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0 引 言

在農(nóng)業(yè)、食品等行業(yè)中,傳統(tǒng)的單秤稱量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一,不能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的定量稱量。組合秤的出現(xiàn)則加快了定量稱量這一過程的速度,提高了生產(chǎn)效率。然而設(shè)備工作過程中一直伴隨重物的下落沖擊、料斗的開關(guān)閉合等動(dòng)作,對(duì)稱重過程有一定的振動(dòng)干擾,另外設(shè)備工作時(shí)間過長(zhǎng)后,稱重傳感器會(huì)出現(xiàn)溫漂零漂等現(xiàn)象,導(dǎo)致稱重信號(hào)中含有噪聲[1]。

為解決噪聲問題,工業(yè)上對(duì)稱重模塊進(jìn)行了部分優(yōu)化,其中硬件方面多采用高位數(shù)AD轉(zhuǎn)換芯片,并在參考電壓引腳端接入高精度穩(wěn)壓芯片,或者采用更高頻率的MCU芯片。這些方法增大了模塊制作成本,不利于生產(chǎn)推廣[2]。軟件濾波方面多采用去極值平均法對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理,而由于該方法是基于含噪信號(hào)進(jìn)行處理,計(jì)算出的重量難免會(huì)有偏差。

因此,必須要對(duì)硬件進(jìn)行低成本優(yōu)化,同時(shí)采用更復(fù)雜算法將噪聲濾除,確保參與計(jì)算的數(shù)據(jù)是去除噪聲后的有用數(shù)據(jù)[3]。

目前常用的信號(hào)去噪方法多為傅里葉變換、卡爾曼濾波等分析算法,然而上述算法對(duì)平穩(wěn)信號(hào)的過濾較為有效,當(dāng)信號(hào)波動(dòng)較大時(shí),傳統(tǒng)去噪算法的函數(shù)很難與之匹配[4]。重物撞擊瞬間,重量數(shù)值在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生突變,傅里葉變換就要分解出很多正弦波形去擬合,效果不佳,時(shí)間也比較長(zhǎng)因此需要采用能夠?yàn)V除動(dòng)態(tài)噪聲的濾波算法:胥馨尹等[5]采用QRD-LSL自適應(yīng)濾波算法,對(duì)整體結(jié)構(gòu)的震動(dòng)效果進(jìn)行了控制,但無法控制濾波器的階數(shù)以應(yīng)對(duì)不同環(huán)境,無法濾除硬件電路溫漂零漂產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。郁洋等[6]提出了一種基于小波濾波的濾波算法,能夠有效濾除稱量系統(tǒng)的噪聲,但具體實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用仍有待考究。張西良等[7]用離散小波變換處理動(dòng)態(tài)稱量信號(hào),并對(duì)快速傅里葉變換和離散小波變換的濾波效果進(jìn)行了對(duì)比分析,確定了離散小波變換進(jìn)行濾波處理的有效性。

小波變換方法是一種時(shí)域和頻域窗口形態(tài)都可改變的時(shí)頻分析方法,在高頻階段具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率,尤其適合處理含噪信號(hào)中的高頻噪聲。本文針對(duì)工業(yè)上組合秤的稱重精度問題,開發(fā)了一款全新的基于小波去噪方法的組合秤稱重模塊,并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該模塊的稱重性能進(jìn)行了檢驗(yàn)分析。

1 稱重模塊工作原理

目前市面上流行的組合秤主要由線振器、料斗、稱重模塊、主控模塊、電機(jī)模塊及擋板構(gòu)成。工作流程為:加料機(jī)將物料放在線振器上方的平臺(tái)上,通過線振器的振動(dòng)將物料均勻運(yùn)送到多個(gè)料斗,電機(jī)模塊控制料斗開合,稱重模塊進(jìn)行稱重處理及數(shù)據(jù)傳輸,主控模塊負(fù)責(zé)對(duì)稱重模塊傳來的各斗重量進(jìn)行組合,當(dāng)組合出目標(biāo)重量時(shí),選中對(duì)應(yīng)料斗進(jìn)行放料,物料通過擋板進(jìn)入包裝機(jī)內(nèi),然后不斷循環(huán)整個(gè)過程[8]。

