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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。
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?？紤]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ＨＢＭ稱重傳感器，型號(hào)為ＳＰ５Ｃ３，其靈敏度能達(dá)到２ｍＶ±１０％／Ｖ，且能根據(jù)重物重量０～５０ｋｇ輸出０～１０ｍＶ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１５０Ｒ／１００ＭＨｚ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０～２．５Ｖ，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７．５Ｈｚ～３．８４ｋＨｚ，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１２Ｖ獨(dú)立電源，連接至兩片ＬＰ２９５０ＣＤＴ－５．０Ｖ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ＡＭＳ１１１７－３．３Ｖ穩(wěn)壓器輸出３．３Ｖ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０Ω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。

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５ｍｓ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１１５２００。
３）ＡＤ轉(zhuǎn)換芯片初始化：首先延時(shí)１０００ｍｓ，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］。

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