文常保，高麗紅，方吉善，巨永鋒，李演明(長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院微納電子研究所，西安710064)

基于改進(jìn)型限幅平均濾波法的高精度稱重系統(tǒng)研究*

文常保*，高麗紅，方吉善，巨永鋒，李演明
(長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院微納電子研究所，西安710064)

針對(duì)稱重傳感器采集數(shù)據(jù)過程中干擾信號(hào)對(duì)電子稱重系統(tǒng)測量精度的影響，提出了一種基于改進(jìn)型限幅平均濾波法的高精度稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該稱重系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、處理器、存儲(chǔ)單元、控制模塊以及顯示模塊組成。并將限幅濾波法、中位值濾波法、滑動(dòng)平均濾波法相結(jié)合，提出了既可消除采集數(shù)據(jù)中偶然性脈沖，又可抑制周期性干擾的改進(jìn)型限幅平均濾波算法。通過對(duì)5 kg～50 kg重量范圍內(nèi)8組不同目標(biāo)重量的測量實(shí)驗(yàn)，將使用與未使用該改進(jìn)型限幅平均濾波法的稱重系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比測試和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該算法后系統(tǒng)的最大誤差率為0.1%，比未使用該算法的系統(tǒng)精度提高了9倍。

傳感器;稱重系統(tǒng);滑動(dòng)平均濾波;限幅濾波;數(shù)據(jù)采集;高精度

作為一種重要的計(jì)量設(shè)備，稱重系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于制藥、化學(xué)、食品、運(yùn)輸與物流等眾多行業(yè)［1-3］。但稱重系統(tǒng)在使用過程中，不可避免的會(huì)受到一些來自于系統(tǒng)本身和外界環(huán)境中的周期性、非周期性干擾信號(hào)的影響，如靜電感應(yīng)干擾、電磁感應(yīng)干擾、漏電流干擾、射頻干擾等感應(yīng)干擾［4-5］。此外，工作環(huán)境中的機(jī)械設(shè)備干擾、熱干擾以及化學(xué)干擾等［6］也會(huì)對(duì)稱重系統(tǒng)造成干擾，從而引起偏差，降低測量的精度。因此，有效抑制或消除數(shù)據(jù)采集過程中各種干擾信號(hào)及因素的影響，對(duì)于提高稱重系統(tǒng)精度具有重要意義。

目前處理干擾信號(hào)的解決方法主要有硬件電路和軟件算法2種途徑［7-8］。硬件電路主要是通過增加硬件濾波器來抑制輸入端干擾［9］，并通過硬件電路設(shè)計(jì)使電路具備抗干擾能力。這種設(shè)計(jì)盡管可以抑制大部分干擾，但由于硬件濾波器有固定的截止頻率，而且濾波器矩形系數(shù)不理想，精度相對(duì)較低，因此不能完全抑制來自系統(tǒng)本身以及外界的干擾。

軟件算法是一種針對(duì)干擾信號(hào)的特點(diǎn)，采用限幅濾波法［10］、中位值濾波法以及滑動(dòng)平均濾波法［11-12］等算法，濾除掉來自稱重系統(tǒng)及外界環(huán)境的干擾信號(hào)的一種方法。這種方法具有精度高、處理功能強(qiáng)、靈活性和可靠性強(qiáng)，不受周圍環(huán)境溫度的影響等優(yōu)點(diǎn)。但是軟件算法存在設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且占用計(jì)算內(nèi)存與處理器資源也比較多，如果單純依靠軟件濾波則會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度與工作效率。

針對(duì)目前影響稱重系統(tǒng)測量精度的干擾問題，提出了一種通過硬件電路設(shè)計(jì)與軟件數(shù)字濾波算法相結(jié)合，用于抑制稱重系統(tǒng)中的波動(dòng)和干擾信號(hào)，提高測量精度的基于改進(jìn)型限幅平均濾波法的高精度稱重系統(tǒng)。

1 稱重系統(tǒng)及算法設(shè)計(jì)

1.1 稱重測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的稱重測量系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、處理器、存儲(chǔ)單元、控制模塊以及顯示模塊組成。系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 稱重測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架圖

