基于ad731的抗溫飄判別式平滑度儀的設(shè)計(jì)

基于ad731的抗溫飄判別式平滑度儀的設(shè)計(jì)

0解決了真空度的下降時(shí)間平滑度是衡量紙張表面平整度的重要變量。它保證了印刷圖像和文字的明亮度和清晰度，因此被用作印刷紙最重要的品質(zhì)指數(shù)之一。目前,在平滑度測(cè)量方面,別克式平滑度儀被廣泛應(yīng)用于造紙企業(yè)。其工作原理是將測(cè)試紙放在有膠墊的特制金屬壓頭下,對(duì)特定容積腔抽取空氣成半真空狀態(tài),然后測(cè)量泄露空氣透過紙張?jiān)斐扇莘e腔真空度的下降時(shí)間,從而確定紙張的平滑度,測(cè)量單位以秒計(jì)量。別克式平滑度儀有大小兩個(gè)容積腔。利用小容積腔測(cè)量平滑度時(shí),真空度從50.66kPa下降到48kPa的下降時(shí)間需要乘以10得到最終平滑度,它主要用來快速測(cè)試紙張平滑度;而大容積腔測(cè)量平滑度有兩個(gè)量程,即測(cè)量50.66kPa~48kPa和50.66kPa~29.33kPa的真空度下降時(shí)間,前者真空度下降時(shí)間即紙張平滑度,后者的平滑度需要用真空度下降時(shí)間除以10得到,主要用在平滑度很小的紙張平滑度測(cè)試上。雖然別克式平滑度儀應(yīng)用廣泛,但傳統(tǒng)的電子測(cè)量設(shè)計(jì)和軟件上存在著很多不足,導(dǎo)致不同廠家生產(chǎn)的平滑度很難相互標(biāo)定。同時(shí),由于環(huán)境溫度的影響,儀表在測(cè)量平滑度時(shí)溫飄嚴(yán)重影響準(zhǔn)確性。為此,本文在這里提出一種新型高性能的別克式平滑度儀設(shè)計(jì),在防止溫飄、系統(tǒng)校正和安全保障方面與原有設(shè)計(jì)相比有了很大提高。1.1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)別克式平滑度儀一般需要滿足液晶顯示、信號(hào)采集、閥門和真空泵狀態(tài)控制、鍵盤掃描和打印5大功能需求。在硬件電路的設(shè)計(jì)上微控制器的選擇非常重要,它很大程度決定了儀表設(shè)計(jì)的性能好壞。我們?cè)O(shè)計(jì)平滑度儀時(shí)選用了SiliconLab公司生產(chǎn)的C8051F340。該微控制器使用SiliconLabs公司的專利CIP-51內(nèi)核,指令集與MCS-51TM完全兼容。內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu),與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高,70%的指令執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。外設(shè)部件包括4個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、兩個(gè)具有擴(kuò)展波特率配置的全雙工UART、一個(gè)增強(qiáng)型SPI端口、4352字節(jié)的內(nèi)部RAM、多達(dá)40個(gè)I/O引腳。程序存儲(chǔ)器包含64KB的FLASH,可以在線擦寫,且不需特別的編程電壓,所以可以利用多余的FLASH來模擬外部EEPROM。整個(gè)硬件總體架構(gòu)基本上是圍繞C8051F340來設(shè)計(jì)的,圖1顯示了這個(gè)架構(gòu)。在傳感器信號(hào)進(jìn)入專用A/D芯片AD7731之前使用了儀表放大器INA118進(jìn)行模擬信號(hào)電平轉(zhuǎn)換,微控制器與AD7731是通過SPI口通信的,中間加入了光耦隔離增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。顯示部分采用了MSC-G12864DYSY液晶屏,它是一種自帶中文字庫(kù)的128*64點(diǎn)陣屏,所以在軟件編程上非常方便。