防作弊电子计价秤的研制.doc

防作弊电子计价秤的研制 杭州五强电子有限公司 周岸摘 要：本文介绍了防作弊电子计价秤的工作原理及软、硬件设计方法，针对防作弊模块设计中的关键技术进行了详细分析，并给出了部分硬件电路和软件流程图。Abstract： In this paper the author introduces the working mechanism of anti-fraud electronic price computing scale and its software and hardware design methods, gives a detailed analysis on the key technology in the anti-fraud module design, and gives some hardware electric circuit charts and software flow charts.关键词：防作弊电子计价秤、称重传感器、CS5550。Key words: anti-fraud electronic price computing scale 、weighting sensor、 CS5550 引 言目前，市场上利用电子计价秤（以下简称电子秤）作弊，缺斤少两坑害消费者利益的现象很多，一些经营者为了一个“利”字，想尽办法，使用各种手段作弊。 电子秤作弊方法很多，笔者经过市场调查发现目前市场上电子秤作弊大致有以下几种：1加装切换开关，通过该开关来切换电子秤内部电路工作状态，如：重量信号放大电路的增益、模拟/数字转换电路（A/D电路）的灵敏度、称重传感器的供桥电压等，从而达到改变电子秤计量性能的目的。2利用遥控器发射接收原理，在电子秤电路上安装遥控接收装置，用遥控器发射信号来改变电子秤内部电路的工作状态，从而改变电子秤的计量准确性。针对以上情况，笔者研发了防作弊电子计价秤，该产品能够检测到自身电路工作状态是否被恶意改变，如果产品内部电路被恶意改变，从而影响了电子秤的计量准确性，本产品将显示特定符号取代正常的重量、单价及金额数据，禁止用户继续使用，直至电路状态恢复到出厂状态。普通电子秤线路原理电子秤线路一般由两大部分组成：模拟部分和数字部分，每个部分又由若干个单元电路组成，具体见图1： 图1 方框图电子秤工作原理：加载在传感器上的重量信号经过传感器转变成电压信号，该信号比较微弱，一般满量程小于10mV，该信号经放大器放大到满量程约1V左右后送入模数转换部分（即A/D部分），模拟信号经A/D转换后成为数字信号输入单片机（MCU）进行数据处理。数据处理一般包括：数字滤波、软件增益调整、软件非线性补偿、量程及分度值处理，还有单价及金额计算等处理。最后将结果显示在显示器上。影响电子秤准确度的主要因素从以上工作原理来看，决定电子秤准确度的关键因素包括：传感器的输出信号、放大器的放大倍数、A/D灵敏度。以下分别讨论各种因素对电子秤准确度的影响。1 传感器目前电子秤上所用的称重传感器一般都是电阻应变片式传感器，这种传感器输出信号的大小取决于传感器上加载的重量负荷的大小以及传感器的供桥电压。因此，只要改变传感器的供桥电压，就能改变传感器的输出信号大小。如：传感器原来的供桥电压为5V，现增加到5.5V，则输出信号也将增加10%，相对应的重量测量值也将增加10%。如：一只1kg的标准砝码，原来电子秤显示为1.000kg，现在的显示值就是1.100kg。反之，只要减小传感器供桥电压，则电子秤的称重显示值便会相应减小。另外，改变传感器输出电阻也会改变信号输出大小。串联电阻或并联电阻都将衰减传感器输出信号的幅度，见图2。 图22 放大器调整放大器的反馈电阻便能改变放大器的增益，即放大倍数，从而改变输出信号的幅度。见图3，该放大器的增益为G=Ra/Rb，无论改变Ra还是Rb都能改变放大器的增益。但是实际使用电路中并没有电阻Rb，而是用传感器的内阻来代替Rb，因此只能调整Ra来调整放大器的增益。 图3 差分放大器3 模拟数字转换（A/D）部分一般来说，A/D电路都有一个基准电压，也叫做参考电压，该电压决定了A/D电路的转换灵敏度。增大参考电压，将减小A/D灵敏度，反之，减小参考电压，将增大A/D灵敏度。假设参考电压原来为2.000V，1kg砝码电子秤显示值为1.000kg，现将参考电压调整为1.800V，则电子秤显示值将变为1.111kg。典型双积分式A/D转换电路见图4，其参考电压是A点电压与B点电压的差值。