本文章介紹了一種電子皮帶秤的設(shè)計方法：從其工作原理和電磁兼容性原理，并從電路設(shè)計、元器件選擇與布局、PCB印刷電路板設(shè)計、電纜布線、主機箱屏蔽和軟件抗電磁干擾等幾方面詳細闡述了電子皮帶秤的電磁兼容性設(shè)計。
1 前言
目前，進行運輸皮帶上物流量動態(tài)檢測的計量(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越方便，檢測精度也越來越高，且不像核子秤存在核輻射等安全問題，因此，在冶金、礦山、化工、建材等領(lǐng)域有著廣大市場。而在使用中影響其性能的主要因素有四個方面：傳感器及其安裝的機械結(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。
傳感器的機械安裝結(jié)構(gòu)總體來說有直接承力和非直接承力(通過杠桿作用間接承力)兩種，隨著稱重傳感器技術(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，只需根據(jù)安裝空間選擇合適的機械結(jié)構(gòu)和傳感器型號，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期正常運行，計量秤的計量精度，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重要標(biāo)志。
2 電磁兼容性基本原理
電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility簡稱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，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)的正常運行。 電磁兼容性(EMC)是一門新興的邊緣科學(xué)，主要研究用電設(shè)備的電磁干擾(EMI)和抗干擾問題。隨著社會的進步和發(fā)展，用電設(shè)備大幅增加，電磁干擾問題也就越來越嚴重，甚至影響到了人類自身的健康和安全，為此，世界各國都制訂了相應(yīng)的電磁兼容性標(biāo)準，來控制用電設(shè)備的電磁輻射干擾和抗干擾能力，以達到用電設(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。實踐經(jīng)驗表明，各種電器和電子產(chǎn)品在設(shè)計及安裝之初就進行電磁兼容性考慮，將可提高設(shè)備的開發(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)備進行抗干擾的主要措施，也是電磁兼容設(shè)計研究的主要目標(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，稱重傳感器(S型拉壓傳感器)的輸出信號(0-20mV)經(jīng)前置放大、V／F(電壓／頻率轉(zhuǎn)換器LM331)轉(zhuǎn)換成高頻信號后，再用電纜傳輸?shù)较到y(tǒng)主板；高頻信號經(jīng)光電隔離(TLP521 —2光電隔離器)后，由高頻計數(shù)器統(tǒng)計出頻率數(shù)據(jù)，再交由AT89C52單片機進行數(shù)字濾波、非線性校正、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)準輸出信號(4—20mA)供其它控制器儀表使用。 系統(tǒng)以AT89C52單片機作為中央處理單元，AT89C52是一款功能齊全的51系列兼容單片機，內(nèi)含8K程序存儲單元，512個RAM存儲單元，因此，無需外擴程序存儲器和RAM隨機存儲器，只需外擴一個可電擦除的參數(shù)存儲器(93C46)即可工作。 系統(tǒng)具有累計量、瞬時量數(shù)碼顯示功能，數(shù)碼顯示器、鍵盤的驅(qū)動管理由8279芯片來完成。 系統(tǒng)配置的電源監(jiān)控芯片(MAX813L)對CPU的工作進行實時監(jiān)控，在欠壓或過壓、上電瞬間、自動復(fù)位信號、CPU程序飛跳死機時，看門狗功能輸出復(fù)位信號，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重的工業(yè)環(huán)境，從其結(jié)構(gòu)來看，很容易受到電磁干擾的影響，因此，電子皮帶秤設(shè)計時很有必要從硬件和軟件兩個方面分別進行EMC設(shè)計，以提高其EMC性能，擴展其使用范圍。
4 硬件的抗電磁干擾設(shè)計