鍵盤部分利用了常用的矩陣鍵盤掃描設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)不會(huì)像專用鍵盤掃描芯片帶來硬件成本,而且不會(huì)出現(xiàn)專用芯片帶來的死機(jī)現(xiàn)象。在繼電控制的硬件設(shè)計(jì)上主要是要考慮抗干擾性,所以C8051F340的控制I/O都與真空泵、大小容積閥、放氣閥和60s快速放氣閥之間加入了光耦隔離電路。需要說明的是60s快速放氣閥并不是所有別克式平滑度儀必須的,它只是出現(xiàn)在一些為了解決過沖時(shí)間過長(zhǎng)的設(shè)計(jì)中。微控制C8051F340有兩個(gè)串口,其中一個(gè)采用TTL電平的232方式與打印機(jī)通訊,另外一個(gè)是與上位機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行通訊。1.2-模數(shù)轉(zhuǎn)換器別克式平滑度儀檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)一直以來遵循三放大器構(gòu)成的儀表放大器信號(hào)采集電路設(shè)計(jì),這也是很多其它電構(gòu)成這種對(duì)稱性結(jié)構(gòu)使用的電阻很難做到匹配一致,是產(chǎn)品模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)的經(jīng)典設(shè)計(jì)。但是這種設(shè)計(jì)中的增益電阻的品質(zhì)會(huì)很大程度影響到采樣電路的溫飄,同時(shí)在著系統(tǒng)誤差。還有一個(gè)經(jīng)常被忽略的問題是信號(hào)采集電路中基準(zhǔn)電源的溫飄特性。眾多電子儀器設(shè)備常常為了節(jié)省成本利用微控制器內(nèi)部電源或DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器作基準(zhǔn)電源,而這些電壓基準(zhǔn)抗溫飄能力存在很大不足,本來14位采樣精度的設(shè)計(jì)很可能只有12位采樣精度,所以基準(zhǔn)電源對(duì)信號(hào)采集的影響遠(yuǎn)比想象要來得大。在新的設(shè)計(jì)中,采用美國(guó)ADI公司開發(fā)的具有低噪聲、高通過率等特性的Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7731。它最大的特點(diǎn)是可直接接收來自傳感器的輸入信號(hào),采樣頻率為800Hz時(shí),仍可獲得16位的分辨率,擁有±0.0015%非線性度,本設(shè)計(jì)采用的就是16位分辨率標(biāo)準(zhǔn)。基準(zhǔn)電源同樣采用ADI公司的AD780,它的精度可以達(dá)到1mV。AD780擁有普通基準(zhǔn)電源無法達(dá)到的精度,同時(shí)溫飄最大可以保持在7ppm/℃內(nèi)。這個(gè)溫飄特性基本上可以保證基準(zhǔn)電源對(duì)信號(hào)采集電路的影響可以忽略不計(jì)。圖2信號(hào)顯示了信號(hào)采集的電路,其中負(fù)責(zé)真空度檢測(cè)的MPM388型壓力傳感器需要1.5mADC恒流源供電,這里采用TL431、LM258和9013設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用且低成本的恒流源電路。傳感器模擬信號(hào)需要經(jīng)過INA118儀表放大器轉(zhuǎn)換成以2.5V為基準(zhǔn)的采樣信號(hào),要注意的是調(diào)控信號(hào)增益比的電阻R63是不接的,這樣信號(hào)以1:1的方式進(jìn)入A/D采樣。由于少了R63這個(gè)電阻的溫飄影響,整個(gè)電路的溫度穩(wěn)定性大大提高。為了證明新設(shè)計(jì)的優(yōu)越性,利用恒定電壓模擬容積腔20kPa真空度狀態(tài),接下來比較新設(shè)計(jì)與三放大器設(shè)計(jì)在環(huán)境溫度11℃~20℃之間測(cè)量的真空度值,最后獲得溫度影響下新設(shè)計(jì)比老設(shè)計(jì)的誤差下降,從圖3可以看到新設(shè)計(jì)確實(shí)降低了原有設(shè)計(jì)溫度對(duì)系統(tǒng)的影響,有力地證明了新設(shè)計(jì)的抗溫飄能力。