稱重系統(tǒng)。

特別是 PC 進(jìn)入多核處理器時(shí)代，為衡器應(yīng)用帶來的巨大的性能和吞吐量的提升，我們進(jìn)入了基于 PC 的稱重技術(shù)的時(shí)代，把計(jì)算機(jī)變成了靈活、高性能的稱重和控制系統(tǒng)。

（2）為用戶利益，選擇通行的總線標(biāo)準(zhǔn)

由于目前基于不同 PC 技術(shù)構(gòu)建的硬件平臺(tái)有很大靈活性，同時(shí)林林總總的總線也有如雨后春筍源源不斷涌現(xiàn)，于是各廠家的制式差異懸殊。但用戶不可能只買一家的產(chǎn)品，其總線標(biāo)準(zhǔn)的五花八門，令用戶很是煩惱。事實(shí)上用戶的利益是不管哪家產(chǎn)品，使用方便才好。由此出發(fā)，生產(chǎn)廠家還是盡可能集中選用主流總線，以提高設(shè)備的通用性為高。當(dāng)然選擇總線，首先考慮的是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、是否有單點(diǎn) I/O 需求、多臺(tái)設(shè)備是否要求同步、

    有無便攜要求和測量結(jié)果與計(jì)算機(jī)的距離等基本要素。當(dāng)滿足上述基本要素后，就應(yīng)考慮選擇常用總線，范圍縮小，以便于各廠家設(shè)備的駁接，減少用戶的茫然。外設(shè)部件互連總線 PCI、可擴(kuò)展至 x16 數(shù)據(jù)通路的 PCI Express、面向儀器系統(tǒng)的 PXI、擴(kuò)展的 PXI Express、局域主干的以太網(wǎng)、具有 IEEE 802.11x（x 為版本號(hào)，如 g、i 等）標(biāo)準(zhǔn)的無線技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)的衡器將有更廣闊的使用空間

大規(guī)模 DCS 系統(tǒng)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(jì)算平臺(tái)將采集系統(tǒng)移至更接近信號(hào)源的地方，去除計(jì)算機(jī)與測量硬件之間的長線線連接，改用無線技術(shù)結(jié)合主干線以太網(wǎng)，可以更方便、靈活地進(jìn)行分布式測量并將數(shù)據(jù)回傳至上位中央監(jiān)控平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想的關(guān)鍵，是為遠(yuǎn)端的稱重傳感器及其他參數(shù)采集裝置集成無線通訊功能，借鑒WSN（wireless sensor network）技術(shù)，構(gòu)建無線稱重傳感器網(wǎng)絡(luò)。我們可以設(shè)想，如果在惡劣的、或危險(xiǎn)的、或移動(dòng)的的復(fù)雜環(huán)境中，不便在傳感器和稱重儀表間連接纜線，這時(shí)只要給數(shù)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(zhì)量、傳輸場地等方面，而且在稱重系統(tǒng)的巡檢、診斷與定位等方面，都將帶來頗具競爭力的飛躍。