高性能別克式平滑度儀的設計

朱 華

浙江工業大學信息工程學院，浙江杭州 310023

高性能別克式平滑度儀的設計

朱 華

浙江工業大學信息工程學院，浙江杭州 310023

由于傳統別克式平滑度儀存在溫飄、安全性和校準問題，本文提出了一種新型高性能的設計，有效地解決了上述問題。該設計在硬件上采用專用A/D芯片AD7731提高了儀器的抗溫飄特性。在軟件設計上提出了系統信息存儲、動態加密和相關函數校準3方面的改進。最后，基于labview平臺的上位機監控軟件大大提高了別克式平滑度儀的生產效率和產品合格率。

平滑度；動態加密；相關函數校準

0 引言

平滑度是用來衡量紙張表面平整程度的一個重要物理量，它確保了印刷畫面和字跡的鮮明度和清晰度，因此被作為印刷用紙最重要的質量指標之一。

目前，在平滑度測量方面，別克式平滑度儀被廣泛應用于造紙企業。其工作原理是將測試紙放在有膠墊的特制金屬壓頭下，對特定容積腔抽取空氣成半真空狀態，然后測量泄露空氣透過紙張造成容積腔真空度的下降時間，從而確定紙張的平滑度，測量單位以秒計量。別克式平滑度儀有大小兩個容積腔。利用小容積腔測量平滑度時，真空度從50.66kPa下降到48kPa的下降時間需要乘以10得到最終平滑度，它主要用來快速測試紙張平滑度；而大容積腔測量平滑度有兩個量程，即測量50.66kPa～48kPa和50.66kPa～29.33kPa的真空度下降時間，前者真空度下降時間即紙張平滑度，后者的平滑度需要用真空度下降時間除以10得到，主要用在平滑度很小的紙張平滑度測試上。

雖然別克式平滑度儀應用廣泛，但傳統的電子測量設計和軟件上存在著很多不足，導致不同廠家生產的平滑度很難相互標定。同時，由于環境溫度的影響，儀表在測量平滑度時溫飄嚴重影響準確性。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計，在防止溫飄、系統校正和安全保障方面與原有設計相比有了很大提高。

1 硬件設計

1.1 總體設計架構

圖1 硬件總體設計架構

圖3 誤差下降隨溫度變化的曲線圖

別克式平滑度儀一般需要滿足液晶顯示、信號采集、閥門和真空泵狀態控制、鍵盤掃描和打印5大功能需求。

在硬件電路的設計上微控制器的選擇非常重要，它很大程度決定了儀表設計的性能好壞。我們設計平滑度儀時選用了Silicon Lab公司生產的C8051F340。該微控制器使用Silicon Labs公司的專利CIP-51內核，指令集與MCS-51TM完全兼容。內核采用流水線結構，與標準的 8051 結構相比指令執行速度有很大的提高，70%的指令執行時間為1或2個系統時鐘周期。外設部件包括4個16位計數器/定時器、兩個具有擴展波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI端口、4 352字節的內部RAM、多達40個I/O引腳。程序存儲器包含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。

整個硬件總體架構基本上是圍繞C8051F340來設計的，圖1顯示了這個架構。在傳感器信號進入專用A/D芯片AD7731之前使用了儀表放大器INA118進行模擬信號電平轉換，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了系統的抗干擾性。顯示部分采用了MSC-G12864DYSY液晶屏，它是一種自帶中文字庫的128*64點陣屏，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計，這種設計不會像專用鍵盤掃描芯片帶來硬件成本，而且不會出現專用芯片帶來的死機現象。在繼電控制的硬件設計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，它只是出現在一些為了解決過沖時間過長的設計中。微控制C8051F340有兩個串口，其中一個采用TTL電平的232方式與打印機通訊，另外一個是與上位機監控軟件進行通訊。

1.2 高性能抗溫飄信號采集電路

別克式平滑度儀檢測電路的設計一直以來遵循三放大器構成的儀表放大器信號采集電路設計，這也是很多其它電構成這種對稱性結構使用的電阻很難做到匹配一致，是產品模擬信號轉化數字信號的經典設計。但是這種設計中的增益電阻的品質會很大程度影響到采樣電路的溫飄，同時在著系統誤差。還有一個經常被忽略的問題是信號采集電路中基準電源的溫飄特性。眾多電子儀器設備常常為了節省成本利用微控制器內部電源或DC-DC電壓轉換器作基準電源，而這些電壓基準抗溫飄能力存在很大不足，本來14位采樣精度的設計很可能只有12位采樣精度，所以基準電源對信號采集的影響遠比想象要來得大。

在新的設計中，采用美國ADI公司開發的具有低噪聲、高通過率等特性的Σ-Δ模數轉換器AD7731。它最大的特點是可直接接收來自傳感器的輸入信號，采樣頻率為800Hz時，仍可獲得16位的分辨率，擁有±0.0015%非線性度，本設計采用的就是16位分辨率標準。基準電源同樣采用ADI公司的AD780，它的精度可以達到1mV。AD780擁有普通基準電源無法達到的精度，同時溫飄最大可以保持在7ppm/℃內。這個溫飄特性基本上可以保證基準電源對信號采集電路的影響可以忽略不計。

