本文章介紹了一種電子皮帶秤的設計方法：從其工作原理和電磁兼容性原理，并從電路設計、元器件選擇與布局、PCB印刷電路板設計、電纜布線(xiàn)、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計。
1 前言
目前，進(jìn)行運輸皮帶上物流量動(dòng)態(tài)檢測的計量(或控制)設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(zhù)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械結構特性、前置放大器的穩定性、連接電纜及電源的抗干擾性能、數據采集及顯示系統的精度等。
傳感器的機械安裝結構總體來(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(zhù)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)，只需根據安裝空間選擇合適的機械結構和傳感器型號，并根據皮帶跑偏情況、皮帶張力情況選擇恰當的安裝位置，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(cháng)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(gè)重要標志。
2 電磁兼容性基本原理
電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility簡(jiǎn)稱(chēng)EMC)是指用電設備(或系統)在規定的電磁環(huán)境電平下，其設計水平或性能不因受其他設備產(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大于規定的極限電平，干擾其它用電設備或系統的正常運行。 電磁兼容性(EMC)是一門(mén)新興的邊緣科學(xué)，主要研究用電設備的電磁干擾(EMI)和抗干擾問(wèn)題。隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步和發(fā)展，用電設備大幅增加，電磁干擾問(wèn)題也就越來(lái)越嚴重，甚至影響到了人類(lèi)自身的健康和安全，為此，世界各國都制訂了相應的電磁兼容性標準，來(lái)控制用電設備的電磁輻射干擾和抗干擾能力，以達到用電設備與設備、系統與系統之間互不干擾、共同可靠工作的目的。實(shí)踐經(jīng)驗表明，各種電器和電子產(chǎn)品在設計及安裝之初就進(jìn)行電磁兼容性考慮，將可提高設備的開(kāi)發(fā)效率，并節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、提高設備的抗干擾能力都是用電設備進(jìn)行抗干擾的主要措施，也是電磁兼容設計研究的主要目標。
3 電子皮帶秤硬件結構及工作原理
皮帶秤的結構如圖1所示，稱(chēng)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／頻率轉換器LM331)轉換成高頻信號后，再用電纜傳輸到系統主板；高頻信號經(jīng)光電隔離(TLP521 —2光電隔離器)后，由高頻計數器統計出頻率數據，再交由AT89C52單片機進(jìn)行數字濾波、非線(xiàn)性校正、數據轉換等處理，最后將轉換結果送LED顯示或轉換成標準輸出信號(4—20mA)供其它控制器儀表使用。 系統以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，內含8K程序存儲單元，512個(gè)RAM存儲單元，因此，無(wú)需外擴程序存儲器和RAM隨機存儲器，只需外擴一個(gè)可電擦除的參數存儲器(93C46)即可工作。 系統具有累計量、瞬時(shí)量數碼顯示功能，數碼顯示器、鍵盤(pán)的驅動(dòng)管理由8279芯片來(lái)完成。 系統配置的電源監控芯片(MAX813L)對CPU的工作進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，在欠壓或過(guò)壓、上電瞬間、自動(dòng)復位信號、CPU程序飛跳死機時(shí)，看門(mén)狗功能輸出復位信號，使系統復位。 電源模塊轉換輸出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，從其結構來(lái)看，很容易受到電磁干擾的影響，因此，電子皮帶秤設計時(shí)很有必要從硬件和軟件兩個(gè)方面分別進(jìn)行EMC設計，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，必須在設計過(guò)程中充分考慮硬件設計的EMC性能，以免設計不能滿(mǎn)足現場(chǎng)EMC環(huán)境的需要，進(jìn)而造成反復設計的人力、財力浪費。下面分別從電路設計、元器件選擇與布局、PCB設計、主機箱的電磁屏蔽(ESD)等幾個(gè)方面分別介紹電子皮帶秤硬件的EMC設計。
4．1 皮帶秤電路設計技術(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，因此，電路設計是EMC設計的一個(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，避免了擴展存儲電路引進(jìn)干擾；CPU時(shí)鐘電路單獨分區布置，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)電纜傳輸到主機板后，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；電源電路單獨設計，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；電源變壓器應設計靜電屏蔽，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
電路設計好后，就需要考慮元件選擇，元件選擇時(shí)，應根據電路的功能及設備的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特性遠離基頻；電阻、電容在使用中應盡量縮短引線(xiàn)長(cháng)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；電路應盡可能分組布置，如按使用電壓種類(lèi)、數字電路和模擬電路、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；位于電路板邊沿的元器件，離電路板邊沿一般不應小于2mm；需要進(jìn)行調節的元器件，如電位器、可調電感電容等的安裝位置應根據電路板成品的安裝位置而確定，以免成型后調節不便；發(fā)熱元件應遠離關(guān)鍵集成電路，敏感器件應遠離時(shí)鐘電路，電源線(xiàn)和地線(xiàn)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)板設計原則