數(shù)據(jù)采集模塊采集到信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，由處理器進(jìn)行信號(hào)處理，并將處理之后的信號(hào)進(jìn)行顯示，控制模塊可以完成稱重系統(tǒng)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)，主要是為了抑制電源的尖峰脈沖。對(duì)電源進(jìn)行穩(wěn)壓處理，并加濾波電路，降低電源噪聲對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響;將數(shù)字部分及模擬部分分開供電，并且數(shù)字地和模擬地分離，減少耦合噪聲路徑;在傳感器信號(hào)輸出端及電源線上加屏蔽珠，屏蔽傳導(dǎo)型高頻電磁干擾;采用隔離變壓器，提高系統(tǒng)的抗共模干擾的能力;在每個(gè)模擬IC的電源端加去耦電容，減小IC對(duì)電源的影響。

信號(hào)傳輸通道的抗干擾設(shè)計(jì)中，采用光電耦合抑制尖峰脈沖和各種噪聲干擾;采用一階低通RC濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行按頻率選擇，削弱高頻噪聲信號(hào)干擾;布線時(shí)避免小于90°的折線，減少高頻噪聲發(fā)射。

數(shù)據(jù)采集模塊采集到的稱重信號(hào)主要在mV級(jí)別，需要傳感器有很高的精度和靈敏性。電容式壓力傳感器雖然精度和靈敏性較高，但是穩(wěn)定性差，對(duì)環(huán)境要求苛刻;壓電式壓力傳感器穩(wěn)定性好，但是不適合大量程測量;電阻應(yīng)變式傳感器精度和靈敏度較高，穩(wěn)定性好，對(duì)測量環(huán)境要求不太嚴(yán)格等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)采用電阻應(yīng)變式傳感器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集工作。

在數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的電路設(shè)計(jì)上，主要是對(duì)各類稱重傳感器mV級(jí)微弱信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、濾波等。選擇使用高精度低噪聲的稱重專用型A/D器件，能夠?qū)榘ǔ又貍鞲衅髟趦?nèi)的各類橋接傳感器應(yīng)用提供完整的前端解決方案。

1.2 改進(jìn)型限幅平均濾波算法

在進(jìn)行截骨之前，先置入內(nèi)固定器械，然后再進(jìn)行椎板切除，椎弓根螺釘置入范圍包括截骨區(qū)域及其上下共3個(gè)椎體。椎板切除范圍應(yīng)包括計(jì)劃截骨區(qū)域上下各1個(gè)節(jié)段，這樣能有效防止截骨過程中脊髓的皺褶、短縮。完成椎板切除術(shù)后，應(yīng)去除一半或者全部的橫突，以獲得從側(cè)方進(jìn)入椎體的空間。上位椎體的下關(guān)節(jié)突和下位椎體的上關(guān)節(jié)突應(yīng)該各去除一半，以保證在截骨閉合后這個(gè)空間能同時(shí)容納上下2條神經(jīng)根走行。然后用磨鉆或者骨鑿去除兩側(cè)的椎弓根，這個(gè)過程中一定要注意保護(hù)硬膜和上下神經(jīng)根。在以上操作過程中，通常需要放置一根臨時(shí)棒以保證截骨閉合前脊柱的穩(wěn)定性，避免脊髓的皺褶、短縮。

稱重系統(tǒng)在硬件電路設(shè)計(jì)中，為了消除干擾，提高系統(tǒng)的測量精度，采用了屏蔽、隔離、RC濾波等措施和器件，但是這些通過硬件電路進(jìn)行抑制干擾的方法，在系統(tǒng)電壓漂移、溫度漂移和奇異性信號(hào)處理方面仍然存在很多不足。因此，這里在硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)A/D器件采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)字濾波處理的方法提高稱重測量系統(tǒng)的精度。

在實(shí)際稱重系統(tǒng)應(yīng)用中，通常會(huì)受到周期性的干擾信號(hào)與不規(guī)則的非周期性隨機(jī)信號(hào)的影響。這兩類不同性質(zhì)的干擾信號(hào)，由于其自身特點(diǎn)不同，所以在系統(tǒng)中多采取的濾波對(duì)策也會(huì)有所不同。