圖2信號顯示了信號采集的電路，其中負責真空度檢測的MPM388型壓力傳感器需要1.5 mA DC恒流源供電，這里采用TL431、LM258和9013設計了一個簡單實用且低成本的恒流源電路。傳感器模擬信號需要經過INA118儀表放大器轉換成以2.5V為基準的采樣信號，要注意的是調控信號增益比的電阻R63是不接的，這樣信號以1：1的方式進入A/D采樣。由于少了R63這個電阻的溫飄影響，整個電路的溫度穩定性大大提高。

圖2 別克式平滑度儀信號采集電路

為了證明新設計的優越性，利用恒定電壓模擬容積腔20kPa真空度狀態，接下來比較新設計與三放大器設計在環境溫度11℃～20℃之間測量的真空度值，最后獲得溫度影響下新設計比老設計的誤差下降，從圖3可以看到新設計確實降低了原有設計溫度對系統的影響，有力地證明了新設計的抗溫飄能力。

2 儀表軟件設計的改進

相比傳統的別克式平滑度儀軟件設計，我們在系統信息的可靠存儲、動態加密和相關函數校準3個方面做出了改進。

2.1 系統信息的可靠存儲

目前的別克式平滑度儀系統信息保存與一般電子系統設計一樣，主要是將信息存放在例如24C02類似的外部串行EEPROM特定區域內，然后開機后微控制器通過I2C總線讀取EEPROM內系統信息的加密字段，經過驗證后授權啟動儀器的受限功能。然而隨著電子技術的發展，這種方式也暴露出來越來越多的缺陷。首先，EEPROM并不是一個安全存放數據的器件，現有的破解技術已經可以獲取器件內部的存儲的信息，靠這種方式來保護電子設備的知識產權和限制使用權限越來越不安全；其次，雖然很多外部串行EEPROM都號稱至少100萬次的刷寫次數，實際應用的效果顯示，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數據，反復擦寫100次后，某些批次的EEPROM由于工藝不過關會出現壞塊，從而導致儀器工作不正常；最后，EEPROM器件如果PCB板布線不合理或電磁干擾，會造成儀器讀寫數據失敗，最終給生產廠商帶來很大的維護成本。

上述設計缺陷不僅僅存在傳統別克式平滑度儀，而且也存在于眾多其它類型的電子產品。在本文提出的不同于以往的別克式平滑度儀設計中，我們利用了C8051F340的FLASH可在線擦寫特性，采用內部FLASH來模擬外部EEPROM來存放數據。這樣做的好處是可以省去了外部EEPROM的成本和布線設計的不可靠因素，增強了整個系統的抗干擾性。同時，使得傳統的電子系統破解方法失效，放在內部FLASH中的系統信息更加安全可靠。

圖4 系統信息存儲的數組結構

根據C8051F340內部flash的可擦寫物理特性，典型擦寫次數是10萬次，最小擦寫次數能保證2萬次。但是這和100萬次的EEPROM擦寫次數還有很大差距，不過這種差距是可以采用了軟件方式來解決的。在軟件設計中，通過在內部FLASH中劃出5 120字節空間來保存一個帶有CRC校正的32字節數組，這個數組存放了平滑度儀的系統信息并保存在微控制器內部FLASH的特定位置，每修改一次系統信息就將數據保存地址移動32個字節，當到達數組保存尾地址后，下一次保存從最初的起始地址重新開始。可以看到，這種設計是利用了環形數組的方式使系統信息的可靠擦寫次數達到320萬次，從而大大優于傳統設計。如果需要更高的可靠擦寫能力，只需要提高保存數據空間就能輕松達到目的。圖4中顯示了數組的結構，其中保存系統信息的32字節是全局變量數組，0xA5表示32字節數組頭部，中間部分保存了唯一標志符、校正值1～3（分別保存50.66kPa、48kPa和29.33kPa的校正值）和版本信息，數組尾部是2字節的CRC16校正。

2.2 動態加密

一般來說電子系統的加密需要一個唯一標識符作為密鑰，這個密鑰可以是事先存放在EEPROM內的特定數字，也可以是微控制內部的唯一標識符，還有就是利用特定加密芯片內部的標識符來保護系統信息不被竊取。然而出于成本和產品兼容性等因素的考慮，傳統別克式平滑度儀設計中采用的微控器內部絕大多數沒有唯一標識符，同時又不可能采用昂貴的加密芯片來保護知識產權和進行功能授權。

