朱 華

浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州 310023

高性能別克式平滑度儀的設(shè)計(jì)

朱 華

浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州 310023

由于傳統(tǒng)別克式平滑度儀存在溫飄、安全性和校準(zhǔn)問題，本文提出了一種新型高性能的設(shè)計(jì)，有效地解決了上述問題。該設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)上提出了系統(tǒng)信息存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)加密和相關(guān)函數(shù)校準(zhǔn)3方面的改進(jìn)。最后，基于labview平臺(tái)的上位機(jī)監(jiān)控軟件大大提高了別克式平滑度儀的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。

平滑度；動(dòng)態(tài)加密；相關(guān)函數(shù)校準(zhǔn)

0 引言

平滑度是用來衡量紙張表面平整程度的一個(gè)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(zhì)量指標(biāo)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 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

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(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Silicon Lab公司生產(chǎn)的C8051F340。該微控制器使用Silicon Labs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、4 352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 高性能抗溫飄信號(hào)采集電路

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)?；鶞?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1.5 mA DC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。

圖2 別克式平滑度儀信號(hào)采集電路

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 儀表軟件設(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 系統(tǒng)信息的可靠存儲(chǔ)

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。

圖4 系統(tǒng)信息存儲(chǔ)的數(shù)組結(jié)構(gòu)

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5 120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 動(dòng)態(tài)加密

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?？紤]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 相關(guān)函數(shù)校準(zhǔn)

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)。

圖5 相關(guān)函數(shù)校準(zhǔn)與線性校準(zhǔn)滑度儀上位機(jī)監(jiān)控軟件

圖6 別克式平的校準(zhǔn)誤差對(duì)比圖

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 上位機(jī)監(jiān)控軟件

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時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)。

我們?cè)谶@里利用labview 8.6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)變成可以檢測(cè)整個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)量過程變化。實(shí)踐表明像類似閥門或真空泵異常等問題，質(zhì)檢人員往往需要1～2小時(shí)甚至幾天才能發(fā)現(xiàn)故障源，通過監(jiān)控軟件幾分鐘之內(nèi)就很快定位故障點(diǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。

4 結(jié)論

別克式平滑度儀雖然有國家標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)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(shè)計(jì)很好地解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和校準(zhǔn)問題，目前已經(jīng)在國內(nèi)多家造紙企業(yè)中獲得了很好的應(yīng)用。

在未來別克式平滑度儀的設(shè)計(jì)中，軟件高度智能化、提供像USB、以太網(wǎng)等通訊方式以及儀表數(shù)據(jù)與用戶數(shù)據(jù)庫通訊是未來的發(fā)展方向。

[1] GB /T 456- 2002,紙和紙板平滑度的測(cè)定(別克法) [S].

[2] 張景彥等.涂布印刷紙和紙板表面微觀特性與印刷適應(yīng)性的關(guān)系.中國造紙學(xué)報(bào)，1992，119（4）：88.

[3] 劉海寧.不同平滑度測(cè)試儀的比較與發(fā)展,國際造紙.2004，23（2）：29-32.

[4] 張景彥,王丹楓.紙張平滑度特性及不同測(cè)定方法的比較.中國造紙，2001，2：29-33.

[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(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（20070311）

朱華，實(shí)驗(yàn)師，主要研究領(lǐng)域：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)