目前提出的濾波算法中，限幅濾波法、中位值濾波法可以有效消除由于偶然因素引起的脈沖干擾，但無法抑制那種周期性的干擾，平滑度差;滑動(dòng)平均濾波法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，但對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差［12］。而高精度稱重系統(tǒng)要求，既要濾除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，又要抑制周期性干擾。

通過以上分析，本設(shè)計(jì)將限幅濾波法、中位值平均濾波法和滑動(dòng)平均濾波法相結(jié)合，提出了改進(jìn)型限幅平均濾波算法。算法流程圖如圖2所示。

在改進(jìn)型限幅平均濾波算法流程圖中，Wn為在AD中讀取出來的第n次采樣值。每次采樣到新值時(shí)均需判斷:若本次采樣值與歷史采樣平均值相差小于系統(tǒng)設(shè)定的最大采樣偏差值，則本采樣值有效;若本次采樣值與歷史采樣平均值相差大于最大采樣偏差值，則本次采樣值無效，丟棄本次采樣值，選取歷史采樣平均值作為本次采樣值。因此，通過限幅濾波的采樣輸出值Gn為

式中，Wn為本次采樣值;Wc為歷史采樣平均值;WA為系統(tǒng)設(shè)定的最大采樣偏差值。

圖2 改進(jìn)型限幅平均濾波算法流程圖

將經(jīng)過限幅濾波算法的采樣輸出值送入隊(duì)列中進(jìn)行滑動(dòng)-中位值平均濾波處理，即連續(xù)采集N1個(gè)測量值，把這N1個(gè)值看成長度固定的一個(gè)隊(duì)列，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原則)。再去掉隊(duì)列中一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算剩下的(N1-2)個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，作為最新的濾波輸出，并且更新為歷史采樣平均值。經(jīng)過滑動(dòng)-中位值平均濾波處理的采樣輸出G1(n)為

式中，Gn-i為經(jīng)過限幅濾波的第(n-i)次采樣輸出值，G(n-i)max、G(n-i)min分別為隊(duì)列中采樣值的最大值和最小值。

滑動(dòng)平均濾波屬于低通濾波，多次采用可使截止頻率變得更小，即可以濾掉頻率相對(duì)較低的高頻信號(hào)，因此為了提高稱重系統(tǒng)的穩(wěn)定性，算法采用了二次滑動(dòng)平均濾波，其濾波輸出G2(n)為

本次濾波結(jié)果G2(n)，作為本次采樣的最終輸出值。

改進(jìn)型限幅平均濾波算法是在將限幅濾波法、中位值平均濾波法和滑動(dòng)平均濾波法相結(jié)合的基礎(chǔ)上提出的，這樣也融合了以上算法的優(yōu)點(diǎn)，掩蓋了其不足。改進(jìn)型限幅平均濾波算法既可消除由于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾所引起的采樣值偏差，又可對(duì)周期性干擾起到良好的抑制作用。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行測試，通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載到傳感器的承重受力端的方式，來進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)。所采用的傳感器為LDCZL-BH型稱重傳感器，其量程為50 kg，靈敏度為2.0 mV/V，非線性誤差為滿量程的0.02%。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，模數(shù)轉(zhuǎn)換部分選取高精度低噪聲的24 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1232，它集成了板上低噪聲可編程增益放大器(PGA)，包含一個(gè)3階調(diào)制器和一個(gè)4階數(shù)字濾波器及內(nèi)部振蕩器，滿足本設(shè)計(jì)中對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的要求。處理器選取STC12C5A60S2器件，存儲(chǔ)模塊選用ATMLH116 2ECL?？刂颇K可以實(shí)現(xiàn)去皮、分度值、單位等一系列稱重系統(tǒng)的設(shè)置，根據(jù)稱重的量程要求，顯示部分確定為定做的LED斷碼屏，其驅(qū)動(dòng)芯片選用HT1621B。圖3為目標(biāo)重量為10 kg時(shí)，所設(shè)計(jì)、制作的稱重系統(tǒng)，在實(shí)際工作狀態(tài)下的圖見圖3。

