高性能别克式平滑度仪的设计

朱 华

浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州 310023

高性能别克式平滑度仪的设计

朱 华

浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州 310023

由于传统别克式平滑度仪存在温飘、安全性和校准问题，本文提出了一种新型高性能的设计，有效地解决了上述问题。该设计在硬件上采用专用A/D芯片AD7731提高了仪器的抗温飘特性。在软件设计上提出了系统信息存储、动态加密和相关函数校准3方面的改进。最后，基于labview平台的上位机监控软件大大提高了别克式平滑度仪的生产效率和产品合格率。

平滑度；动态加密；相关函数校准

0 引言

平滑度是用来衡量纸张表面平整程度的一个重要物理量，它确保了印刷画面和字迹的鲜明度和清晰度，因此被作为印刷用纸最重要的质量指标之一。

目前，在平滑度测量方面，别克式平滑度仪被广泛应用于造纸企业。其工作原理是将测试纸放在有胶垫的特制金属压头下，对特定容积腔抽取空气成半真空状态，然后测量泄露空气透过纸张造成容积腔真空度的下降时间，从而确定纸张的平滑度，测量单位以秒计量。别克式平滑度仪有大小两个容积腔。利用小容积腔测量平滑度时，真空度从50.66kPa下降到48kPa的下降时间需要乘以10得到最终平滑度，它主要用来快速测试纸张平滑度；而大容积腔测量平滑度有两个量程，即测量50.66kPa～48kPa和50.66kPa～29.33kPa的真空度下降时间，前者真空度下降时间即纸张平滑度，后者的平滑度需要用真空度下降时间除以10得到，主要用在平滑度很小的纸张平滑度测试上。

虽然别克式平滑度仪应用广泛，但传统的电子测量设计和软件上存在着很多不足，导致不同厂家生产的平滑度很难相互标定。同时，由于环境温度的影响，仪表在测量平滑度时温飘严重影响准确性。为此，本文在这里提出一种新型高性能的别克式平滑度仪设计，在防止温飘、系统校正和安全保障方面与原有设计相比有了很大提高。

1 硬件设计

1.1 总体设计架构

图1 硬件总体设计架构

图3 误差下降随温度变化的曲线图

别克式平滑度仪一般需要满足液晶显示、信号采集、阀门和真空泵状态控制、键盘扫描和打印5大功能需求。

在硬件电路的设计上微控制器的选择非常重要，它很大程度决定了仪表设计的性能好坏。我们设计平滑度仪时选用了Silicon Lab公司生产的C8051F340。该微控制器使用Silicon Labs公司的专利CIP-51内核，指令集与MCS-51TM完全兼容。内核采用流水线结构，与标准的 8051 结构相比指令执行速度有很大的提高，70%的指令执行时间为1或2个系统时钟周期。外设部件包括4个16位计数器/定时器、两个具有扩展波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、4 352字节的内部RAM、多达40个I/O引脚。程序存储器包含64KB的 FLASH，可以在线擦写，且不需特别的编程电压，所以可以利用多余的FLASH来模拟外部EEPROM。

整个硬件总体架构基本上是围绕C8051F340来设计的，图1显示了这个架构。在传感器信号进入专用A/D芯片AD7731之前使用了仪表放大器INA118进行模拟信号电平转换，微控制器与AD7731是通过SPI口通信的，中间加入了光耦隔离增强了系统的抗干扰性。显示部分采用了MSC-G12864DYSY液晶屏，它是一种自带中文字库的128*64点阵屏，所以在软件编程上非常方便。键盘部分利用了常用的矩阵键盘扫描设计，这种设计不会像专用键盘扫描芯片带来硬件成本，而且不会出现专用芯片带来的死机现象。在继电控制的硬件设计上主要是要考虑抗干扰性，所以C8051F340的控制I/O都与真空泵、大小容积阀、放气阀和60s快速放气阀之间加入了光耦隔离电路。需要说明的是60s快速放气阀并不是所有别克式平滑度仪必须的，它只是出现在一些为了解决过冲时间过长的设计中。微控制C8051F340有两个串口，其中一个采用TTL电平的232方式与打印机通讯，另外一个是与上位机监控软件进行通讯。

