提高动态汽车衡称重精度的算法设计与实现

通信与信息处理COMMUNICATIONANDINFORMATIONPROCESSING自动化技术与应用2010年第29卷第7期提高动态汽车衡称重精度的算法设计与实现樊旺日深圳市科尔达电气设备有限公司，广东深圳518129摘要为了提高动态汽车衡的称重精度，采用有限冲击响应FIR数字滤波算法滤除车辆动态称重过程中产生的随机干扰噪声。鉴于称重信号的信噪比较低和干扰噪声的复杂性，对基本算法进行了改进和优化，基于ARM微控制器平台实现了这一算法。通过对应用该算法的动态汽车衡的称重结果的分析，证明此算法对于提高动态称重精度具有良好的效果。关键词动态汽车衡；超载超限；动态称重；FIR算法；称重精度中图分类号TH71512文献标识码B文章编号10037241201007004705DESIGNANDREALIZATIONOFALGORITHMFORIMPROVEPRECISIONOFTHEDYNAMICTRUCKSCALEFANWANGRISHENZHENKERTAELECTRICEQUIPMENTCOLTD,SHENZHEN518129CHIRLAABSTRACTINORDERTOIMPROVETHEWEIGHINGPRECISIONOFDYNAMICTRUCKSCALE，FINITEIMPULSERESPONSEFIRDIGITALFILTERALGORITHMISINTRODUCED，TOFILTEROUTRANDOMNOISESGENERATEDBYTHEPROCESSOFDYNAMICWEIGHINGINVIEWOFLOWWEIGHINGSIGNALTONOISERATIOSNRANDTHECOMPLEXITYOFTHEINTERFERENCENOISE，THEBASICALGORITHMISIMPROVEDANDOPTIMIZED，THISALGORITHMBASEDONARMMICROCONTROLLERPLATFORMISACHIEVEDBYANALYSISTHEWEIGHINGRESULTSOFDYNAMICTRUCKSCALEBASEDONTHEALGORITHM，ITSHOWSTHATTHEALGORITHMFORIMPROVINGTHEPRECISIONOFDYNAMICWEIGHINGHASAGOODEFFECTKEYWORDSDYNAMICTRUCKSCALE；OVERLOAD；WEIGHINMOTIONWLM；FIRALGORITHM；WEIGHINGPRECISION1引言车辆超载超限行驶是造成公路加速损坏的重要原因，也是引发交通事故的一个重要因素，给国家和人民生命财产造成严重的危害。需要采用先进的技术手段，从根本上解决车辆超载超限运输问题，为此，深圳科尔达公司结合自己多年动态称重设备的研发、制造应用经验进行技术创新，依据交通部车辆轴类型及轴载质量标准，成功开发出符合我国车辆管理规范要求的CW公路车辆超限动态检测与计重收费系统简称动态汽车衡，为治理车辆超载超限运输提供了强有力的技术手段。动态汽车衡采用动态称重WIM技术，即在车辆行驶的状态下进行称重。与静态称重相比，其主要特点是节省时间，效率高，不会对正常交通造成影响。但设备收稿日期20100316工作环境恶劣、称重时间短，冲击力大、干扰因素多，严重影响动态称重精度。因此，如何克服外界随机干扰的影响，准确称量车辆重量，成了动态汽车衡的技术难点和关键IJ。2设备组成及工作原理CW动态汽车衡主要由动态轴重衡、轮轴识别器、车辆分离器、称重控制仪表及上位机组成，如图L所示。动态轴重衡以称量轴载的方式对车辆的各轴或轴组依次进行称量，确定车辆总重量T轮轴识别器由一组压力传感器组成，当车辆轮胎压过时，将压力信号转换为轮胎数量信号；车辆分离器通过红外光的同步扫描来提供车辆的开始和结束信号，保证称重数据和车辆之间的对应关系，称重控制仪表检测设备的工作状态，采集各种传感器信号，处理数据；上位机管理视频音频、智能路闸、声自动化技术与应用2010年第29卷第7期通信与信息处理IUNICATIONANDNFOR,MATIONPROCESS光报警器和大屏幕显示器等设备，接收和处理仪表上传的车辆信息，自动判断是否超载超限，生成和打印各种报表，并与控制中心通讯。图1动态汽车衡器组成方框图当车辆进入称重检测车道时，车辆分离器首先识别车辆并启动称重程序，车轴通过动态轴重衡，得到该轴的轴载信息，然后，相应的轴通过轮轴识别器，得到该轴是单轮还是双轮的信息，车辆各轴的轴载和轮轴类型信息被称重控制仪表依次处理，当车辆分离器检测到车辆尾部通过后给出收尾信号，仪表将称重时间、超限标志、速度、速度变化、轴数、轴组数、每轴轴载、每轴轴型、相邻轴轴距等信息组合成车辆称重信息数据包并进行传输。上位机对数据包进行处理，计算整车重量，控制视频设备对车辆进行拍照，并按控制中心下发的计重收费标准进行相应的收费计算，同时通过大屏幕显示器显示车型、车重、超载率、收费金额等数据供司机查看。