電子（zǐ）秤一直歸類於信息設備類別，隨著（zhe）社會文 明的發展，電子秤對（duì）信息社會和（hé）知識型經濟（jì）的聯係越來越緊密（mì），新（xīn）需求促進新發展。稱重（chóng）的本質（zhì）是獲取重量信息的（de）過程，電子秤（chèng）的機械結構和（hé）電子結構都是為 一目的（de）服務（wù）的，且均對稱重的性（xìng）能產生影響。本文僅對電子秤電子（zǐ）線路的若幹影響（xiǎng）因素進行 一些粗略的探討。

電子秤的電子結構勢必對稱重性能產生（shēng）影響。本文（wén）就若幹影響稱重質量和性能的電（diàn）子因素提出意見，對甄別信（xìn）號特（tè）征調理、降噪、數（shù）據轉換（huàn）參數、軟件優先和（hé）基於PC 的稱重技術的概念、選擇通行（háng）的總線標準和在大規模 DCS 係統中構建符合無線標準的（de）電子秤等方麵做一些粗淺的探討。

一、稱重信號測量

就稱（chēng）重技術來說，如果從（cóng）數據采集（DAQ，Data Acquisition）的角度（dù）進行分析，可能會收到較好的效果。限（xiàn）於篇（piān）幅，下（xià）麵僅就稱重儀表有關的信號調理和采集處理做些（xiē）討論（lùn）。

1、甄別信號（hào）特征（zhēng）進行信號調理

電子（zǐ）秤的結構確定以（yǐ）後，稱重儀表在體現電子秤（chèng）質量（liàng）與（yǔ）功能上發揮（huī）關鍵作用。在稱重儀表中需要（yào）處理模擬與數字（zì）兩種的信號，並運用這兩種的信號完成預期的工作。模擬信號是對比（bǐ）於時間的（de）值，而數字信號不能以時間（jiān）為基準賦（fù）與任何數值，這是兩種截然不同的信（xìn）號，認識兩（liǎng）種信號的特征並甄別調理是解決稱重技術（shù）的基礎。

模擬信號的主要特性是幅值（強度）、形狀及頻率。測量信號的（de）強度時，係統的準確度非常重要。和信號的形狀或強（qiáng）度不同的是，頻率信號不能直接進行測量，必須使用（yòng）傅利（lì）葉變形的軟件進行分析。當頻率是最重要的信息時，就必須同時考（kǎo）慮準確度和采集速度，確保獲此速度的條件稱為奈奎斯（sī）特取樣（yàng）定理（Nyquist Sampling Theorem），得出（chū）了采樣頻率至少兩倍於輸入信號頻率（lǜ）。

數字信號的主要特性是（shì）狀態和速率。狀態隻有高（gāo）及低（dī）兩個可能值（zhí），通常（cháng）要符合（hé）TTL（Transistorto Transistor Logic）規格，當強度落在 0至（zhì） 0.8伏特（tè）之間時，數字信號視為低；在 2至 5伏特之間則視（shì）為高。數字信號的速率（lǜ）是測量單位時間內某種特征信號出現的次數。數字信號的處理不需要複雜的（de）軟件算法來確定。

借助（zhù）於數據分析儀器，針對（duì）信號特征，通過仿真測試正確（què）選擇出電路的設計參數，是稱重儀表成功的第（dì）一步。

2、最大程度降低噪聲的影響

有時盡管噪聲信號並不大，但當在稱重分度數小於200 時傳感器的輸出電壓很（hěn）低，這時除稱重儀（yí）表本身的噪聲、漂移會影響（xiǎng）測（cè）量質量外，小信號在傳輸的過（guò）程中更容（róng）易被疊加的偏移電（diàn）壓和噪聲歪曲，比如（rú）引起稱重儀表末位數字跳動（dòng），甚或稱重信號（hào）被噪聲湮滅，造（zào）成粗大測量誤差。這（zhè）些誤差很大程度上是由白噪聲（覆蓋所有頻率的隨機噪聲）和1/f 噪聲組成；熱電（diàn）壓通常具有1/f 特性，這意味著在（zài）信號上產生偏移（yí）量，而所做（zuò）的測（cè）量（liàng）越多，產生的漂移就會越大。降低噪聲幹擾（rǎo），是高靈（líng）敏度電子儀表所必須考慮（lǜ）的問題。

通過采取技術手段（duàn）如適當（dāng）濾波（bō）可以減小白噪聲；但（dàn）濾波對1/f 噪聲沒有明顯著作用，而1/f 噪（zào）聲（shēng）恰恰確定了測量噪聲（shēng）的基底，利用（yòng）斬（zhǎn）波技術對付超低頻噪聲會有效果。

模數轉換中使用CHOP 模式去除ADC 的偏移誤差；ADC 的參（cān）考源可（kě）以由傳感器電（diàn）橋的激（jī）勵源提供，采取比例測量方法抵消激勵源中的噪聲也是行之有效的措（cuò）施。

