本文章介紹了一種電子皮帶秤的設(shè)計(jì)方法：從其工作原理和電磁兼容性原理，并從電路設(shè)計(jì)、元器件選擇與布局、PCB印刷電路板設(shè)計(jì)、電纜布線(xiàn)、主機(jī)箱屏蔽和軟件抗電磁干擾等幾方面詳細(xì)闡述了電子皮帶秤的電磁兼容性設(shè)計(jì)。
1 前言
目前，進(jìn)行運(yùn)輸皮帶上物流量動(dòng)態(tài)檢測(cè)的計(jì)量(或控制)設(shè)備主要是電子皮帶秤和核子皮帶秤，電子皮帶秤由于其安裝越來(lái)越方便，檢測(cè)精度也越來(lái)越高，且不像核子秤存在核輻射等安全問(wèn)題，因此，在冶金、礦山、化工、建材等領(lǐng)域有著廣大市場(chǎng)。而在使用中影響其性能的主要因素有四個(gè)方面：傳感器及其安裝的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性、前置放大器的穩(wěn)定性、連接電纜及電源的抗干擾性能、數(shù)據(jù)采集及顯示系統(tǒng)的精度等。
傳感器的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)總體來(lái)說(shuō)有直接承力和非直接承力(通過(guò)杠桿作用間接承力)兩種，隨著稱(chēng)重傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器精度不斷提高，安裝也很方便。因此，安裝時(shí)，只需根據(jù)安裝空間選擇合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感器型號(hào)，并根據(jù)皮帶跑偏情況、皮帶張力情況選擇恰當(dāng)?shù)陌惭b位置，就能夠保證傳感器檢測(cè)的需要。 然而，影響電子皮帶秤性能最關(guān)鍵的還是其使用環(huán)境的電磁特性及其自身所具有的電磁兼容性能力，它直接關(guān)系到電子皮帶秤能否長(zhǎng)期正常運(yùn)行，計(jì)量秤的計(jì)量精度，控制器的控制特性等等，因此，電子皮帶秤的電磁兼容性就成為衡量電子皮帶秤好壞的一個(gè)重要標(biāo)志。
2 電磁兼容性基本原理
電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility簡(jiǎn)稱(chēng)EMC)是指用電設(shè)備(或系統(tǒng))在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，其設(shè)計(jì)水平或性能不因受其他設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射的干擾而降低能力，同時(shí)，它們自身所產(chǎn)生的電磁輻射也不應(yīng)大于規(guī)定的極限電平，干擾其它用電設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 電磁兼容性(EMC)是一門(mén)新興的邊緣科學(xué)，主要研究用電設(shè)備的電磁干擾(EMI)和抗干擾問(wèn)題。隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，用電設(shè)備大幅增加，電磁干擾問(wèn)題也就越來(lái)越嚴(yán)重，甚至影響到了人類(lèi)自身的健康和安全，為此，世界各國(guó)都制訂了相應(yīng)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)控制用電設(shè)備的電磁輻射干擾和抗干擾能力，以達(dá)到用電設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠工作的目的。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，各種電器和電子產(chǎn)品在設(shè)計(jì)及安裝之初就進(jìn)行電磁兼容性考慮，將可提高設(shè)備的開(kāi)發(fā)效率，并節(jié)約大量的人力與物力。 電磁干擾發(fā)生的三要素是：干擾源；干擾能量傳播的耦合路徑；被干擾對(duì)象。所以控制干擾源的電磁輻射、切斷或抑制電磁干擾的耦合通道、提高設(shè)備的抗干擾能力都是用電設(shè)備進(jìn)行抗干擾的主要措施，也是電磁兼容設(shè)計(jì)研究的主要目標(biāo)。