其中,稱重模塊是組合秤的核心部分,既要保證稱量精度與速度,又要配合主控模塊完成一定的業(yè)務(wù)邏輯。稱重模塊主要由壓力傳感器、放大電路、AD轉(zhuǎn)換芯片、MCU單片機(jī)及電源模塊構(gòu)成。工作原理如圖1所示。

圖1 稱重模塊工作原理   下載原圖

首先,壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。放大電路負(fù)責(zé)將該電壓放大至AD轉(zhuǎn)換芯片適配范圍進(jìn)行輸出,AD轉(zhuǎn)換芯片根據(jù)基準(zhǔn)電壓與輸入電壓的比例,將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),通過如SPI等協(xié)議傳輸給MCU。MCU可對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或包裝后進(jìn)行傳輸。

實(shí)際生產(chǎn)中,一旦整體結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng),傳感器的輸出電壓就會(huì)發(fā)生跳變,而高精度的AD轉(zhuǎn)換芯片只會(huì)如實(shí)的將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量交給MCU處理[9]。當(dāng)初始數(shù)據(jù)存在噪聲,執(zhí)行平均濾波就無法得出實(shí)際重量。本模塊采用單片機(jī)與PC端共同控制的思想,在放大電路電壓輸出端加入采集卡,將數(shù)據(jù)傳輸給PC端,以PC端強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理工具對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行小波分析,去除噪聲,得到稱重?cái)?shù)據(jù),然后將稱重?cái)?shù)據(jù)通過RS-485通訊協(xié)議發(fā)送給MCU,由MCU對(duì)初始數(shù)據(jù)與PC端傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理,輸出真實(shí)重量[10]。

2 稱重模塊選型及設(shè)計(jì)

為方便硬件電路的布線及維修,本模塊采用雙面板設(shè)計(jì)。其中放大電路與AD采集電路放在背面與稱重傳感器連接,通訊電路與控制電路放在正面與PC端連接。正反面板在必要位置進(jìn)行打孔,通過排針進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)電源供電或通訊協(xié)議傳輸。具體設(shè)計(jì)如下:

2.1 硬件選型及設(shè)計(jì)

模塊主要由壓力傳感器、放大電路、AD轉(zhuǎn)換芯片、MCU單片機(jī)及電源模塊構(gòu)成。

其中壓力傳感器是稱重?cái)?shù)據(jù)的來源,必須要保證足夠的精準(zhǔn)度。考慮到自制壓力傳感器的線性度低,不同重量下的補(bǔ)償度不一致等問題,本模塊選用市面上的德國(guó)HBM稱重傳感器,型號(hào)為SP5C3,其靈敏度能達(dá)到2 mV±10%/V,且能根據(jù)重物重量0～50 kg輸出0～10 mV的電壓。

放大電路選用由OPA2277及TLC2272兩個(gè)運(yùn)放電路組成的推挽放大電路。在輸入端加入150 R/100 MHz磁珠,抑制信號(hào)線上的高頻噪聲和尖峰干擾,防止靜電擊穿。經(jīng)過串聯(lián)放大,輸出端AIN+達(dá)到0～2.5 V,滿足AD轉(zhuǎn)換芯片需要。輸出電壓接到AD轉(zhuǎn)換芯片輸入端,同時(shí)經(jīng)過采集卡將該電壓傳輸給PC端。