搞技術的人更容易體會“細節決定成（chéng）敗”的含義，製造與使用中，看似技術含量不高的諸如電路中的機械應力、熱（rè）梯度、熱電偶結點效應、熱隔離、溫度控製和觸點不潔等細微因素所產生的（de）漂移切勿忽（hū）略。其它如（rú）信號遠離強（qiáng）幹擾源、縮短信號源與模（mó）擬放大器的間距、加強電磁屏蔽等抗幹擾效果，有時還是靠實踐得出。

現在的數字傳（chuán）感器將模擬、數字和控製運（yùn）算結合為一體，同時又高度集成了多種抗擾措（cuò）施，實現（xiàn）了（le）穩定的數據采集功能，並且以盡可（kě）能短的模擬信號傳輸距離換來了超長的數字信號傳輸距（jù）離，堪稱是有效降低（dī）噪（zào）聲和漂（piāo）移電壓幹擾的典範思想。

3、優化數據轉換參數

前麵提及的模數轉（zhuǎn）換器，高分（fèn）辨率和高速度一直是矛與盾的問題。24 位（wèi）的ADC 放在25 年之前是不敢想象的，今天我們除崇拜這一成果外，還應在（zài）實（shí）踐中繼續研究。

首先（xiān），如圖1 所（suǒ）示的一個傳統ADC 頻域傳輸特性中，輸入一個正弦信號，按照Nyquist 定理，以兩倍於輸入（rù）信號的頻率Fs 采樣。根據快速傅裏葉變換（FFT）分析可得一個（gè）基頻和（hé）一係列頻率分布於DC 到Fs/2 之間的隨機噪聲，這就是所謂的量化噪（zào）聲，主要是由（yóu）於ADC 的有限分辨率而造成（chéng）的。我（wǒ）們所必須（xū）的（de）信號噪聲（shēng）比（SNR），就是基頻信號的功率（lǜ）與所有頻率的噪（zào）聲的功（gōng）率之和（RMS）的比值。對於一個N 位ADC，SNR 可由公式：SNR=6.02N+1.76dB 得（dé）到。在傳統ADC 中，改善SNR的辦法是增加位數。

Σ-Δ型ADC 把大部分轉換過程轉移到了數字域因而顯現其優勢，它更（gèng）接近於數字器件（jiàn），成（chéng）本低廉且把高性能模擬與數字處理融合在一起，在整個（gè）電壓範圍內實現高水平的線性化，噪聲（shēng）整形功（gōng）能使低通（tōng）數字濾波器能夠消除大部分噪聲並產生高精度的電壓測量，因而（ér）被稱重儀表廣泛采用。

如果將采（cǎi）樣頻率提高到（dào）kFs，利用過采樣係數k，FFT 分析顯示噪聲（shēng）基線降低了，SNR 值雖未改變，但噪聲能量卻分散到更寬的（de）頻率範圍（wéi）。Σ- Δ轉換器正是利用了這一原理，采用過采樣在多個頻率段分散量化噪聲，它與 Δ-Σ 調製器一起整形噪聲，使大部分噪（zào）聲不被包含在信號測量頻帶中（zhōng），這樣RMS 就降低了，使得 Σ- Δ轉換器能夠從一（yī）個低（dī）分辨率ADC 獲得寬動態範圍，圖2 即（jí）是以k倍采樣頻率（lǜ）經過 Σ- Δ 轉換器（qì）的濾波效果。

一階的 Σ-Δ 調製（zhì）器在每兩倍的過（guò）采樣率下可提供9dB 的SNR 改（gǎi）善（shàn）。采用更（gèng）多的積分與求和環節，可（kě）以提供更高階數的量化（huà）噪聲成形。例如，一個二階 Σ- Δ調製器在每兩倍的過采樣率下可改善

SNR 15dB，三階 Σ- Δ調製器在每兩倍的過（guò）采樣率下可改善 SNR 21dB。

雖然 Δ-Σ 轉換器的（de）最（zuì）終絕對精度主要取決（jué）於基準電壓的精度，但為了追求優化數據和最佳轉換結果，並非易事。隨著抽樣、調（diào）製（zhì）時鍾和PGA 的調整，相同數據速（sù）率在性能方麵的表現（xiàn）會有所不同。另外一些問題還包（bāo）括（kuò）輸入阻抗、濾波器響應、抗混疊以及麵對長期漂移等問題（tí），需要耐（nài）心地選（xuǎn）擇正確的參數。

二、符合無線標準的（de）電子秤將有更廣闊的（de）使用空間

大規模DCS 係統中需布置很長的電（diàn）纜或光纜，不僅成本高（gāo）昂，而且長距離的電纜還容（róng）易引入噪聲。如果（guǒ）使用便（biàn）攜式計算平（píng）台將采集係統移至更接近信號源的地方，去除計算機（jī）與測量硬件（jiàn）之間的長線線連接，改用無線技術結合主幹線以太網，可以更方便（biàn）、靈活地進行（háng）分布式測量（liàng）並將數據回傳至上位中央監控平台。

實現這一構想的關鍵，是為（wéi）遠端的稱重傳感器（qì）及其他參數采集裝置集成無線通訊功能（néng），借鑒WSN（wireless sensor network）技術，構建無線稱重傳感（gǎn）器網絡。