2設(shè)備軟件設(shè)計(jì)的改進(jìn)相比傳統(tǒng)的別克式平滑度儀軟件設(shè)計(jì),我們?cè)谙到y(tǒng)信息的可靠存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)加密和相關(guān)函數(shù)校準(zhǔn)3個(gè)方面做出了改進(jìn)。2.1基于fpga的ieeeprm數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式目前的別克式平滑度儀系統(tǒng)信息保存與一般電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣,主要是將信息存放在例如24C02類似的外部串行EEPROM特定區(qū)域內(nèi),然后開機(jī)后微控制器通過I2C總線讀取EEPROM內(nèi)系統(tǒng)信息的加密字段,經(jīng)過驗(yàn)證后授權(quán)啟動(dòng)儀器的受限功能。然而隨著電子技術(shù)的發(fā)展,這種方式也暴露出來越來越多的缺陷。首先,EEPROM并不是一個(gè)安全存放數(shù)據(jù)的器件,現(xiàn)有的破解技術(shù)已經(jīng)可以獲取器件內(nèi)部的存儲(chǔ)的信息,靠這種方式來保護(hù)電子設(shè)備的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和限制使用權(quán)限越來越不安全;其次,雖然很多外部串行EEPROM都號(hào)稱至少100萬次的刷寫次數(shù),實(shí)際應(yīng)用的效果顯示,加密信息存放于EEPROM固定地址,加之還要存放要修改的校正值等系統(tǒng)數(shù)據(jù),反復(fù)擦寫100次后,某些批次的EEPROM由于工藝不過關(guān)會(huì)出現(xiàn)壞塊,從而導(dǎo)致儀器工作不正常;最后,EEPROM器件如果PCB板布線不合理或電磁干擾,會(huì)造成儀器讀寫數(shù)據(jù)失敗,最終給生產(chǎn)廠商帶來很大的維護(hù)成本。上述設(shè)計(jì)缺陷不僅僅存在傳統(tǒng)別克式平滑度儀,而且也存在于眾多其它類型的電子產(chǎn)品。在本文提出的不同于以往的別克式平滑度儀設(shè)計(jì)中,我們利用了C8051F340的FLASH可在線擦寫特性,采用內(nèi)部FLASH來模擬外部EEPROM來存放數(shù)據(jù)。這樣做的好處是可以省去了外部EEPROM的成本和布線設(shè)計(jì)的不可靠因素,增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性。同時(shí),使得傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)破解方法失效,放在內(nèi)部FLASH中的系統(tǒng)信息更加安全可靠。根據(jù)C8051F340內(nèi)部flash的可擦寫物理特性,典型擦寫次數(shù)是10萬次,最小擦寫次數(shù)能保證2萬次。但是這和100萬次的EEPROM擦寫次數(shù)還有很大差距,不過這種差距是可以采用了軟件方式來解決的。在軟件設(shè)計(jì)中,通過在內(nèi)部FLASH中劃出5120字節(jié)空間來保存一個(gè)帶有CRC校正的32字節(jié)數(shù)組,這個(gè)數(shù)組存放了平滑度儀的系統(tǒng)信息并保存在微控制器內(nèi)部FLASH的特定位置,每修改一次系統(tǒng)信息就將數(shù)據(jù)保存地址移動(dòng)32個(gè)字節(jié),當(dāng)?shù)竭_(dá)數(shù)組保存尾地址后,下一次保存從最初的起始地址重新開始。