计价秤SoC低成本设计方案
发布时间：2009-11-23 11:16
发布者：贾延安
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作者：台湾纮康科技股份有限公司应用工程经理 李彦绪 来源:电子产品世界 2009-11-09 本文介绍一个适用于计价秤的SoC方案。计价秤的用途多属商业交易范畴，为使买卖双方的交易更趋公平，其认证规范相当严格。在各种不同环境条件下所产生的测量误差，皆不得超过规范之容许误差范围，否则可能会因违反公平交易之原则，产生许多法律责任问题。因此，许多国家对于商业用的计价秤都有其规范并且需要得到国家认证才能在交易市场上使用。所有相关规范中，以OIML(International Organization of Legal Metrology，国际法定度量衡组织)的规范最为完整，许多欧美国家采用此规范作为准则。一些亚洲国家和地区虽发展出自有的认证规范，亦以OIML作为参照准则。下文简略介绍OIML的相关规格与要求。 
计价秤若要通过OIML的第3级认证(Class III)，则测量误差(环境温度-10~40℃)不可超过mpe1(mpe为最大允许误差);而通过认证的机种在市场应用时亦不得超过mpe2。图1为 mpe1、mpe2的允许误差范围图。表1为每一个等级在各量程中最大的允许误差值。 
由于电子式计价秤采用的感应器大多为Load Cell(称重传感器)，然而一个通过OIML认证等级(Class C)的Load Cell已经占用了PLC(apportionment factor，分摊系数) ≤0.7，如表2，因此在其它电子设备，如模数转换器(ADC)的PLC应小于0.3。 
接下来，将探讨整个计价秤规格中传感器Load Cell与电子电路允许误差各占的比例是多少。一般通过OIML认证的Load Cell会有一些安全余量，保证组装成秤之后，加上秤盘机构都可以控制在PLC≤0.7;如图2所示， Emin与Emax是Load Cell最大负载能力(一般没有组装任何机构或秤盘);Dmin与Dmax是Load Cell应用上的最大值与最小值(一般是已经组装为秤的成品)。 
而Dmin可能等于Emin，Dmax可能等于Emax，为了保证组装成为计价秤后仍在安全范围内，一般会视机构或秤盘重量选择较大秤量的Load Cell 来组装;假设要组装一台15kg的计价秤，整个机构加上秤盘的重量为2kg，保留初始0的范围(最大值的20%)约3kg，因此需选择20kg的Load Cell来组装成为15kg的计价秤是比较安全的。 OIML规范的测项包括名称(Titling)、温度、功率、电源、时间、蠕变、归零、持久性等，欲通过认证就得满足这些测项且不能超过mpe1。在测试时会用 0.1e(verification scale interval，检定分度值)来加载测试，所以做一台3000 Count(内部分辨值)的计价秤，其内外Count的比值须做到10:1，才能满足要求。 
综观上述，下文以OIML ClassⅢ规范做电性分析。用一个20kg通过OIML认证的Load Cell，sensitivity = 2mV/V来组装秤量15kg、分辨率为5g的计价秤，必须有以下的考虑。 电子电路要求 ● RMS Noise(加权噪声电压有效值) 若Load Cell电压=3V，信号输出最大电压为 (15kg/20kg)×2mV/V×3V=4500000nV;按3000 Count的计价秤算出其最小的分辨电压为4500000nV÷(3000×10)=150nV。 故ADC的RMS Noise最大为150nV。若以1Count滚动判断，则RMS Noise必须小于150nV÷3.3≒45nV才能符合要求。 ● 温度 ◎ 温度变化对SPAN的影响。 OIML在温度测试范围为-10℃~+40℃，在这范围内0g~500g误差不得超过±0.5e，500g~2000g误差不得超过±1e，2000g以上误差不得超过±1.5e。