3 電子皮帶秤硬件結(jié)構(gòu)及工作原理
皮帶秤的結(jié)構(gòu)如圖1所示，稱(chēng)重傳感器(S型拉壓傳感器)的輸出信號(hào)(0-20mV)經(jīng)前置放大、V／F(電壓／頻率轉(zhuǎn)換器LM331)轉(zhuǎn)換成高頻信號(hào)后，再用電纜傳輸?shù)较到y(tǒng)主板；高頻信號(hào)經(jīng)光電隔離(TLP521 —2光電隔離器)后，由高頻計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)出頻率數(shù)據(jù)，再交由AT89C52單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波、非線(xiàn)性校正、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等處理，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果送LED顯示或轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)(4—20mA)供其它控制器儀表使用。 系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)作為中央處理單元，AT89C52是一款功能齊全的51系列兼容單片機(jī)，內(nèi)含8K程序存儲(chǔ)單元，512個(gè)RAM存儲(chǔ)單元，因此，無(wú)需外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器和RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器，只需外擴(kuò)一個(gè)可電擦除的參數(shù)存儲(chǔ)器(93C46)即可工作。 系統(tǒng)具有累計(jì)量、瞬時(shí)量數(shù)碼顯示功能，數(shù)碼顯示器、鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)管理由8279芯片來(lái)完成。 系統(tǒng)配置的電源監(jiān)控芯片(MAX813L)對(duì)CPU的工作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在欠壓或過(guò)壓、上電瞬間、自動(dòng)復(fù)位信號(hào)、CPU程序飛跳死機(jī)時(shí)，看門(mén)狗功能輸出復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位。 電源模塊轉(zhuǎn)換輸出5V、10V、±15V等直流電壓，以提供CPU等芯片、傳感器和運(yùn)算放大器的電源需求。 電子皮帶秤一般都用于電磁干擾比較嚴(yán)重的工業(yè)環(huán)境，從其結(jié)構(gòu)來(lái)看，很容易受到電磁干擾的影響，因此，電子皮帶秤設(shè)計(jì)時(shí)很有必要從硬件和軟件兩個(gè)方面分別進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，以提高其EMC性能，擴(kuò)展其使用范圍。
4 硬件的抗電磁干擾設(shè)計(jì)
電子皮帶秤硬件EMC性能決定了電子皮帶秤的主要性能，因此，必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮硬件設(shè)計(jì)的EMC性能，以免設(shè)計(jì)不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)EMC環(huán)境的需要，進(jìn)而造成反復(fù)設(shè)計(jì)的人力、財(cái)力浪費(fèi)。下面分別從電路設(shè)計(jì)、元器件選擇與布局、PCB設(shè)計(jì)、主機(jī)箱的電磁屏蔽(ESD)等幾個(gè)方面分別介紹電子皮帶秤硬件的EMC設(shè)計(jì)。
4．1 皮帶秤電路設(shè)計(jì)技術(shù)原則