可以看到,這種設(shè)計(jì)是利用了環(huán)形數(shù)組的方式使系統(tǒng)信息的可靠擦寫次數(shù)達(dá)到320萬次,從而大大優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。如果需要更高的可靠擦寫能力,只需要提高保存數(shù)據(jù)空間就能輕松達(dá)到目的。圖4中顯示了數(shù)組的結(jié)構(gòu),其中保存系統(tǒng)信息的32字節(jié)是全局變量數(shù)組,0xA5表示32字節(jié)數(shù)組頭部,中間部分保存了唯一標(biāo)志符、校正值1~3(分別保存50.66kPa、48kPa和29.33kPa的校正值)和版本信息,數(shù)組尾部是2字節(jié)的CRC16校正。2.2基于系統(tǒng)校1和2.2最佳標(biāo)識(shí)的確定一般來說電子系統(tǒng)的加密需要一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符作為密鑰,這個(gè)密鑰可以是事先存放在EEPROM內(nèi)的特定數(shù)字,也可以是微控制內(nèi)部的唯一標(biāo)識(shí)符,還有就是利用特定加密芯片內(nèi)部的標(biāo)識(shí)符來保護(hù)系統(tǒng)信息不被竊取。然而出于成本和產(chǎn)品兼容性等因素的考慮,傳統(tǒng)別克式平滑度儀設(shè)計(jì)中采用的微控器內(nèi)部絕大多數(shù)沒有唯一標(biāo)識(shí)符,同時(shí)又不可能采用昂貴的加密芯片來保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和進(jìn)行功能授權(quán)。為此,我們提出了在新型別克式平滑度儀的設(shè)計(jì)中,利用了系統(tǒng)校正值生成唯一標(biāo)識(shí)符作為公開密鑰,然后進(jìn)行常用的查表法計(jì)算CRC16得出動(dòng)態(tài)加密密碼。需要說明是CRC16計(jì)算表是由儀表生產(chǎn)商定義的,所以有很好的保密性。考慮使用系統(tǒng)校正值有以下一些好處:1)每個(gè)儀表的系統(tǒng)校正值都是不一樣的,因此唯一標(biāo)識(shí)符具備了密鑰唯一性的特征;2)由于儀表需要定期校準(zhǔn),每次校準(zhǔn)后校正值都會(huì)發(fā)生變化,這樣保證了加密方式是動(dòng)態(tài)的。軟件實(shí)際設(shè)計(jì)中,利用48kPa和29.33kPpa校正值產(chǎn)生唯一標(biāo)識(shí)符前面部分,再利用AD7731的狀態(tài)寄存器低四位產(chǎn)生唯一標(biāo)識(shí)符的后面部分。唯一標(biāo)識(shí)符總共3個(gè)字節(jié),保存在系統(tǒng)信息32字節(jié)數(shù)組SavePage中。之所以利用AD7731的狀態(tài)寄存器低四位產(chǎn)生是因?yàn)樗怯尚酒a(chǎn)廠商ADI公司設(shè)定的,具有一定的安全性。唯一標(biāo)識(shí)符具體代碼實(shí)現(xiàn)如下:一般來說,別克式平滑度儀需要密碼輸入的地方主要是系統(tǒng)校正功能。只要進(jìn)入校正功能,液晶屏就顯示唯一標(biāo)志符和提示輸入密碼,在沒有獲得加密的CRC16計(jì)算表情況下,可以限制非專業(yè)人員校準(zhǔn)儀表,從而很好地保護(hù)儀表不受破壞。2.3線性關(guān)系誤差目前,計(jì)量部門的平滑度儀基準(zhǔn)測(cè)量方式是采用水銀壓力計(jì)測(cè)試平滑度,這種方法與別克式平滑度儀的無汞測(cè)量方法存在著差異,這個(gè)差異受到紙張平滑度大小和儀器機(jī)械工藝的影響。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有平滑度儀的校準(zhǔn)方法是在測(cè)量的平滑度值上乘以一個(gè)固定的校正系數(shù),但這樣做后平滑度無法在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)保持較小的誤差,甚至有時(shí)誤差甚至?xí)^30%。