AD轉(zhuǎn)換芯片負(fù)責(zé)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),是單片機(jī)的數(shù)據(jù)來源,必須要保證較高的精準(zhǔn)度。本文選用美國(guó)CirrusLogic公司推出的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5532-BSZ。該芯片可通過編程配置增益放大倍數(shù)1～32不等,轉(zhuǎn)換速率范圍為7.5 Hz～3.84 kHz,具有極佳的動(dòng)態(tài)特性。芯片內(nèi)部有一個(gè)完整的自校正系統(tǒng),解決了A/D轉(zhuǎn)換器本身的零點(diǎn)增益和漂移誤差,方便調(diào)試者進(jìn)行其他方面的優(yōu)化濾波[11]。

MCU是業(yè)務(wù)邏輯核心,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理與傳輸。由于稱重模塊對(duì)定時(shí)器的數(shù)量要求不高,外圍電路少,不需要太多引腳,模塊采用stm32103c8t6芯片,其中串口2連接RS-485芯片進(jìn)行傳輸通信,串口3連接串口轉(zhuǎn)USB接口,將數(shù)據(jù)打印到監(jiān)視窗口方便調(diào)試,引腳PA3～PA7用于電路板正反面之間的SPI通信,PB12～PB15負(fù)責(zé)撥碼開關(guān)的初始化及數(shù)值采集,來選擇本稱重模塊的傳輸編號(hào)。其余引腳負(fù)責(zé)連接穩(wěn)壓器、電源,控制LED燈的通斷進(jìn)行狀態(tài)顯示等工作。

由于AD轉(zhuǎn)換芯片需要精準(zhǔn)的參考電壓,模塊選擇雙電源獨(dú)立供電方式。模塊外接12 V獨(dú)立電源,連接至兩片LP2950CDT-5.0 V低壓差線性穩(wěn)壓器,其中一片給AD轉(zhuǎn)換芯片做基準(zhǔn)電壓,另一片通過AMS1117-3.3 V穩(wěn)壓器輸出3.3 V電壓給MCU供電。由于雙點(diǎn)接地需要加入隔離電路,為避免增加成本,便將MCU地端與AD轉(zhuǎn)換芯片地端連接,中間加入0 Ω電阻進(jìn)行緩沖。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)完成后,要根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

軟件部分可根據(jù)功能劃分為控制邏輯程序和驅(qū)動(dòng)程序。其中,控制邏輯主要涉及與PC端通信、數(shù)據(jù)采集、平均處理。驅(qū)動(dòng)程序涉及AD轉(zhuǎn)換芯片、SPI協(xié)議、各串口引腳的初始化。其中控制邏輯流程如圖2所示。

圖2 控制流程   下載原圖

具體實(shí)現(xiàn)為,首先執(zhí)行驅(qū)動(dòng)程序初始化,然后每隔5 ms對(duì)SPI接口進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取,采集12次后把數(shù)值從小到大排列,去除兩個(gè)最大值、兩個(gè)最小值,求出剩余數(shù)值的平均值,然后判斷PC端有沒有數(shù)據(jù)傳入。如果有數(shù)據(jù)傳入,則將平均值與傳入值進(jìn)行平均處理,計(jì)算出實(shí)際重量,否則重新采集。其次解析主控模塊的邏輯,判斷需要的工作模式,最后將重量數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出或存儲(chǔ)到SD卡以備算法的改進(jìn)[12]。

驅(qū)動(dòng)程序主要分為3個(gè)部分:

1)引腳初始化:上電后首先進(jìn)行引腳初始化,將不同引腳設(shè)置為推挽輸出等工作模式。

2)SPI使能:設(shè)置SPI為雙線雙向全雙工模式,數(shù)據(jù)幀大小為8位,設(shè)置串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平,命令MCU于串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿采樣數(shù)據(jù),定義波特率為115 200。

3)AD轉(zhuǎn)換芯片初始化:首先延時(shí)1 000 ms,確保AD轉(zhuǎn)換芯片上電正常。然后通過SPI協(xié)議設(shè)置該芯片的時(shí)鐘頻率,根據(jù)手冊(cè)發(fā)送15個(gè)“0XFF”和1個(gè)“0XFE”進(jìn)入命令模式,發(fā)送復(fù)位指令,讀取反饋數(shù)據(jù)。若復(fù)位成功則開始寫配置寄存器、通道設(shè)置寄存器來設(shè)置工作模式、轉(zhuǎn)換速率、增益放大倍數(shù)等參數(shù),執(zhí)行自校準(zhǔn)后開始進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)換[13]。

