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交易范疇，為使買賣雙方的交易更趨公平，其認證規范相當嚴格。在各種不同環境條件下所產生的測量誤差，皆不得超過規范之容許誤差范圍，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，許多國家對于商業用的計價秤都有其規范并且需要得到國家認證才能在交易市場上使用。所有相關規范中，以OIML(International Organization of Legal Metrology，國際法定度量衡組織)的規范最為完整，許多歐美國家采用此規范作為準則。一些亞洲國家和地區雖發展出自有的認證規范，亦以OIML作為參照準則。下文簡略介紹OIML的相關規格與要求。

　　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) ≤0.7，如表2，因此在其它電子設備，如模數轉換器(ADC)的PLC應小于0.3。

　　接下來，將探討整個計價秤規格中傳感器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的溫度漂移規格：1000000×(0.3e÷3000e)÷5℃= 20ppm/℃，也就是4500000nV × 20ppm/℃= 90nV/℃。

　● INL

　　OIML的規范中，精度呈現整體的線性誤差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。

　　零點跟蹤的規定為每秒不得超過零±0.25e，而且需要在下列穩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;數字部分則需包含計數器、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在搭配數字濾波器后的表現為40nV@1Hz。不僅具有后級輸入信號零點準位調整器;數字部分還具備了可調式穩壓電源VDDA與VLCD，以穩定傳感器與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先選擇。