電子皮帶秤的所有功能均依靠電子線(xiàn)路來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，電路設(shè)計(jì)是EMC設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，CPU可選用目前市場(chǎng)上性?xún)r(jià)比比較高的89C52單片機(jī)，避免了擴(kuò)展存儲(chǔ)電路引進(jìn)干擾；CPU時(shí)鐘電路單獨(dú)分區(qū)布置，并緊靠CPU，還需充分考慮電磁屏蔽和高頻濾波；前置放大板輸出的高頻信號(hào)經(jīng)電纜傳輸?shù)街鳈C(jī)板后，先進(jìn)行光電隔離和脈沖整形，再傳給CPU處理；電路中的每一個(gè)芯片都必須考慮高頻濾波處理，即每個(gè)芯片使用一個(gè)0．01uF的瓷片電容進(jìn)行濾波；電源電路單獨(dú)設(shè)計(jì)，電源進(jìn)入各電路板時(shí)需用luF到470uF的電解電容進(jìn)行濾波；電源變壓器應(yīng)設(shè)計(jì)靜電屏蔽，除變壓器殼體需接地外，屏蔽殼體也需可靠接地；模擬地和數(shù)字地分開(kāi)布置，再接合處還要考慮濾波處理。
4．2 元器件選擇與布局原則
電路設(shè)計(jì)好后，就需要考慮元件選擇，元件選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)電路的功能及設(shè)備的EMC程度選擇合適的、能夠滿(mǎn)足電磁兼容性要求的元器件，也就是要求元器件的頻率響應(yīng)特性遠(yuǎn)離基頻；電阻、電容在使用中應(yīng)盡量縮短引線(xiàn)長(zhǎng)度，集成電路元件不要使用lC插座，以避免高頻時(shí)產(chǎn)生寄生電感、電容，有條件的情況下盡量使用表貼元件；電路裝配也須盡量滿(mǎn)足電磁兼容的要求；電路應(yīng)盡可能分組布置，如按使用電壓種類(lèi)、數(shù)字電路和模擬電路、高速電路和低速電路、使用電流大小、電路功能等分塊布置，并按照電路流程安排各功能單元的位置，使布局更便于信號(hào)流通；應(yīng)盡可能使功能相同的元件平行排列，便于PCB板布線(xiàn)、裝焊、批量生產(chǎn)和減小元件間的分布參數(shù)；位于電路板邊沿的元器件，離電路板邊沿一般不應(yīng)小于2mm；需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的元器件，如電位器、可調(diào)電感電容等的安裝位置應(yīng)根據(jù)電路板成品的安裝位置而確定，以免成型后調(diào)節(jié)不便；發(fā)熱元件應(yīng)遠(yuǎn)離關(guān)鍵集成電路，敏感器件應(yīng)遠(yuǎn)離時(shí)鐘電路，電源線(xiàn)和地線(xiàn)須單獨(dú)綜合考慮等等，都是在元件布局中必須特別重視的。
4．3 印刷電路(PCB)板設(shè)計(jì)原則
印刷電路板的設(shè)計(jì)是在EMC設(shè)計(jì)中的另一重要方面，所有的電路設(shè)計(jì)都是靠PCB板的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電子皮帶秤是由前置放大板、電源板、主機(jī)板等幾塊PCB板組成(見(jiàn)圖1)。 1)印刷電路板選擇。印刷電路板尺寸應(yīng)根據(jù)元器件布局、電路設(shè)計(jì)情況及電路板的安裝位置來(lái)合理選擇，尺寸應(yīng)適中，且呈3:2或4:3的矩形狀；尺寸過(guò)大，易造成布線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)而增加阻抗，引入噪聲，成本也相應(yīng)增加；尺寸過(guò)小，則元件布局緊密，散熱不好，且易形成相互干擾；當(dāng)成品板的尺寸太大時(shí)，應(yīng)注意板的機(jī)械強(qiáng)度及安裝固定方式； 印刷電路板的層面應(yīng)綜合考慮性?xún)r(jià)比，如果能通過(guò)很少的跳線(xiàn)就不需要增加層面的話(huà)，也可以使用適當(dāng)?shù)奶�(xiàn)，以節(jié)約成本。
2)印刷電路板布線(xiàn)。印刷電路板上的元器件都是靠板上的敷銅線(xiàn)按所設(shè)計(jì)的電路相互連接在一起的，因此，布線(xiàn)的成功與否直接影響到成品板的性能，特別是成品板的EMC性能。