實(shí)際操作中,由于焊接不準(zhǔn)確、芯片污損等原因,偶爾會(huì)出現(xiàn)初始化失敗的現(xiàn)象,因此設(shè)置初始化程序連續(xù)執(zhí)行兩次。

2.3 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在PC端進(jìn)行小波去噪處理,需要通過串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。為保證數(shù)值傳輸過程的準(zhǔn)確可靠,設(shè)計(jì)一種包含校驗(yàn)的通訊協(xié)議。每一幀數(shù)據(jù)由開始頭、編碼號(hào)、重量數(shù)據(jù)、BCC校驗(yàn)碼組成,均用十六進(jìn)制表示。其中開始頭設(shè)置為0XAA,編碼號(hào)可根據(jù)實(shí)際料斗個(gè)數(shù)進(jìn)行設(shè)置,為避免小數(shù)的傳輸和換算,重量數(shù)據(jù)是實(shí)際重量的100倍,占4個(gè)字節(jié),單片機(jī)接收到后直接除以100。BCC校驗(yàn)碼是工業(yè)上常用的校驗(yàn)方式,原理是對(duì)該幀數(shù)據(jù)逐位進(jìn)行異或運(yùn)算,以檢驗(yàn)傳輸數(shù)據(jù)的完整[14]。

3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析過程主要分為信號(hào)采集、小波去噪兩個(gè)階段。首先由采集卡采集放大電路輸出端的模擬電壓,根據(jù)AD轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換系數(shù),編程進(jìn)行重量換算。然后通過MATLAB工具對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波去噪處理,最后根據(jù)通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)。具體流程如下:

3.1 信號(hào)采集

首先清空料斗,在空斗狀態(tài)下,記錄當(dāng)前電壓值為基準(zhǔn)值。一旦電壓值發(fā)生變化,MATLAB便開始持續(xù)讀串口200 ms,同時(shí)將數(shù)值輸出到本地MATLAB工作路徑的txt文件下,為小波去噪提供數(shù)據(jù)依據(jù)。具體軟件流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)分析流程   下載原圖

本文選用200 g±0.01 g砝碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將砝碼放在距離稱重模塊30 cm高處自由下落,每隔5 ms讀取一次電壓模擬量,計(jì)算重量并輸出。結(jié)果如圖4所示。

圖4 稱重信號(hào)   下載原圖

由時(shí)域圖可以看出,硬件結(jié)構(gòu)的振動(dòng)導(dǎo)致了重量數(shù)值的不穩(wěn)定,經(jīng)過200 ms之后,輸出重量仍有5 g左右的偏差。接下來進(jìn)行小波去噪處理。

3.2 小波去噪

設(shè)該噪聲信號(hào)S可由式1表示。

Sn=fn+un(1)

式中:fn是真實(shí)信號(hào),un為噪聲信號(hào),n代表離散時(shí)刻。為加快計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度,選擇計(jì)算量較小的離散小波變化。真實(shí)信號(hào)主要是低頻信號(hào),因此選擇較適合低頻信號(hào)的小波去噪方法:小波閾值去噪法[15]。算法的具體應(yīng)用過程如下:

1)首先確定使用的小波基函數(shù),經(jīng)比較,選擇MATLAB提供的sym5小波基函數(shù)[16]。

2)確定小波閾值去噪的閾值函數(shù)和閾值選擇方法,其中閾值函數(shù)包括硬閾值和軟閾值。硬閾值函數(shù)的閾值不連續(xù),處理后的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生振蕩,不能滿足稱重信號(hào)處理的平滑要求;軟閾值信號(hào)具有連續(xù)性,但去噪后的信號(hào)會(huì)丟失一些細(xì)節(jié),在保證曲線平滑的基礎(chǔ)上不會(huì)造成很大偏差,因此選用軟閾值函數(shù)[17]。