為了測量所設(shè)計(jì)稱重系統(tǒng)的線性度與靈敏度，實(shí)驗(yàn)選取在量程5 kg～50 kg范圍內(nèi)10 kg、15 kg、20 kg、25 kg、30 kg、35 kg、40 kg、45 kg共8組目標(biāo)重量進(jìn)行測量標(biāo)定，可以得到目標(biāo)重量Gc與稱重系統(tǒng)輸出電壓Vo之間的關(guān)系，如圖4所示。

從圖4中可以看出:隨著目標(biāo)重量Gc的增加，稱重系統(tǒng)的輸出電壓Vo也相應(yīng)升高，并且輸出電壓Vo與目標(biāo)重量Gc之間具有很好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，由圖4可以得到:在傳感器量程范圍內(nèi)，該稱重系統(tǒng)的靈敏度約為0.2 mV/kg。

圖3 工作狀態(tài)下的稱重系統(tǒng)圖

圖4 目標(biāo)重量Gc與輸出電壓Vo之間的關(guān)系

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)稱重系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，及使用改進(jìn)型限幅平均濾波算法對(duì)提高系統(tǒng)測量精度方面的作用，分別對(duì)使用與未使用改進(jìn)型限幅平均濾波算法的系統(tǒng)進(jìn)行了稱重測量實(shí)驗(yàn)。根據(jù)第n組測量值Gn和相應(yīng)的目標(biāo)重量Gc，計(jì)算出各自的測量誤差率Qn為

實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)每組目標(biāo)重量進(jìn)行5次稱重測量，并取5次測量平均值作為最終測量結(jié)果。使用與未使用改進(jìn)型限幅平均濾波算法的5次平均測量值分別為G2n、G1n，測量誤差率分別為Q2n、Q1n。測量數(shù)據(jù)以及測量誤差率如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)

由稱重測量結(jié)果可知，未使用改進(jìn)型限幅平均濾波算法的稱重系統(tǒng)，最大測量誤差率為0.93%，而使用本設(shè)計(jì)中的改進(jìn)型限幅平均濾波處理后，測量誤差率維持在0.1%以內(nèi)。改進(jìn)算法使系統(tǒng)的測量精度提高了9倍，所測數(shù)據(jù)更加精確穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了高精度高穩(wěn)定性的稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種高精度高穩(wěn)定性的稱重測量系統(tǒng)。采用軟硬結(jié)合的方式對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提高了系統(tǒng)測量精度和與抗干擾性。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出，提出的改進(jìn)型限幅平均濾波算法使整個(gè)稱重測試系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性得到了大幅提高，實(shí)現(xiàn)了高精度稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

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文常保(1976-)，男，博士/博士后，副教授。2012年到2013年在美國University of South Florida從事訪學(xué)研究工作，主要從事真空微納電子器件、信息處理器件及傳感器的研究，estlab@chd.edu.cn;

高麗紅(1987-)，女，碩士研究生。主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷靶盘?hào)處理，gaolihong1020@126.com。

The High-Precision Weighing System Based on the Improved Amplitude-Limiting and Average Filtering Algorithm*

WEN Changbao*，GAO Lihong，F(xiàn)ANG Jishan，JU Yongfeng，LI Yanming

(Institute of Micro-Nanoelectronics，School of Electronics and Control Engineering，Chang’an University，Xi’an 710064，China)

In order to reduce the influence of interference signals to the measuring accuracy of weighing system in the data collecting，a high accuracy weighing system based on improved amplitude-limiting and average filtering algorithm was proposed.The weighing system consists of data acquisition，analog-digital converter，processor，storage unit，control module and display module.Being combined limiting filtering，median filtering and moving average filtering，the improved amplitude-limiting and average filtering algorithm eliminates the random pulse and suppresses periodic interference.Based on the experiment of eight different targets ranged from 5 kg to 50 kg，the systems using and without using the improved amplitude-limiting and average filtering algorithm were measured and analyzed.Experimental results show that the maximum error rate of the weighing systems using the improved amplitude-limiting and average filtering algorithm is 0.1%，and the accuracy of weighing system is nine times higher than that of without using this algorithm.

sensor;weighting system;moving average filter;amplitude-limiting filter;data acquisition system; high precision

TP274;TP212.9;TP202

A

1004－1699(2014)05－0649－05

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.015

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60806043);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2013G3322010，2013G1321041)

2013-12-12

2014-04-11