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)計過程中充分考慮硬件設(shè)計的EMC性能，以免設(shè)計不能滿足現(xiàn)場EMC環(huán)境的需要，進而造成反復(fù)設(shè)計的人力、財力浪費。下面分別從電路設(shè)計、元器件選擇與布局、PCB設(shè)計、主機箱的電磁屏蔽(ESD)等幾個方面分別介紹電子皮帶秤硬件的EMC設(shè)計。
4．1 皮帶秤電路設(shè)計技術(shù)原則
電子皮帶秤的所有功能均依靠電子線路來實現(xiàn)，因此，電路設(shè)計是EMC設(shè)計的一個重要方面，CPU可選用目前市場上性價比比較高的89C52單片機，避免了擴展存儲電路引進干擾；CPU時鐘電路單獨分區(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經(jīng)電纜傳輸?shù)街鳈C板后，先進行光電隔離和脈沖整形，再傳給CPU處理；電路中的每一個芯片都必須考慮高頻濾波處理，即每個芯片使用一個0．01uF的瓷片電容進行濾波；電源電路單獨設(shè)計，電源進入各電路板時需用luF到470uF的電解電容進行濾波；電源變壓器應(yīng)設(shè)計靜電屏蔽，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)計好后，就需要考慮元件選擇，元件選擇時，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)特性遠離基頻；電阻、電容在使用中應(yīng)盡量縮短引線長度，集成電路元件不要使用lC插座，以避免高頻時產(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、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、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)遠離關(guān)鍵集成電路，敏感器件應(yīng)遠離時鐘電路，電源線和地線須單獨綜合考慮等等，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)計原則
印刷電路板的設(shè)計是在EMC設(shè)計中的另一重要方面，所有的電路設(shè)計都是靠PCB板的設(shè)計來實現(xiàn)的，電子皮帶秤是由前置放大板、電源板、主機板等幾塊PCB板組成(見圖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)計情況及電路板的安裝位置來合理選擇，尺寸應(yīng)適中，且呈3:2或4:3的矩形狀；尺寸過大，易造成布線過長而增加阻抗，引入噪聲，成本也相應(yīng)增加；尺寸過小，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，應(yīng)注意板的機械強度及安裝固定方式； 印刷電路板的層面應(yīng)綜合考慮性價比，如果能通過很少的跳線就不需要增加層面的話，也可以使用適當(dāng)?shù)奶�，以節(jié)約成本。
2)印刷電路板布線。印刷電路板上的元器件都是靠板上的敷銅線按所設(shè)計的電路相互連接在一起的，因此，布線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)在布線之前，應(yīng)根據(jù)所設(shè)計的電路對布線的走向有一個整體的概念，特別是多層板，對每一層的走線要事先劃分走向，如：頂層線可選擇盡量垂直走線，那么，下一層就可以選擇盡量水平走線，這樣，不但避免了上下層之間出現(xiàn)過長的平行走線而引入干擾，而且，可以減少過多的過孔，布線也相對較容易。
(2)走線寬度要視該線所流過的電流人小來確定，一般來說，敷銅厚度為0．05mm，寬度為 1～15mm時，流過2A的電流，溫度不會超過3℃ ，因此，在集成電路中，特別是在數(shù)字電路中，由于線路比較多，選線一般比較細，通常為0．02～0．5mm，當(dāng)然，如果可能的話，走線線路應(yīng)盡量寬。而導(dǎo)線間的間距主要視相鄰線間的絕緣電阻和擊穿電壓來決定，同時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)電源線和地線的走線寬度應(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，在受熱時易引起銅箔膨脹脫落，在必要時可使用網(wǎng)格柵替代，并將其可靠接地，同時，也可將其用作信號線的線間隔離。
(5)布線時，走線應(yīng)盡量做到短而粗，且走線要均勻。