為此，我們提出了在新型別克式平滑度儀的設計中，利用了系統校正值生成唯一標識符作為公開密鑰，然后進行常用的查表法計算CRC16得出動態加密密碼。需要說明是CRC16計算表是由儀表生產商定義的，所以有很好的保密性。考慮使用系統校正值有以下一些好處：1）每個儀表的系統校正值都是不一樣的，因此唯一標識符具備了密鑰唯一性的特征；2）由于儀表需要定期校準，每次校準后校正值都會發生變化，這樣保證了加密方式是動態的。軟件實際設計中，利用48kPa和29.33kPpa校正值產生唯一標識符前面部分，再利用AD7731的狀態寄存器低四位產生唯一標識符的后面部分。唯一標識符總共3個字節，保存在系統信息32字節數組SavePage中。之所以利用AD7731的狀態寄存器低四位產生是因為它是由芯片生產廠商ADI公司設定的，具有一定的安全性。唯一標識符具體代碼實現如下：

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校正功能。只要進入校正功能，液晶屏就顯示唯一標志符和提示輸入密碼，在沒有獲得加密的CRC16計算表情況下，可以限制非專業人員校準儀表，從而很好地保護儀表不受破壞。

2.3 相關函數校準

目前，計量部門的平滑度儀基準測量方式是采用水銀壓力計測試平滑度，這種方法與別克式平滑度儀的無汞測量方法存在著差異，這個差異受到紙張平滑度大小和儀器機械工藝的影響。國內現有平滑度儀的校準方法是在測量的平滑度值上乘以一個固定的校正系數，但這樣做后平滑度無法在整個測量范圍內保持較小的誤差，甚至有時誤差甚至會超過30%。造成這種現象原因是兩種測量方式的誤差是非線性的，所以線性校準是目前國產別克式平滑度儀的共同缺陷。在進口的別克式平滑度儀上也有校準功能，但校準方法都是保密的。為了解決這個問題，我們通過幾百次反復實驗發現這兩種測量方式之比與儀表從最高真空度下降到50.66kPa的過沖時間呈現二次曲線關系。下面給出兩種平滑度測試方法的經驗性相關函數：

這里需要說明，P1代表水銀壓力計測出的平滑度，P2代表別克式平滑度儀測出的平滑度，k是校正系數（取值范圍：0～1.99），t指過沖時間，s1、s2為系統參數并與儀表生產廠家的機械制造工藝相關。

圖5 相關函數校準與線性校準滑度儀上位機監控軟件

圖6 別克式平的校準誤差對比圖

通過軟件實現的相關函數校準與線性校準兩種方式對比得到了圖5，其中虛線是線性校準的誤差，實線代表相關函數校準方法的誤差。從對比圖可以看出，相關函數校準方法具有非常明顯的優勢。

3 上位機監控軟件

人機接口的設計一直都是別克式平滑度儀在開發過程中缺失的部分。大部分造紙儀器設計廠家把精力放在設計電子系統控制部分嵌入式軟件部分，而對上位機監控軟件一般都不設計。這樣就在系統設計完畢交付生產部門制造后，質檢人員由于只能通過液晶屏看真空度變化，而無法觀察整個動態變化曲線和閥門、真空泵狀態，很多情況需要有經驗的質檢人員和開發人員才能發現問題，而一些儀器制造和設計中隱藏的隱患需要花很長時間才能發現。

我們在這里利用labview 8.6平臺的快速開發和可移植性好等特性，開發了一套別克式平滑度儀的監控軟件，圖6顯示了監控軟件界面。在這套軟件中主要包含了通訊設置、校正系統和系統控制3部分功能。由于儀表和上位機采用串口通訊方式，所以通訊設置主要是設置串口波特率和停止位等參數，通過通訊協議監控軟件可以獲知儀表內部狀態；校正系統主要是通過上位機設定參數來校準儀表；系統控制部分主要是提供給質檢人員可以單獨控制和顯示各個閥門、真空泵開閉，從而可以調試儀表發現問題。監控軟件通過解析儀表發出的內部狀態可以動態將真空度曲線顯示出來。為了分辨真空度傳感器實時檢測精度，特意顯示了傳感器的檢測電壓方便判斷真空度的變化。由于C8051F340內部有溫度傳感器，我們同時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部的溫度變化。

通過上位機監控軟件友好的人機交互，原來只能通過液晶屏看真空度變化轉變成可以檢測整個動態測量過程變化。實踐表明像類似閥門或真空泵異常等問題，質檢人員往往需要1～2小時甚至幾天才能發現故障源，通過監控軟件幾分鐘之內就很快定位故障點，大大提高了生產效率和產品合格率。

4 結論

別克式平滑度儀雖然有國家標準，但實際設計和應用中存在著很多困難。為了解決一直以來存在的問題，本文提出的新型高性能設計很好地解決了系統穩定性、安全性和校準問題，目前已經在國內多家造紙企業中獲得了很好的應用。

在未來別克式平滑度儀的設計中，軟件高度智能化、提供像USB、以太網等通訊方式以及儀表數據與用戶數據庫通訊是未來的發展方向。

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[5] C8051F34x datasheet, http://www.silabs.com/products/ mcu/ usb/ Pages/C8051F34x.aspx/C8051F34x.pdf.

TS73

A

1674-6708（2010）18-0071-03

浙江省教育廳可重構無線傳感器網絡（20070311）

朱華，實驗師，主要研究領域：無線傳感器網絡、嵌入式系統