1.2 高性能抗温飘信号采集电路

别克式平滑度仪检测电路的设计一直以来遵循三放大器构成的仪表放大器信号采集电路设计，这也是很多其它电构成这种对称性结构使用的电阻很难做到匹配一致，是产品模拟信号转化数字信号的经典设计。但是这种设计中的增益电阻的品质会很大程度影响到采样电路的温飘，同时在着系统误差。还有一个经常被忽略的问题是信号采集电路中基准电源的温飘特性。众多电子仪器设备常常为了节省成本利用微控制器内部电源或DC-DC电压转换器作基准电源，而这些电压基准抗温飘能力存在很大不足，本来14位采样精度的设计很可能只有12位采样精度，所以基准电源对信号采集的影响远比想象要来得大。

在新的设计中，采用美国ADI公司开发的具有低噪声、高通过率等特性的Σ-Δ模数转换器AD7731。它最大的特点是可直接接收来自传感器的输入信号，采样频率为800Hz时，仍可获得16位的分辨率，拥有±0.0015%非线性度，本设计采用的就是16位分辨率标准。基准电源同样采用ADI公司的AD780，它的精度可以达到1mV。AD780拥有普通基准电源无法达到的精度，同时温飘最大可以保持在7ppm/℃内。这个温飘特性基本上可以保证基准电源对信号采集电路的影响可以忽略不计。

图2信号显示了信号采集的电路，其中负责真空度检测的MPM388型压力传感器需要1.5 mA DC恒流源供电，这里采用TL431、LM258和9013设计了一个简单实用且低成本的恒流源电路。传感器模拟信号需要经过INA118仪表放大器转换成以2.5V为基准的采样信号，要注意的是调控信号增益比的电阻R63是不接的，这样信号以1：1的方式进入A/D采样。由于少了R63这个电阻的温飘影响，整个电路的温度稳定性大大提高。

图2 别克式平滑度仪信号采集电路

为了证明新设计的优越性，利用恒定电压模拟容积腔20kPa真空度状态，接下来比较新设计与三放大器设计在环境温度11℃～20℃之间测量的真空度值，最后获得温度影响下新设计比老设计的误差下降，从图3可以看到新设计确实降低了原有设计温度对系统的影响，有力地证明了新设计的抗温飘能力。

2 仪表软件设计的改进

相比传统的别克式平滑度仪软件设计，我们在系统信息的可靠存储、动态加密和相关函数校准3个方面做出了改进。

2.1 系统信息的可靠存储

目前的别克式平滑度仪系统信息保存与一般电子系统设计一样，主要是将信息存放在例如24C02类似的外部串行EEPROM特定区域内，然后开机后微控制器通过I2C总线读取EEPROM内系统信息的加密字段，经过验证后授权启动仪器的受限功能。然而随着电子技术的发展，这种方式也暴露出来越来越多的缺陷。首先，EEPROM并不是一个安全存放数据的器件，现有的破解技术已经可以获取器件内部的存储的信息，靠这种方式来保护电子设备的知识产权和限制使用权限越来越不安全；其次，虽然很多外部串行EEPROM都号称至少100万次的刷写次数，实际应用的效果显示，加密信息存放于EEPROM固定地址，加之还要存放要修改的校正值等系统数据，反复擦写100次后，某些批次的EEPROM由于工艺不过关会出现坏块，从而导致仪器工作不正常；最后，EEPROM器件如果PCB板布线不合理或电磁干扰，会造成仪器读写数据失败，最终给生产厂商带来很大的维护成本。