(6)布線過程中，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，進而產(chǎn)生噪聲干擾，因此，轉(zhuǎn)角處均應(yīng)設(shè)計成45。角的轉(zhuǎn)角，且轉(zhuǎn)角線長度應(yīng)>13倍的走線寬度。
(7)焊盤中心孔應(yīng)根據(jù)元器件引線直徑分別設(shè)置，過大則容易造成虛焊，過小，則引線無法穿過焊盤焊接。
(8)多層板中的過孔不宜太多，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，必要時要保證并行走線的布線(如地址線和數(shù)據(jù)線)的過孔數(shù)目保持一致。
4．4 電纜線的電磁兼容性設(shè)計原則
電子線路的實現(xiàn)除了依靠PCB板外，還需要電纜線的連接來完成。電子皮帶秤傳感器與前置放大器之間、前置放大器與主機之間、主機與上位機之間(控制秤中) 和主機內(nèi)部都需要通過電纜線來實現(xiàn)信號傳遞或電源傳輸，而電纜又是干擾引入的主要途徑之一，因此，對電纜線布線應(yīng)綜合考慮，對于220V的交流電源線，使用普通電纜即可，而對于直流10V電源(傳感器用)則可和傳感器輸出信號共用一根單點接地的4芯屏蔽電纜。在干擾比較大的環(huán)境中，信號屏蔽電纜還需使用金屬軟管或鍍鋅管進行屏蔽，并進行可靠接地，必要時，還可在屏蔽電纜的屏蔽層與公共地之間進行可靠濾波，特別是頻率信號傳輸時；在布線時，信號電纜和低壓電纜應(yīng)避免與干擾大的電纜一起走線或捆扎。
4．5 主機箱的電磁兼容性設(shè)計原則
主機箱是電子皮帶秤的人機交互通道，也是屏蔽電磁輻射，減少電磁干擾最有效的途徑之一，機箱底板、機殼的結(jié)構(gòu)材料和裝配技術(shù)設(shè)計的好壞常常決定了電子皮帶秤對不同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，如屏蔽電場干擾，可選用鋁、銅材料；屏蔽磁場干擾則使用高導(dǎo)磁率合金或鐵磁材料；使用塑料殼體時可在其內(nèi)表面涂噴屏蔽材料或注塑時摻入金屬纖維。機殼的接縫、開口、穿透和底板與機殼的搭接等因素也會直接影響到EMC設(shè)計效果。
電子皮帶秤機箱內(nèi)部的走線也是影響EMC效果的因素之一，裸線走線應(yīng)盡量短；不同的電子信號線(模擬、數(shù)字信號線或電源線)應(yīng)分組捆扎走線；扁平電纜兩信號線之間插接地線等等都是機箱布線時應(yīng)充分考慮的。
另外，按鈕、繼電器、接觸器等開關(guān)元件接通時會產(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
系統(tǒng)監(jiān)控軟件主流程圖如圖2所示。稱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、鍵盤管理和系統(tǒng)自身管理等功能。在EMC設(shè)計中應(yīng)對數(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)的看門狗功能，有助于系統(tǒng)出現(xiàn)死機時的自動恢復(fù)，提高了系統(tǒng)的運行可靠性。
信號在傳感、放大、傳輸?shù)冗^程中雖然進行了各種抗干擾處理，但難免還會有干擾信號侵入，軟件的數(shù)據(jù)處理功能除了將采集到的數(shù)據(jù)通過非線性校正來消除硬件處理中的線性誤差，并計算出瞬時量、累計量外，更重要的是要能夠分辨出受干擾的異常數(shù)據(jù)，并進行濾波處理，因此，通過軟件進行數(shù)字濾波來減小干擾，在EMC 設(shè)計中也是非常重要的。
數(shù)據(jù)濾波分為平均值法、滑動平均值法、加權(quán)平均法等等，最常用的是將采集到的數(shù)據(jù)剔除過大或過小的值再進行滑動平均，如果必要的話還可以通過加權(quán)平均，以提高皮帶秤的精度和抗干擾能力，當(dāng)然，設(shè)計時還需要充分考慮采樣時間及皮帶轉(zhuǎn)速對濾波周期的影響，以免出現(xiàn)實時數(shù)據(jù)變化過快或遲滯等現(xiàn)象。
6 結(jié)論
由于在皮帶秤系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮了現(xiàn)場的EMC因素，并在電子皮帶秤設(shè)計中采取了相應(yīng)的措施，大大地提高了稱重的精度、準確性和穩(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用，具有較高的實用價值，值得廣泛推廣和應(yīng)用。 |