由于噪聲信號(hào)近似服從高斯分布,選擇以高斯噪聲為模型的固定閾值方法。算法由式2所示。

λ=σ2lnN?????√$\lambda =\sigma \sqrt[]{2\ln {\rm N}}$ (2)

式中:N為信號(hào)長(zhǎng)度,σ為噪聲標(biāo)準(zhǔn)方差,λ為閾值。

3)確定分解層數(shù)。為選取合適的分解層數(shù)N,分別將N賦值2～9,分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理得到重構(gòu)信號(hào)。并對(duì)重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行比較,各重構(gòu)信號(hào)如圖5～12所示。

圖5 N=2   下載原圖

圖6 N=3   下載原圖

圖7 N=4   下載原圖

圖8 N=5   下載原圖

圖9 N=6   下載原圖

圖10 N=7   下載原圖

圖11 N=8   下載原圖

圖12 N=9   下載原圖

由圖可知,當(dāng)分解層數(shù)N從1逐漸增大時(shí),輸出信號(hào)逐漸趨于穩(wěn)定,當(dāng)N=7時(shí),所需穩(wěn)定時(shí)間最短,輸出信號(hào)最為精準(zhǔn)。當(dāng)N繼續(xù)增大時(shí),穩(wěn)定時(shí)間變長(zhǎng),且數(shù)據(jù)是否收斂無法預(yù)測(cè),不利于做稱重?cái)?shù)據(jù)處理。因此選擇7層分解層數(shù)[18]。

4)截取300 ms～350 ms階段的重構(gòu)信號(hào),按固定時(shí)間間隔連續(xù)采集15次,去掉兩個(gè)最大值、最小值,對(duì)剩下的數(shù)值進(jìn)行平均處理,得出重量。然后將重量數(shù)值通過USB轉(zhuǎn)串口線發(fā)送給MCU,同時(shí)將該數(shù)值加上時(shí)間戳保存到本地txt文件中[19]。

4 驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證小波去噪方法對(duì)稱量精度的影響。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用糖塊進(jìn)行稱量測(cè)試,每次下料,都從主控模塊讀取總重量,然后取出物料放在精度達(dá)到0.01%的天平上進(jìn)行靜態(tài)稱量,記錄數(shù)據(jù),重復(fù)50次,最終從MATLAB文件夾下提取小波去噪后的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總對(duì)比,其中部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

由表可知,誤差隨與物料的重量成正比關(guān)系,當(dāng)物料重量增大,下落沖擊力會(huì)更大,振動(dòng)時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng),數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度也會(huì)下降。當(dāng)物料重量在100 g以內(nèi)時(shí),誤差在0.04 g以內(nèi)。重量在100 g～200 g之間時(shí),誤差介于0.05 g～0.08 g之間。加入小波去噪方法后,能夠滿足200 g內(nèi)偏差小于等于0.1 g的工業(yè)要求。分析數(shù)據(jù)可知,舍棄單片機(jī)數(shù)值處理,完全采用小波去噪及去極值平均的計(jì)算方法得出的重量更接近于實(shí)際值。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果 導(dǎo)出到EXCEL

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種PC端與單片機(jī)相結(jié)合的組合秤稱重模塊,首先根據(jù)設(shè)備工作原理,完成了芯片選型,及放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路等硬件設(shè)計(jì),然后進(jìn)行了控制邏輯、驅(qū)動(dòng)程序等軟件的開發(fā),其次通過小波去噪方法的實(shí)現(xiàn)提高了本模塊的稱量精度。最后經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,驗(yàn)證了該模塊的精度,結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)能夠滿足工業(yè)需要,可以高效的完成稱量任務(wù)。