上述设计缺陷不仅仅存在传统别克式平滑度仪，而且也存在于众多其它类型的电子产品。在本文提出的不同于以往的别克式平滑度仪设计中，我们利用了C8051F340的FLASH可在线擦写特性，采用内部FLASH来模拟外部EEPROM来存放数据。这样做的好处是可以省去了外部EEPROM的成本和布线设计的不可靠因素，增强了整个系统的抗干扰性。同时，使得传统的电子系统破解方法失效，放在内部FLASH中的系统信息更加安全可靠。

图4 系统信息存储的数组结构

根据C8051F340内部flash的可擦写物理特性，典型擦写次数是10万次，最小擦写次数能保证2万次。但是这和100万次的EEPROM擦写次数还有很大差距，不过这种差距是可以采用了软件方式来解决的。在软件设计中，通过在内部FLASH中划出5 120字节空间来保存一个带有CRC校正的32字节数组，这个数组存放了平滑度仪的系统信息并保存在微控制器内部FLASH的特定位置，每修改一次系统信息就将数据保存地址移动32个字节，当到达数组保存尾地址后，下一次保存从最初的起始地址重新开始。可以看到，这种设计是利用了环形数组的方式使系统信息的可靠擦写次数达到320万次，从而大大优于传统设计。如果需要更高的可靠擦写能力，只需要提高保存数据空间就能轻松达到目的。图4中显示了数组的结构，其中保存系统信息的32字节是全局变量数组，0xA5表示32字节数组头部，中间部分保存了唯一标志符、校正值1～3（分别保存50.66kPa、48kPa和29.33kPa的校正值）和版本信息，数组尾部是2字节的CRC16校正。

2.2 动态加密

一般来说电子系统的加密需要一个唯一标识符作为密钥，这个密钥可以是事先存放在EEPROM内的特定数字，也可以是微控制内部的唯一标识符，还有就是利用特定加密芯片内部的标识符来保护系统信息不被窃取。然而出于成本和产品兼容性等因素的考虑，传统别克式平滑度仪设计中采用的微控器内部绝大多数没有唯一标识符，同时又不可能采用昂贵的加密芯片来保护知识产权和进行功能授权。

为此，我们提出了在新型别克式平滑度仪的设计中，利用了系统校正值生成唯一标识符作为公开密钥，然后进行常用的查表法计算CRC16得出动态加密密码。需要说明是CRC16计算表是由仪表生产商定义的，所以有很好的保密性。考虑使用系统校正值有以下一些好处：1）每个仪表的系统校正值都是不一样的，因此唯一标识符具备了密钥唯一性的特征；2）由于仪表需要定期校准，每次校准后校正值都会发生变化，这样保证了加密方式是动态的。软件实际设计中，利用48kPa和29.33kPpa校正值产生唯一标识符前面部分，再利用AD7731的状态寄存器低四位产生唯一标识符的后面部分。唯一标识符总共3个字节，保存在系统信息32字节数组SavePage中。之所以利用AD7731的状态寄存器低四位产生是因为它是由芯片生产厂商ADI公司设定的，具有一定的安全性。唯一标识符具体代码实现如下：

一般来说，别克式平滑度仪需要密码输入的地方主要是系统校正功能。只要进入校正功能，液晶屏就显示唯一标志符和提示输入密码，在没有获得加密的CRC16计算表情况下，可以限制非专业人员校准仪表，从而很好地保护仪表不受破坏。

2.3 相关函数校准

目前，计量部门的平滑度仪基准测量方式是采用水银压力计测试平滑度，这种方法与别克式平滑度仪的无汞测量方法存在着差异，这个差异受到纸张平滑度大小和仪器机械工艺的影响。国内现有平滑度仪的校准方法是在测量的平滑度值上乘以一个固定的校正系数，但这样做后平滑度无法在整个测量范围内保持较小的误差，甚至有时误差甚至会超过30%。造成这种现象原因是两种测量方式的误差是非线性的，所以线性校准是目前国产别克式平滑度仪的共同缺陷。在进口的别克式平滑度仪上也有校准功能，但校准方法都是保密的。为了解决这个问题，我们通过几百次反复实验发现这两种测量方式之比与仪表从最高真空度下降到50.66kPa的过冲时间呈现二次曲线关系。下面给出两种平滑度测试方法的经验性相关函数：