我們可以設想，如果在惡劣的（de）、或（huò）危險的、或移動的的複雜環境（jìng）中，不便在傳感器和稱重儀表間連接纜線，這時隻要給數字稱重傳感器配置了無線（xiàn）輸出（chū）的能力，將不僅在傳輸距離、傳輸質量、傳輸場地等方麵，而且（qiě）在稱重係統的巡檢、診（zhěn）斷與定（dìng）位等方麵，都將（jiāng）帶來頗具競爭力的飛躍。

三（sān）、硬件、軟件的無縫集成已成稱重儀表發展趨勢

1、樹立軟件優先的概念（niàn）

隨（suí）著電子係統功能的日益強大和（hé）微型化，硬件和軟件不再是截然分開的兩個（gè）概念，而是親密結合、相輔相成。以軟件為核（hé）心（xīn）的模塊化係統日臻完（wán）善，讓軟（ruǎn）件（jiàn）發揮甚至替代（dài）硬（yìng）件功能具有不可抵（dǐ）擋的優勢。比如在設計時以軟（ruǎn）件實現全量程範圍內的多點校驗修正，除變動（dòng）誤差外，其餘誤差依照標準修正為零，測量達到理（lǐ）想的準確度；加（jiā）入信號自動識別技術，能清除變動信號和（hé）粗大幹擾信號等非正常信號的影響，又不存在硬件固有的延時效應，提高動態測量性能；發揮軟件的校驗修正能力，既能能減少硬件成本，更可提高（gāo）準確度的長期穩定性。

現在出現了（le）軟硬件協同（codesign）設計方法（fǎ）——使用統一的方法和工具對軟件和硬件進（jìn）行描述、綜合和驗證，可以避免軟件、硬件體係獨立設計帶來的各自為政的弊病。設計中，軟件是滿（mǎn）足係統需求的（de）首（shǒu）要選擇，係統（tǒng）設計者采（cǎi）用（yòng）了（le）軟件優先的設計理念，也是一場設計理念的革命。

國際流行的“軟件定義儀器”的思想，應當（dāng）引起我們重視並值得借（jiè）鑒，尤（yóu）其對於新儀表開（kāi）發甚有裨益。

電子秤界的問題是軟件在稱重技術中（zhōng）的認識尚（shàng）待提高，應（yīng）用軟件、組態軟件的開發尚待加強。現在我們要做的（de）工（gōng）作是在係（xì）統中盡可能多的（de）嵌合的軟件能模塊，盡可能多的實現（xiàn）以軟代硬，以取得電子秤功能更大的擴展（zhǎn）性和智能化的升級。

2、數據采集硬（yìng）件與 PC總線的選擇：

（1）基於PC 的稱重（chóng）技術

信息社會對電子秤的性能要求越來越高（gāo）、功能（néng）要求越來越多，這（zhè）樣任（rèn）務幸虧（kuī）有了計算機才得以完成。現在的稱重（chóng）數據無不是包（bāo）括收（shōu）集傳感（gǎn）器的模擬信號以及放大、數字化，連（lián）接（jiē）到PC 以便分析、管理、儲存（cún）及通訊，形成了基於（yú）PC 的稱重技術，更容易定製個（gè）性（xìng）化的稱重係統。

特別是PC 進（jìn）入多核處理（lǐ）器時代，為電子秤應用（yòng）帶來的巨大（dà）的性能和吞吐量的提升，我（wǒ）們進入了基於PC 的稱重技術的時代（dài），把計（jì）算機變成了靈活、高性能的稱重和控製係統。

（2）為用戶利益，選擇通行的總線標準

由於目前基於不同PC 技術構建的（de）硬件平台有很大靈活性（xìng），同時林林總總的總線也有如（rú）雨後春筍源（yuán）源不斷湧現，於是各廠家的製式差異懸殊。但用戶不（bú）可能隻買一家（jiā）的（de）產品，其總線標準的五花八門，令用戶很是煩惱。事實（shí）上用戶（hù）的最大利益（yì）是不管哪家產品（pǐn），使用（yòng）方便才好。由此出發，生產廠家還是盡可能集中選用主流總線（xiàn），以提高設備的通用性為高（gāo）。

當然選擇總線，首先考慮的是傳輸（shū）的數（shù）據（jù）量、是否有單點I/O 需求、多台設備（bèi）是否要求同步、有無便攜要求（qiú）和測量結果與計（jì）算機的距離等基本要素。

當滿足上（shàng）述基本要素後，就應（yīng）考慮選擇常用總線，範（fàn）圍縮小，以便於各廠家設備的駁接，減少（shǎo）用戶的茫然。外設部件互（hù）連總線PCI、可擴（kuò）展至x16 數（shù）據通路的PCI Express、麵向儀器係統的PXI、

擴展的PXI Express、局域主（zhǔ）幹的以太網、具有IEEE 802.11x（x 為版本號，如g、i 等）標（biāo）準的無線技術（shù）和成本低廉而方便的通用串（chuàn）行總線USB 等都是通行的總線，能從不同（tóng）的角度滿足廠家的選擇。