計(jì)價(jià)秤SoC低成本設(shè)計(jì)方案

計(jì)價(jià)秤SoC低成本設(shè)計(jì)方案

本文介紹一個(gè)適用于計(jì)價(jià)秤的SoC方案。計(jì)價(jià)秤的用途多屬商業(yè)交易范疇，為使買賣雙方的交易更趨公平，其認(rèn)證規(guī)范相當(dāng)嚴(yán)格。在各種不同環(huán)境條件下所產(chǎn)生的測(cè)量誤差，皆不得超過(guò)規(guī)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(zé)任問(wèn)題。因此，許多國(guó)家對(duì)于商業(yè)用的計(jì)價(jià)秤都有其規(guī)范并且需要得到國(guó)家認(rèn)證才能在交易市場(chǎng)上使用。所有相關(guān)規(guī)范中，以O(shè)IML(International Organization of Legal Metrology，國(guó)際法定度量衡組織)的規(guī)范最為完整，許多歐美國(guó)家采用此規(guī)范作為準(zhǔn)則。一些亞洲國(guó)家和地區(qū)雖發(fā)展出自有的認(rèn)證規(guī)范，亦以O(shè)IML作為參照準(zhǔn)則。下文簡(jiǎn)略介紹OIML的相關(guān)規(guī)格與要求。

　　計(jì)價(jià)秤若要通過(guò)OIML的第3級(jí)認(rèn)證(Class III)，則測(cè)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(rèn)證的機(jī)種在市場(chǎng)應(yīng)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(jí)在各量程中最大的允許誤差值。

　　由于電子式計(jì)價(jià)秤采用的感應(yīng)器大多為L(zhǎng)oad Cell(稱重傳感器)，然而一個(gè)通過(guò)OIML認(rèn)證等級(jí)(Class C)的Load Cell已經(jīng)占用了PLC(apportionment factor，分?jǐn)傁禂?shù)) ≤0.7，如表2，因此在其它電子設(shè)備，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的PLC應(yīng)小于0.3。

　　接下來(lái)，將探討整個(gè)計(jì)價(jià)秤規(guī)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(rèn)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(jī)構(gòu)都可以控制在PLC≤0.7;如圖2所示， Emin與Emax是Load Cell最大負(fù)載能力(一般沒(méi)有組裝任何機(jī)構(gòu)或秤盤(pán));Dmin與Dmax是Load Cell應(yīng)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(jì)價(jià)秤后仍在安全范圍內(nèi)，一般會(huì)視機(jī)構(gòu)或秤盤(pán)重量選擇較大秤量的Load Cell 來(lái)組裝;假設(shè)要組裝一臺(tái)15kg的計(jì)價(jià)秤，整個(gè)機(jī)構(gòu)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(jì)價(jià)秤是比較安全的。

　　OIML規(guī)范的測(cè)項(xiàng)包括名稱(Titling)、溫度、功率、電源、時(shí)間、蠕變、歸零、持久性等，欲通過(guò)認(rèn)證就得滿足這些測(cè)項(xiàng)且不能超過(guò)mpe1。在測(cè)試時(shí)會(huì)用0.1e(verification scale interval，檢定分度值)來(lái)加載測(cè)試，所以做一臺(tái)3000 Count(內(nèi)部分辨值)的計(jì)價(jià)秤，其內(nèi)外Count的比值須做到10:1，才能滿足要求

　　綜觀上述，下文以O(shè)IML ClassⅢ規(guī)范做電性分析。用一個(gè)20kg通過(guò)OIML認(rèn)證的Load Cell，sensitivity = 2mV/V來(lái)組裝秤量15kg、分辨率為5g的計(jì)價(jià)秤，必須有以下的考慮。

　　電子電路要求

　　● RMS Noise(加權(quán)噪聲電壓有效值)

　　若Load Cell電壓=3V，信號(hào)輸出最大電壓為 (15kg/20kg)×2mV/V×3V=4500000nV;按3000 Count的計(jì)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(duì)SPAN的影響。

　　OIML在溫度測(cè)試范圍為-10℃~+40℃，在這范圍內(nèi)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(shè)Load Cell的PLC=0.7，因此其它的電子設(shè)備如ADC就只能分配到PLC=0.3;所以電子設(shè)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(guī)格為：(0.45e÷3000e) ÷30℃×1000000= 5ppm/℃。

　　◎ 溫度變化對(duì)漂移的影響。

　　OIML對(duì)溫度造成漂移的要求是溫度變化每5℃不得超過(guò)1e。假設(shè)Load Cell的PLC=0.7，其它電子設(shè)備只能分配到0.3;也就是電子設(shè)備溫度變化每5℃不得超過(guò)0.3e。

　　因此ADC的溫度漂移規(guī)格：1000000×(0.3e÷3000e)÷5℃= 20ppm/℃，也就是4500000nV × 20ppm/℃= 90nV/℃。

　● INL

　　OIML的規(guī)范中，精度呈現(xiàn)整體的線性誤差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(duì)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(guī)定初始零不得超過(guò)最大重量的20%。以15kg的計(jì)價(jià)秤為例，開(kāi)機(jī)零點(diǎn)不得超過(guò)3kg。

　　● 零范圍

　　OIML規(guī)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(jì)價(jià)秤為例，零的范圍不得超過(guò)0.6kg。

　　零點(diǎn)跟蹤的規(guī)定為每秒不得超過(guò)零±0.25e，而且需要在下列穩(wěn)定的情況下才能做零點(diǎn)跟蹤。

　　◎ Tare

　　◎ 當(dāng)在零以下時(shí)，不能做Tare;

　　◎ 在Tare功能啟動(dòng)時(shí)，須有符號(hào)”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(dāng)Tare回到0±0.25e時(shí)，可取消Tare功能。

　　● 更改指示

　　當(dāng)重量改變，需在1秒(s)內(nèi)改變顯示重量，也就是ADC的更新率須快于1s。

　　● 界限指標(biāo)

　　最大的顯示重量為最大秤量+9e。

　　由以上的電子規(guī)格來(lái)看計(jì)價(jià)秤的SoC方案，就性價(jià)比而言，最少需具備4kW/256B的內(nèi)存容量、溫度對(duì)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(qū)動(dòng)電壓源;數(shù)字部分則需包含計(jì)數(shù)器、低電壓比較器、串行通訊端口、LCD倍壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、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(diào)校與失效分析。

纮康科技(HYCON)所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的芯片HY11P系列，以ADC規(guī)格而言，溫度對(duì)增益的影響為5ppm、對(duì)漂移的影響為20nV、INL為20ppm且RMS Noise在搭配數(shù)字濾波器后的表現(xiàn)為40nV@1Hz。不僅具有后級(jí)輸入信號(hào)零點(diǎn)準(zhǔn)位調(diào)整器;數(shù)字部分還具備了可調(diào)式穩(wěn)壓電源VDDA與VLCD，以穩(wěn)定傳感器與LCD驅(qū)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(diào)整器、低電壓偵測(cè)器、內(nèi)置溫度感測(cè)器TPS、串行通訊端口、計(jì)數(shù)器A/B/C、高性能RC震蕩器與頻率調(diào)整器。功耗方面，單芯片的耗電流控制在0.75mA。綜觀市面上以SoC完成計(jì)價(jià)秤應(yīng)用的設(shè)計(jì)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。