这里需要说明，P1代表水银压力计测出的平滑度，P2代表别克式平滑度仪测出的平滑度，k是校正系数（取值范围：0～1.99），t指过冲时间，s1、s2为系统参数并与仪表生产厂家的机械制造工艺相关。

图5 相关函数校准与线性校准滑度仪上位机监控软件

图6 别克式平的校准误差对比图

通过软件实现的相关函数校准与线性校准两种方式对比得到了图5，其中虚线是线性校准的误差，实线代表相关函数校准方法的误差。从对比图可以看出，相关函数校准方法具有非常明显的优势。

3 上位机监控软件

人机接口的设计一直都是别克式平滑度仪在开发过程中缺失的部分。大部分造纸仪器设计厂家把精力放在设计电子系统控制部分嵌入式软件部分，而对上位机监控软件一般都不设计。这样就在系统设计完毕交付生产部门制造后，质检人员由于只能通过液晶屏看真空度变化，而无法观察整个动态变化曲线和阀门、真空泵状态，很多情况需要有经验的质检人员和开发人员才能发现问题，而一些仪器制造和设计中隐藏的隐患需要花很长时间才能发现。

我们在这里利用labview 8.6平台的快速开发和可移植性好等特性，开发了一套别克式平滑度仪的监控软件，图6显示了监控软件界面。在这套软件中主要包含了通讯设置、校正系统和系统控制3部分功能。由于仪表和上位机采用串口通讯方式，所以通讯设置主要是设置串口波特率和停止位等参数，通过通讯协议监控软件可以获知仪表内部状态；校正系统主要是通过上位机设定参数来校准仪表；系统控制部分主要是提供给质检人员可以单独控制和显示各个阀门、真空泵开闭，从而可以调试仪表发现问题。监控软件通过解析仪表发出的内部状态可以动态将真空度曲线显示出来。为了分辨真空度传感器实时检测精度，特意显示了传感器的检测电压方便判断真空度的变化。由于C8051F340内部有温度传感器，我们同时也在软件中将温度传感器电压也显示出来，这样方便判断仪表内部的温度变化。

通过上位机监控软件友好的人机交互，原来只能通过液晶屏看真空度变化转变成可以检测整个动态测量过程变化。实践表明像类似阀门或真空泵异常等问题，质检人员往往需要1～2小时甚至几天才能发现故障源，通过监控软件几分钟之内就很快定位故障点，大大提高了生产效率和产品合格率。

4 结论

别克式平滑度仪虽然有国家标准，但实际设计和应用中存在着很多困难。为了解决一直以来存在的问题，本文提出的新型高性能设计很好地解决了系统稳定性、安全性和校准问题，目前已经在国内多家造纸企业中获得了很好的应用。

在未来别克式平滑度仪的设计中，软件高度智能化、提供像USB、以太网等通讯方式以及仪表数据与用户数据库通讯是未来的发展方向。

[1] GB /T 456- 2002,纸和纸板平滑度的测定(别克法) [S].

[2] 张景彦等.涂布印刷纸和纸板表面微观特性与印刷适应性的关系.中国造纸学报，1992，119（4）：88.

[3] 刘海宁.不同平滑度测试仪的比较与发展,国际造纸.2004，23（2）：29-32.

[4] 张景彦,王丹枫.纸张平滑度特性及不同测定方法的比较.中国造纸，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

浙江省教育厅可重构无线传感器网络（20070311）

朱华，实验师，主要研究领域：无线传感器网络、嵌入式系统