假设Load Cell的PLC=0.7，因此其它的电子设备如ADC就只能分配到PLC=0.3;所以电子设备在0g~500g最大误差为±0.15e; 500g~2000g，最大误差为±0.3e，2000g以上最大误差为±0.45e。 若考虑在15~20℃环境温度校正，温度最大变化范围为±30℃。因此，ADC 跨度(增益)的温度规格为：(0.45e÷3000e) ÷30℃×1000000= 5ppm/℃。 ◎ 温度变化对漂移的影响。 OIML对温度造成漂移的要求是温度变化每5℃不得超过1e。假设Load Cell的PLC=0.7，其它电子设备只能分配到0.3;也就是电子设备温度变化每5℃不得超过0.3e。 因此ADC的温度漂移规格：1000000×(0.3e÷3000e)÷5℃= 20ppm/℃，也就是4500000nV × 20ppm/℃= 90nV/℃。 ● INL OIML的规范中，精度呈现整体的线性误差INL，最大不得超过±0.25e。而Load Cell的PLC已经占用了0.7，因此，对ADC的INL要求为(0.25e)×0.3 = 0.075e，也就是约为±25ppm。 软件处理要求 ● 初始零 OIML规定初始零不得超过最大重量的20%。以15kg的计价秤为例，开机零点不得超过3kg。 ● 零范围 OIML规定零的范围(包括零点跟踪)不得超过最大重量的4%。以15kg的计价秤为例，零的范围不得超过0.6kg。 零点跟踪的规定为每秒不得超过零±0.25e，而且需要在下列稳定的情况下才能做零点跟踪。 ◎ Tare ◎ 当在零以下时，不能做Tare; ◎ 在Tare功能启动时，须有符号”NET”或”Tare”显示; ◎ 在Tare功能启动时，不可有零点跟踪功能; ◎ 可以Tare到最大的显示重量; ◎ 当Tare回到0±0.25e时，可取消Tare功能。 ● 更改指示 当重量改变，需在1秒(s)内改变显示重量，也就是ADC的更新率须快于1s。 ● 界限指标 最大的显示重量为最大秤量+9e。 由以上的电子规格来看计价秤的SoC方案，就性价比而言，最少需具备4kW/256B的内存容量、温度对ADC的增益(Gain)与漂移的影响分别为5ppm/℃、90nV/℃及INL为 25ppm;电源部分需具备VDDA传感器电压源与VLCD显示驱动电压源;数字部分则需包含计数器、低电压比较器、串行通讯端口、LCD倍压驱动设计、高效能RC震荡器等等功能，且外围电路愈简单才易生产管理、调校与失效分析。 纮康科技(HYCON)所设计生产的芯片HY11P系列，以ADC规格而言，温度对增益的影响为5ppm、对漂移的影响为20nV、INL为20ppm且RMS Noise在搭配数字滤波器后的表现为40nV@1Hz。不仅具有后级输入信号零点准位调整器;数字部分还具备了可调式稳压电源VDDA与VLCD，以稳定传感器与LCD驱动显示的供电。加上OTP(一次可编程)、H08A CPU核、AI输入网络调整器、低电压侦测器、内置温度感测器TPS、串行通讯端口、计数器A/B/C、高性能RC震荡器与频率调整器。功耗方面，单芯片的耗电流控制在0.75mA。综观市面上以SoC完成计价秤应用的设计方案，以HYCON纮康科技所推出的HY11P系列单芯片，为高性能低成本之优先选择。 参考文献: [1] HY11P 系列MCU FAQ(R/OL). http://www.hycontek.com/attachments/MSP/APD-FAQ001_SC.pdf [2]OIML R 76-1: 2006 (E)(R/OL).(2007).www.oiml.org/publications/R/R076-1-e06.pdf [3]纮康科技股份有限公司(R/OL).http://www.hycontek.com/ [4] HY11P 系列产品(R/OL). http://www.hycontek.com/page2.html [5] HY11P 系列产品PCB布线建议(R/OL). http://www.hycontek.com/attachments/MSP/APD-PCB001_TC.pdf |
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