造成這種現(xiàn)象原因是兩種測(cè)量方式的誤差是非線性的,所以線性校準(zhǔn)是目前國(guó)產(chǎn)別克式平滑度儀的共同缺陷。在進(jìn)口的別克式平滑度儀上也有校準(zhǔn)功能,但校準(zhǔn)方法都是保密的。為了解決這個(gè)問題,我們通過幾百次反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這兩種測(cè)量方式之比與儀表從最高真空度下降到50.66kPa的過沖時(shí)間呈現(xiàn)二次曲線關(guān)系。下面給出兩種平滑度測(cè)試方法的經(jīng)驗(yàn)性相關(guān)函數(shù):這里需要說明,P1代表水銀壓力計(jì)測(cè)出的平滑度,P2代表別克式平滑度儀測(cè)出的平滑度,k是校正系數(shù)(取值范圍:0~1.99),t指過沖時(shí)間,s1、s2為系統(tǒng)參數(shù)并與儀表生產(chǎn)廠家的機(jī)械制造工藝相關(guān)。通過軟件實(shí)現(xiàn)的相關(guān)函數(shù)校準(zhǔn)與線性校準(zhǔn)兩種方式對(duì)比得到了圖5,其中虛線是線性校準(zhǔn)的誤差,實(shí)線代表相關(guān)函數(shù)校準(zhǔn)方法的誤差。從對(duì)比圖可以看出,相關(guān)函數(shù)校準(zhǔn)方法具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。3監(jiān)控軟件界面人機(jī)接口的設(shè)計(jì)一直都是別克式平滑度儀在開發(fā)過程中缺失的部分。大部分造紙儀器設(shè)計(jì)廠家把精力放在設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)控制部分嵌入式軟件部分,而對(duì)上位機(jī)監(jiān)控軟件一般都不設(shè)計(jì)。這樣就在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢交付生產(chǎn)部門制造后,質(zhì)檢人員由于只能通過液晶屏看真空度變化,而無法觀察整個(gè)動(dòng)態(tài)變化曲線和閥門、真空泵狀態(tài),很多情況需要有經(jīng)驗(yàn)的質(zhì)檢人員和開發(fā)人員才能發(fā)現(xiàn)問題,而一些儀器制造和設(shè)計(jì)中隱藏的隱患需要花很長(zhǎng)時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)。我們?cè)谶@里利用labview8.6平臺(tái)的快速開發(fā)和可移植性好等特性,開發(fā)了一套別克式平滑度儀的監(jiān)控軟件,圖6顯示了監(jiān)控軟件界面。在這套軟件中主要包含了通訊設(shè)置、校正系統(tǒng)和系統(tǒng)控制3部分功能。由于儀表和上位機(jī)采用串口通訊方式,所以通訊設(shè)置主要是設(shè)置串口波特率和停止位等參數(shù),通過通訊協(xié)議監(jiān)控軟件可以獲知儀表內(nèi)部狀態(tài);校正系統(tǒng)主要是通過上位機(jī)設(shè)定參數(shù)來校準(zhǔn)儀表;系統(tǒng)控制部分主要是提供給質(zhì)檢人員可以單獨(dú)控制和顯示各個(gè)閥門、真空泵開閉,從而可以調(diào)試儀表發(fā)現(xiàn)問題。監(jiān)控軟件通過解析儀表發(fā)出的內(nèi)部狀態(tài)可以動(dòng)態(tài)將真空度曲線顯示出來。為了分辨真空度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)精度,特意顯示了傳感器的檢測(cè)電壓方便判斷真空度的變化。由于C8051F340內(nèi)部有溫度傳感器,我們同時(shí)也在軟件中將溫度傳感器電壓也顯示出來,這樣方便判斷儀表內(nèi)部的溫度變化。通過上位機(jī)監(jiān)控軟件友好的人機(jī)交互,原來只能通過液晶屏看真空度變化轉(zhuǎn)變成可以檢