印刷電路板的設計是在EMC設計中的另一重要方面，所有的電路設計都是靠PCB板的設計來(lái)實(shí)現的，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(jiàn)圖1)。 1)印刷電路板選擇。印刷電路板尺寸應根據元器件布局、電路設計情況及電路板的安裝位置來(lái)合理選擇，尺寸應適中，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(cháng)而增加阻抗，引入噪聲，成本也相應增加；尺寸過(guò)小，則元件布局緊密，散熱不好，且易形成相互干擾；當成品板的尺寸太大時(shí)，應注意板的機械強度及安裝固定方式； 印刷電路板的層面應綜合考慮性?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)，也可以使用適當的跳線(xiàn)，以節約成本。
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)按所設計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，應根據所設計的電路對布線(xiàn)的走向有一個(gè)整體的概念，特別是多層板，對每一層的走線(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過(guò)長(cháng)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，特別是在數字電路中，由于線(xiàn)路比較多，選線(xiàn)一般比較細，通常為0．02～0．5mm，當然，如果可能的話(huà)，走線(xiàn)線(xiàn)路應盡量寬。而導線(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，在允許的條件下應盡量寬。
(3)電源線(xiàn)和地線(xiàn)的走線(xiàn)寬度應≥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)，也可將其用作信號線(xiàn)的線(xiàn)間隔離。
(5)布線(xiàn)時(shí)，走線(xiàn)應盡量做到短而粗，且走線(xiàn)要均勻。
(6)布線(xiàn)過(guò)程中，不要出現直角轉角，以免在轉角的內部邊緣形成集中的電場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲干擾，因此，轉角處均應設計成45。角的轉角，且轉角線(xiàn)長(cháng)度應>13倍的走線(xiàn)寬度。
(7)焊盤(pán)中心孔應根據元器件引線(xiàn)直徑分別設置，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，應盡量設法避免，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)和數據線(xiàn))的過(guò)孔數目保持一致。
4．4 電纜線(xiàn)的電磁兼容性設計原則
電子線(xiàn)路的實(shí)現除了依靠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、前置放大器與主機之間、主機與上位機之間(控制秤中) 和主機內部都需要通過(guò)電纜線(xiàn)來(lái)實(shí)現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(xiàn)布線(xiàn)應綜合考慮，對于220V的交流電源線(xiàn)，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(diǎn)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(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，特別是頻率信號傳輸時(shí)；在布線(xiàn)時(shí)，信號電纜和低壓電纜應避免與干擾大的電纜一起走線(xiàn)或捆扎。
4．5 主機箱的電磁兼容性設計原則
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、機殼的結構材料和裝配技術(shù)設計的好壞常常決定了電子皮帶秤對不同EMC工作環(huán)境的適應程度。材料選用應根據儀器性能及使用環(huán)境決定，如屏蔽電場(chǎng)干擾，可選用鋁、銅材料；屏蔽磁場(chǎng)干擾則使用高導磁率合金或鐵磁材料；使用塑料殼體時(shí)可在其內表面涂噴屏蔽材料或注塑時(shí)摻入金屬纖維。機殼的接縫、開(kāi)口、穿透和底板與機殼的搭接等因素也會(huì )直接影響到EMC設計效果。
電子皮帶秤機箱內部的走線(xiàn)也是影響EMC效果的因素之一，裸線(xiàn)走線(xiàn)應盡量短；不同的電子信號線(xiàn)(模擬、數字信號線(xiàn)或電源線(xiàn))應分組捆扎走線(xiàn)；扁平電纜兩信號線(xiàn)之間插接地線(xiàn)等等都是機箱布線(xiàn)時(shí)應充分考慮的。
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計
系統監控軟件主流程圖如圖2所示。稱(chēng)重軟件的功能主要是：數據采集；數據處理；參數管理；數據顯示、鍵盤(pán)管理和系統自身管理等功能。在EMC設計中應對數據處理及系統自身管理等方面予以充分考慮。
系統的看門(mén)狗功能，有助于系統出現死機時(shí)的自動(dòng)恢復，提高了系統的運行可靠性。
信號在傳感、放大、傳輸等過(guò)程中雖然進(jìn)行了各種抗干擾處理，但難免還會(huì )有干擾信號侵入，軟件的數據處理功能除了將采集到的數據通過(guò)非線(xiàn)性校正來(lái)消除硬件處理中的線(xiàn)性誤差，并計算出瞬時(shí)量、累計量外，更重要的是要能夠分辨出受干擾的異常數據，并進(jìn)行濾波處理，因此，通過(guò)軟件進(jìn)行數字濾波來(lái)減小干擾，在EMC 設計中也是非常重要的。
數據濾波分為平均值法、滑動(dòng)平均值法、加權平均法等等，最常用的是將采集到的數據剔除過(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)加權平均，以提高皮帶秤的精度和抗干擾能力，當然，設計時(shí)還需要充分考慮采樣時(shí)間及皮帶轉速對濾波周期的影響，以免出現實(shí)時(shí)數據變化過(guò)快或遲滯等現象。
6 結論
由于在皮帶秤系統設計中充分考慮了現場(chǎng)的EMC因素，并在電子皮帶秤設計中采取了相應的措施，大大地提高了稱(chēng)重的精度、準確性和穩定性，因此，我廠(chǎng)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(shí)用價(jià)值，值得廣泛推廣和應用。 |