(1)在布線(xiàn)之前，應(yīng)根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路對(duì)布線(xiàn)的走向有一個(gè)整體的概念，特別是多層板，對(duì)每一層的走線(xiàn)要事先劃分走向，如：頂層線(xiàn)可選擇盡量垂直走線(xiàn)，那么，下一層就可以選擇盡量水平走線(xiàn)，這樣，不但避免了上下層之間出現(xiàn)過(guò)長(zhǎng)的平行走線(xiàn)而引入干擾，而且，可以減少過(guò)多的過(guò)孔，布線(xiàn)也相對(duì)較容易。
(2)走線(xiàn)寬度要視該線(xiàn)所流過(guò)的電流人小來(lái)確定，一般來(lái)說(shuō)，敷銅厚度為0．05mm，寬度為 1～15mm時(shí)，流過(guò)2A的電流，溫度不會(huì)超過(guò)3℃ ，因此，在集成電路中，特別是在數(shù)字電路中，由于線(xiàn)路比較多，選線(xiàn)一般比較細(xì)，通常為0．02～0．5mm，當(dāng)然，如果可能的話(huà)，走線(xiàn)線(xiàn)路應(yīng)盡量寬。而導(dǎo)線(xiàn)間的間距主要視相鄰線(xiàn)間的絕緣電阻和擊穿電壓來(lái)決定，同時(shí)還需考慮電路板的制作工藝條件，在允許的條件下應(yīng)盡量寬。
(3)電源線(xiàn)和地線(xiàn)的走線(xiàn)寬度應(yīng)≥1．5mm，并盡可能靠近，在整塊板上盡量呈“井”字形分布，這樣不但便于使分布電流平衡，而且，便于實(shí)現(xiàn)高速電路中的高頻濾波。
(4)盡量避免大面積敷銅，否則，在受熱時(shí)易引起銅箔膨脹脫落，在必要時(shí)可使用網(wǎng)格柵替代，并將其可靠接地，同時(shí)，也可將其用作信號(hào)線(xiàn)的線(xiàn)間隔離。
(5)布線(xiàn)時(shí)，走線(xiàn)應(yīng)盡量做到短而粗，且走線(xiàn)要均勻。
(6)布線(xiàn)過(guò)程中，不要出現(xiàn)直角轉(zhuǎn)角，以免在轉(zhuǎn)角的內(nèi)部邊緣形成集中的電場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲干擾，因此，轉(zhuǎn)角處均應(yīng)設(shè)計(jì)成45。角的轉(zhuǎn)角，且轉(zhuǎn)角線(xiàn)長(zhǎng)度應(yīng)>13倍的走線(xiàn)寬度。
(7)焊盤(pán)中心孔應(yīng)根據(jù)元器件引線(xiàn)直徑分別設(shè)置，過(guò)大則容易造成虛焊，過(guò)小，則引線(xiàn)無(wú)法穿過(guò)焊盤(pán)焊接。
(8)多層板中的過(guò)孔不宜太多，應(yīng)盡量設(shè)法避免，特別是在高速電路中，易引入分布電感和電容，必要時(shí)要保證并行走線(xiàn)的布線(xiàn)(如地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn))的過(guò)孔數(shù)目保持一致。
4．4 電纜線(xiàn)的電磁兼容性設(shè)計(jì)原則
電子線(xiàn)路的實(shí)現(xiàn)除了依靠PCB板外，還需要電纜線(xiàn)的連接來(lái)完成。電子皮帶秤傳感器與前置放大器之間、前置放大器與主機(jī)之間、主機(jī)與上位機(jī)之間(控制秤中) 和主機(jī)內(nèi)部都需要通過(guò)電纜線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞或電源傳輸，而電纜又是干擾引入的主要途徑之一，因此，對(duì)電纜線(xiàn)布線(xiàn)應(yīng)綜合考慮，對(duì)于220V的交流電源線(xiàn)，使用普通電纜即可，而對(duì)于直流10V電源(傳感器用)則可和傳感器輸出信號(hào)共用一根單點(diǎn)接地的4芯屏蔽電纜。在干擾比較大的環(huán)境中，信號(hào)屏蔽電纜還需使用金屬軟管或鍍鋅管進(jìn)行屏蔽，并進(jìn)行可靠接地，必要時(shí)，還可在屏蔽電纜的屏蔽層與公共地之間進(jìn)行可靠濾波，特別是頻率信號(hào)傳輸時(shí)；在布線(xiàn)時(shí)，信號(hào)電纜和低壓電纜應(yīng)避免與干擾大的電纜一起走線(xiàn)或捆扎。
4．5 主機(jī)箱的電磁兼容性設(shè)計(jì)原則
