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作者：臺灣纮康科技股份有限公司應用工程經(jīng)理 李彥緒 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 2009-11-09 本文介紹一個(gè)適用于計價(jià)秤的SoC方案。計價(jià)秤的用途多屬商業(yè)交易范疇，為使買(mǎi)賣(mài)雙方的交易更趨公平，其認證規范相當嚴格。在各種不同環(huán)境條件下所產(chǎn)生的測量誤差，皆不得超過(guò)規范之容許誤差范圍，否則可能會(huì )因違反公平交易之原則，產(chǎn)生許多法律責任問(wèn)題。因此，許多國家對于商業(yè)用的計價(jià)秤都有其規范并且需要得到國家認證才能在交易市場(chǎng)上使用。所有相關(guān)規范中，以OIML(International Organization of Legal Metrology，國際法定度量衡組織)的規范最為完整，許多歐美國家采用此規范作為準則。一些亞洲國家和地區雖發(fā)展出自有的認證規范，亦以OIML作為參照準則。下文簡(jiǎn)略介紹OIML的相關(guān)規格與要求。 
計價(jià)秤若要通過(guò)OIML的第3級認證(Class III)，則測量誤差(環(huán)境溫度-10~40℃)不可超過(guò)mpe1(mpe為最大允許誤差);而通過(guò)認證的機種在市場(chǎng)應用時(shí)亦不得超過(guò)mpe2。圖1為 mpe1、mpe2的允許誤差范圍圖。表1為每一個(gè)等級在各量程中最大的允許誤差值。
由于電子式計價(jià)秤采用的感應器大多為L(cháng)oad Cell(稱(chēng)重傳感器)，然而一個(gè)通過(guò)OIML認證等級(Class C)的Load Cell已經(jīng)占用了PLC(apportionment factor，分攤系數) ≤0.7，如表2，因此在其它電子設備，如模數轉換器(ADC)的PLC應小于0.3。
接下來(lái)，將探討整個(gè)計價(jià)秤規格中傳感器Load Cell與電子電路允許誤差各占的比例是多少。一般通過(guò)OIML認證的Load Cell會(huì )有一些安全余量，保證組裝成秤之后，加上秤盤(pán)機構都可以控制在PLC≤0.7;如圖2所示， Emin與Emax是Load Cell最大負載能力(一般沒(méi)有組裝任何機構或秤盤(pán));Dmin與Dmax是Load Cell應用上的最大值與最小值(一般是已經(jīng)組裝為秤的成品)。
而Dmin可能等于Emin，Dmax可能等于Emax，為了保證組裝成為計價(jià)秤后仍在安全范圍內，一般會(huì )視機構或秤盤(pán)重量選擇較大秤量的Load Cell 來(lái)組裝;假設要組裝一臺15kg的計價(jià)秤，整個(gè)機構加上秤盤(pán)的重量為2kg，保留初始0的范圍(最大值的20%)約3kg，因此需選擇20kg的Load Cell來(lái)組裝成為15kg的計價(jià)秤是比較安全的。 OIML規范的測項包括名稱(chēng)(Titling)、溫度、功率、電源、時(shí)間、蠕變、歸零、持久性等，欲通過(guò)認證就得滿(mǎn)足這些測項且不能超過(guò)mpe1。在測試時(shí)會(huì )用 0.1e(verification scale interval，檢定分度值)來(lái)加載測試，所以做一臺3000 Count(內部分辨值)的計價(jià)秤，其內外Count的比值須做到10:1，才能滿(mǎn)足要求。
綜觀(guān)上述，下文以OIML ClassⅢ規范做電性分析。用一個(gè)20kg通過(guò)OIML認證的Load Cell，sensitivity = 2mV/V來(lái)組裝秤量15kg、分辨率為5g的計價(jià)秤，必須有以下的考慮。 電子電路要求 ● RMS Noise(加權噪聲電壓有效值) 若Load Cell電壓=3V，信號輸出最大電壓為 (15kg/20kg)×2mV/V×3V=4500000nV;按3000 Count的計價(jià)秤算出其最小的分辨電壓為4500000nV÷(3000×10)=150nV。 故ADC的RMS Noise最大為150nV。若以1Count滾動(dòng)判斷，則RMS Noise必須小于150nV÷3.3≒45nV才能符合要求。 ● 溫度 ◎ 溫度變化對SPAN的影響。 OIML在溫度測試范圍為-10℃~+40℃，在這范圍內0g~500g誤差不得超過(guò)±0.5e，500g~2000g誤差不得超過(guò)±1e，2000g以上誤差不得超過(guò)±1.5e。假設Load Cell的PLC=0.7，因此其它的電子設備如ADC就只能分配到PLC=0.3;所以電子設備在0g~500g最大誤差為±0.15e; 500g~2000g，最大誤差為±0.3e，2000g以上最大誤差為±0.45e。 若考慮在15~20℃環(huán)境溫度校正，溫度最大變化范圍為±30℃。因此，ADC 跨度(增益)的溫度規格為：(0.45e÷3000e) ÷30℃×1000000= 5ppm/℃。 ◎ 溫度變化對漂移的影響。 OIML對溫度造成漂移的要求是溫度變化每5℃不得超過(guò)1e。假設Load Cell的PLC=0.7，其它電子設備只能分配到0.3;也就是電子設備溫度變化每5℃不得超過(guò)0.3e。 因此ADC的溫度漂移規格：1000000×(0.3e÷3000e)÷5℃= 20ppm/℃，也就是4500000nV × 20ppm/℃= 90nV/℃。 ● INL OIML的規范中，精度呈現整體的線(xiàn)性誤差I(lǐng)NL，最大不得超過(guò)±0.25e。而Load Cell的PLC已經(jīng)占用了0.7，因此，對ADC的INL要求為(0.25e)×0.3 = 0.075e，也就是約為±25ppm。 軟件處理要求 ● 初始零 OIML規定初始零不得超過(guò)最大重量的20%。以15kg的計價(jià)秤為例，開(kāi)機零點(diǎn)不得超過(guò)3kg。 ● 零范圍 OIML規定零的范圍(包括零點(diǎn)跟蹤)不得超過(guò)最大重量的4%。以15kg的計價(jià)秤為例，零的范圍不得超過(guò)0.6kg。 零點(diǎn)跟蹤的規定為每秒不得超過(guò)零±0.25e，而且需要在下列穩定的情況下才能做零點(diǎn)跟蹤。 ◎ Tare ◎ 當在零以下時(shí)，不能做Tare; ◎ 在Tare功能啟動(dòng)時(shí)，須有符號”NET”或”Tare”顯示; ◎ 在Tare功能啟動(dòng)時(shí)，不可有零點(diǎn)跟蹤功能; ◎ 可以Tare到最大的顯示重量; ◎ 當Tare回到0±0.25e時(shí)，可取消Tare功能。 ● 更改指示 當重量改變，需在1秒(s)內改變顯示重量，也就是ADC的更新率須快于1s。 ● 界限指標 最大的顯示重量為最大秤量+9e。 由以上的電子規格來(lái)看計價(jià)秤的SoC方案，就性?xún)r(jià)比而言，最少需具備4kW/256B的內存容量、溫度對ADC的增益(Gain)與漂移的影響分別為5ppm/℃、90nV/℃及INL為 25ppm;電源部分需具備VDDA傳感器電壓源與VLCD顯示驅動(dòng)電壓源;數字部分則需包含計數器、低電壓比較器、串行通訊端口、LCD倍壓驅動(dòng)設計、高效能RC震蕩器等等功能，且外圍電路愈簡(jiǎn)單才易生產(chǎn)管理、調校與失效分析。 纮康科技(HYCON)所設計生產(chǎn)的芯片HY11P系列，以ADC規格而言，溫度對增益的影響為5ppm、對漂移的影響為20nV、INL為20ppm且RMS Noise在搭配數字濾波器后的表現為40nV@1Hz。不僅具有后級輸入信號零點(diǎn)準位調整器;數字部分還具備了可調式穩壓電源VDDA與VLCD，以穩定傳感器與LCD驅動(dòng)顯示的供電。加上OTP(一次可編程)、H08A CPU核、AI輸入網(wǎng)絡(luò )調整器、低電壓偵測器、內置溫度感測器TPS、串行通訊端口、計數器A/B/C、高性能RC震蕩器與頻率調整器。功耗方面，單芯片的耗電流控制在0.75mA。綜觀(guān)市面上以SoC完成計價(jià)秤應用的設計方案，以HYCON纮康科技所推出的HY11P系列單芯片，為高性能低成本之優(yōu)先選擇。 參考文獻: [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 系列產(chǎn)品(R/OL). http://www.hycontek.com/page2.html [5] HY11P 系列產(chǎn)品PCB布線(xiàn)建議(R/OL). http://www.hycontek.com/attachments/MSP/APD-PCB001_TC.pdf |