因此无论改变A点电压还是B点电压，都能改变A/D参考电压，从而改变A/D灵敏度。 图4 双积分A/D电路典型集成A/D转换电路模型见图5，这种电路不管是逐次逼近型还是-型都有一个参考电压输入端，该参考电压可能是单端输入也可能是差分输入。当然，也有些A/D分辨率不是很高的芯片，直接采用电源电压作为A/D参考电压。不管哪种情况，只要调整A/D参考电压便能调整A/D的灵敏度。 图5 集成A/D电路电子秤线路中的模拟部分是影响电子秤计量性能的核心部分，本文介绍的防作弊电子计价秤将模拟部分设计成一个防作弊模块，该模块在硬件及软件设计上都采取了特定的措施，下面具体描述防作弊功能的实现方法。硬件上采取的措施1 采用内部带放大器的双通道A/D芯片，从而在线路上取消了信号放大电路，防止放大电路的增益被人为改变，并且一个通道专门采样重量信号，另一个通道用来采样传感器电阻、传感器供桥电压及A/D芯片参考电压。2 增加传感器电阻检测电路，在线定时检测传感器的阻值3 增加传感器供桥电压及A/D芯片参考电压检测电路。本电路配合软件能够在不影响重量信号采样的前提下在线采样传感器的输出电阻，同样也能够采样传感器的供桥电压及A/D芯片的参考电压，因此，这几个影响电子秤计量性能的核心参数都处于实时监控之下。软件上采取的措施1 分时采样重量信号、传感器电阻、传感器供桥电压及A/D参考电压等。2 产品在出厂时将传感器电阻、传感器供桥电压、A/D参考电压等参数的原始数据保存在存储器中，该存储器要采取加密及校验措施。3 MCU（单片机）除了处理正常的重量信号外，定时检测采样到的传感器电阻、传感器供桥电压、A/D参考电压等数据，和产品出厂时被保存在存储器中的原始数据进行比较，如果数据正常，则不影响正常的电子秤功能，如果发现数据有问题，则认为电子秤电路工作状态被人为改变，这时电子秤显示一个特定的符号，屏蔽正常的重量、单价及金额等信息，禁止用户继续使用电子秤。在线采样传感器电阻、传感器供桥电压及A/D参考电压的原理防作弊模块电路图参见图6。图中IC6：CS5550是一个包含两个-模数转换器（ADC）和一个串行接口的高度集成的-模数转换器。CS5550具有方便的片上AC/DC 偏移和增益校准功能，包含一个可与控制器双向通讯的串行接口、一个可用于增益补偿的片上温度传感器。CS5550的通道1（Ain1）内部带50倍差分信号放大器，用来采样重量信号；通道2（Ain2）内部带10倍差分信号放大器，用来采样传感器电阻、传感器供桥电压及A/D参考电压。CS5550芯片上有一个2.5V参考电压（最大温度漂移60ppm/）输出引脚，同时又有一个外部参考电压输入引脚，因此使用时可以采用内部参考电压也可以采用外部参考电压。本文所描述的例子采用的是外部参考电压。CS5550的A/D转换分辨率达到24位，实际使用中考虑到PCB板布线影响、电源干扰、信号输入引脚接线长短等因素，A/D精度能达到19位以上，完全满足电子秤重量信号采样要求。IC7：CD4066为模拟电子开关。因为整个系统采用的是5V单电源供电，因此，用0-5V的TTL逻辑电平就能控制模拟电子开关的通/断。重量采样等效电路见图7，模拟电子开关a、b、c断开，d闭合，称重传感器输出的重量信号送至CS5550的通道1，经内部放大器放大后进行A/D转换。重量信号A/D转换结果送入MCU（单片机），数据经过数字滤波、增益调整、非线性补偿、量程及分度值处理后显示到重量窗口。传感器电阻采样等效电路见图8，模拟电子开关a、b、c闭合、d断开，传感器等效为一个电阻，和R1、R2组成分压电路，分压得到的电压经过R7、R8后送至CS5550的通道2，进行A/D转换。转换结果送入MCU。传感器供桥电压与A/D参考电压同时采样，模拟电子开关a、b、c断开，d闭合，等效电路见图9。传感器的供桥电压经传感器本身的应变电阻分压后再经过R7、R5分压后送至CS5550通道2的差分输入端Ain2+，而CS5550的参考电压（12脚）经R9、R6分压后送至CS5550通道2的差分输入端Ain2-，这样在采样时得到的数据中就同时包含传感器供桥电压和A/D参考电压的信息。转换结果同样送入MCU。传感器电阻，传感器供桥电压及A/D参考电压等参数在电子秤出厂前都被记录在电子秤的MCU内部存储器中，电子秤在工作过程中随时检测以上参数并且和存储器中的出厂原始数据进行比较，如果发现数据不一致并且超出一定的范围，则认为电子秤的工作状态已经被人为改变。整机软件流程图见图10。 图6 防作弊模块电路