主機(jī)箱是電子皮帶秤的人機(jī)交互通道，也是屏蔽電磁輻射，減少電磁干擾最有效的途徑之一，機(jī)箱底板、機(jī)殼的結(jié)構(gòu)材料和裝配技術(shù)設(shè)計(jì)的好壞常常決定了電子皮帶秤對(duì)不同EMC工作環(huán)境的適應(yīng)程度。材料選用應(yīng)根據(jù)儀器性能及使用環(huán)境決定，如屏蔽電場(chǎng)干擾，可選用鋁、銅材料；屏蔽磁場(chǎng)干擾則使用高導(dǎo)磁率合金或鐵磁材料；使用塑料殼體時(shí)可在其內(nèi)表面涂噴屏蔽材料或注塑時(shí)摻入金屬纖維。機(jī)殼的接縫、開(kāi)口、穿透和底板與機(jī)殼的搭接等因素也會(huì)直接影響到EMC設(shè)計(jì)效果。
電子皮帶秤機(jī)箱內(nèi)部的走線(xiàn)也是影響EMC效果的因素之一，裸線(xiàn)走線(xiàn)應(yīng)盡量短；不同的電子信號(hào)線(xiàn)(模擬、數(shù)字信號(hào)線(xiàn)或電源線(xiàn))應(yīng)分組捆扎走線(xiàn)；扁平電纜兩信號(hào)線(xiàn)之間插接地線(xiàn)等等都是機(jī)箱布線(xiàn)時(shí)應(yīng)充分考慮的。
另外，按鈕、繼電器、接觸器等開(kāi)關(guān)元件接通時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花放電，必須用RC電路加以吸收，一般R取1～2KΩ，C取2．2～4．7uF即可。
5 電子皮帶秤軟件的電磁兼容性設(shè)計(jì)
系統(tǒng)監(jiān)控軟件主流程圖如圖2所示。稱(chēng)重軟件的功能主要是：數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理；參數(shù)管理；數(shù)據(jù)顯示、鍵盤(pán)管理和系統(tǒng)自身管理等功能。在EMC設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)自身管理等方面予以充分考慮。
系統(tǒng)的看門(mén)狗功能，有助于系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)時(shí)的自動(dòng)恢復(fù)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。
信號(hào)在傳感、放大、傳輸?shù)冗^(guò)程中雖然進(jìn)行了各種抗干擾處理，但難免還會(huì)有干擾信號(hào)侵入，軟件的數(shù)據(jù)處理功能除了將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)非線(xiàn)性校正來(lái)消除硬件處理中的線(xiàn)性誤差，并計(jì)算出瞬時(shí)量、累計(jì)量外，更重要的是要能夠分辨出受干擾的異常數(shù)據(jù)，并進(jìn)行濾波處理，因此，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)字濾波來(lái)減小干擾，在EMC 設(shè)計(jì)中也是非常重要的。
數(shù)據(jù)濾波分為平均值法、滑動(dòng)平均值法、加權(quán)平均法等等，最常用的是將采集到的數(shù)據(jù)剔除過(guò)大或過(guò)小的值再進(jìn)行滑動(dòng)平均，如果必要的話(huà)還可以通過(guò)加權(quán)平均，以提高皮帶秤的精度和抗干擾能力，當(dāng)然，設(shè)計(jì)時(shí)還需要充分考慮采樣時(shí)間及皮帶轉(zhuǎn)速對(duì)濾波周期的影響，以免出現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化過(guò)快或遲滯等現(xiàn)象。
6 結(jié)論
由于在皮帶秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)的EMC因素，并在電子皮帶秤設(shè)計(jì)中采取了相應(yīng)的措施，大大地提高了稱(chēng)重的精度、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，因此，我廠生產(chǎn)的電子皮帶秤配合深圳龍芯生產(chǎn)的皮帶秤控制儀表在銅、鐵、錳等金屬礦山得到了很好的運(yùn)用，具有較高的實(shí)用價(jià)值，值得廣泛推廣和應(yīng)用。 |
