計價秤SoC低成本設計方案

計價秤SoC低成本設計方案

本文介紹一個適用于計價秤的SoC方案。計價秤的用途多屬商業(yè)交易范疇，為使買賣雙方的交易更趨公平，其認證規(guī)范相當嚴格。在各種不同環(huán)境條件下所產生的測量誤差，皆不得超過規(guī)范之容許誤差范圍，否則可能會因違反公平交易之原則，產生許多法律責任問題。因此，許多國家對于商業(yè)用的計價秤都有其規(guī)范并且需要得到國家認證才能在交易市場上使用。所有相關規(guī)范中，以OIML(International Organization of Legal Metrology，國際法定度量衡組織)的規(guī)范最為完整，許多歐美國家采用此規(guī)范作為準則。一些亞洲國家和地區(qū)雖發(fā)展出自有的認證規(guī)范，亦以OIML作為參照準則。下文簡略介紹OIML的相關規(guī)格與要求。

　　計價秤若要通過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mpe1(mpe為最大允許誤差);而通過認證的機種在市場應用時亦不得超過mpe2。圖1為mpe1、mpe2的允許誤差范圍圖。表1為每一個等級在各量程中最大的允許誤差值。

　　由于電子式計價秤采用的感應器大多為Load Cell(稱重傳感器)，然而一個通過OIML認證等級(Class C)的Load Cell已經占用了PLC(apportionment factor，分攤系數(shù)) ≤0.7，如表2，因此在其它電子設備，如模數(shù)轉換器(ADC)的PLC應小于0.3。

　　接下來，將探討整個計價秤規(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OIML認證的Load Cell會有一些安全余量，保證組裝成秤之后，加上秤盤機構都可以控制在PLC≤0.7;如圖2所示， Emin與Emax是Load Cell最大負載能力(一般沒有組裝任何機構或秤盤);Dmin與Dmax是Load Cell應用上的最大值與最小值(一般是已經組裝為秤的成品)。

　　而Dmin可能等于Emin，Dmax可能等于Emax，為了保證組裝成為計價秤后仍在安全范圍內，一般會視機構或秤盤重量選擇較大秤量的Load Cell 來組裝;假設要組裝一臺15kg的計價秤，整個機構加上秤盤的重量為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來組裝成為15kg的計價秤是比較安全的。

　　OIML規(guī)范的測項包括名稱(Titling)、溫度、功率、電源、時間、蠕變、歸零、持久性等，欲通過認證就得滿足這些測項且不能超過mpe1。在測試時會用0.1e(verification scale interval，檢定分度值)來加載測試，所以做一臺3000 Count(內部分辨值)的計價秤，其內外Count的比值須做到10:1，才能滿足要求

　　綜觀上述，下文以OIML ClassⅢ規(guī)范做電性分析。用一個20kg通過OIML認證的Load Cell，sensitivity = 2mV/V來組裝秤量15kg、分辨率為5g的計價秤，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±0.5e，500g~2000g誤差不得超過±1e，2000g以上誤差不得超過±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(guī)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INL，最大不得超過±0.25e。而Load Cell的PLC已經占用了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(guī)定初始零不得超過最大重量的20%。以15kg的計價秤為例，開機零點不得超過3kg。

　　● 零范圍

　　OIML規(guī)定零的范圍(包括零點跟蹤)不得超過最大重量的4%。以15kg的計價秤為例，零的范圍不得超過0.6kg。

　　零點跟蹤的規(guī)定為每秒不得超過零±0.25e，而且需要在下列穩(wěn)定的情況下才能做零點跟蹤。

　　◎ Tare

　　◎ 當在零以下時，不能做Tare;

　　◎ 在Tare功能啟動時，須有符號”NET”或”Tare”顯示;

　　◎ 在Tare功能啟動時，不可有零點跟蹤功能;

　　◎ 可以Tare到最大的顯示重量;

　　◎ 當Tare回到0±0.25e時，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(guī)格來看計價秤的SoC方案，就性價比而言，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顯示驅動電壓源;數(shù)字部分則需包含計數(shù)器、低電壓比較器、串行通訊端口、LCD倍壓驅動設計、高效能RC震蕩器等等功能，且外圍電路愈簡單才易生產管理、調校與失效分析。

纮康科技(HYCON)所設計生產的芯片HY11P系列，以ADC規(guī)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(shù)字濾波器后的表現(xiàn)為40nV@1Hz。不僅具有后級輸入信號零點準位調整器;數(shù)字部分還具備了可調式穩(wěn)壓電源VDDA與VLCD，以穩(wěn)定傳感器與LCD驅動顯示的供電。加上OTP(一次可編程)、H08A CPU核、AI輸入網絡調整器、低電壓偵測器、內置溫度感測器TPS、串行通訊端口、計數(shù)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。綜觀市面上以SoC完成計價秤應用的設計方案，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。