如果车辆超载超限，将驱动声光报警器报警。车辆完成交费后，收费员控制挡车栏杆开启，车辆得以通行。汽车动态称重过程中的运动状态是相当复杂的，当车辆通过动态汽车衡时，传感器受到的作用力包括两部分，一是车辆的稳态载荷，即由于车辆在当前轮轴上分担的重量引起的载荷；二是车辆的动态载荷，或者称为瞬态载荷。动态载荷产生的因素很多，主要有三类，一是由车辆自身的各种因素引起的振动；二是由路面不平造成的振动；三是由车辆与地表耦合而产生的振动2。动态载荷在称重过程中是作为噪声出现的，是影响称量精度的主要因素，要想把所测量的真实静态轴载信号比较准确地反映出来，就必须最大限度地消除随机噪声干扰。相关实验显示动态称重信号的信噪比很低，干扰噪声的幅值可达真实轴重的20甚至更多。成分也非常复杂，既有共模干扰，也有串模干扰，频率分布从几十赫兹到几千赫兹】。采用差动放大器能有效地消除共模干扰，采用模拟RC低通滤波器可有效降低串模干扰，但必须折中考虑滤波参数的大小，参数越大，消除干扰噪声的效果越好，但输出信号的延迟也越大，这对车辆动态称重来说是不允许的；参数越小，实时性越好，但消除干扰噪声的效果也越差。这样滤波后的信号仍然含有相当一部分的干扰信号，必须采用数字滤波的方法加以消除。因此，动态汽车衡的称重精度很大程度上取决于数字信号处理方法，优良的数字滤波算法显得尤为重要。数字滤波基于一定长度的数据，为了获得尽可能多的称重数据，一般采用以下两种方法一是选用高速AD转换器，提高采集频率；二是增加称重平台的宽度沿车辆通过的方向，增加称重时间，但受到车辆轴组的轴间距及轮胎着地长度的限制，最大不应超过900RAM，否则，可能无法保证正确分离每轴称重信息。由于称重平台的宽度较窄，车辆正常通过时车速可以近似匀速处理，其信号波形如图2所示。车辆刚进入称重平台时，由于传感器应变片突然受力还无法回至平衡，此时的输出峰值将高于真实的轴重值，根据应用经验，这段传感器的反应时间T一般为25113S，这段时间的数据在实际测量中可以不予考虑，只要对后续时间TT的采集数据进行滤波处理。信号MV真值图2称重信号波形图L_数字滤波器是一种用来过滤时间离散信号的数字系统，通过对采样数据进行数学处理来达到频域滤波的目的。常用的数字滤波方法有限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波、低通滤波和复合滤波等。这些简单的滤波方法对于缓慢变化的信号具有很好的滤波效果，但对于车辆动态称重这种变化比较快的信号的滤波就无能为力了。通过反复对比试验，CW动态汽车衡采用了高效的有限冲激响应FIR通信与信息处理CORNMUNICATIONANDINLORMATIONPROCESSIN,1自动化技术与应用2010年第29卷第7期数字滤波方法，FIR滤波器是非递归的，它总是稳定的，更重要的是它在满足幅频响应要求的同时，可以获得严格的线性相位特性，并具有滤波效果好滤波参数修改方便而且容易实现等优点4。其计算原理可表示为NLYNXNK1式1中XN为最近时刻TNT的采集信号，T为采样周期；XNK为延时了K个采样周期的采集信号；HK为第K个延时节的加权值，即滤波器系数；YN为最近时刻TNT滤波后的输出信号；N为滤波器的阶数，也称滤波器的抽头数，为实整数。理想滤波器的单位冲击响应是非因果、无限长的，物理上无法实现。为了设计出频响特性类似于理想频响的滤波器，采用窗函数截取或加窗有限长的一段理想冲击响应来得到物理上可实现的线性相位、因果的FIR滤波器。其系统函数可表示为N一1HZHNZ20由于FIR滤波器具有线性相位，所以HN具有对称性质，即HN一1一，Z0,1，一123利用这一特性，可以对串行结构进行改进，得到乘法次数少的结构，如图3所示图中MN12。首先进行加法运算，然后对加法运算的结果进行串行乘累加运算。改进后的结构完成一次滤波仅需要N12次乘法运算，只是串行或并联结构所需次数的一半，极大地提高了处理速度。YO图3FIR滤波器结构HM高阶FIR滤波器具有更好的性能，但N越大，滤波器的运算量越大，滤波后信号的时延也越大，因而必须折中考虑N的大小，基本原则是滤波器卷积运算的时问应小于信号的采样周期，以满足实时性的要求。通过反复实验，CW动态汽车衡采用19阶的FIR滤波算法，实现一次FIR卷积运算需要执行10次乘法和18次加法。为了实现数据的实时处理，需要在一个仪表采样周期内完成数据采集和卷积运算。在较低性能微控制器系统中，由于微控制器资源的限制，无法满足实时大量浮点运算的要求，通常只能采用专门的硬件来实现。随着微控制器技术的发展，新型ARM微控制器具有非常卓越的性能，极高的性价比，完全具备用软件实现FIR滤波的能力【引。CW动态汽车衡的称重控制仪表选用了NXP公司的32位ARM微控制器LPC3220，它是一种高性能、低功耗的微控制器，采用了带矢量浮点协处理器的ARM926EJSCPU内核，工作频率高达266MHZ，具备复杂数据的快速处理能力，用C语言完成一次卷积运算时间约为1US61。AD转换器选用了德州仪器TI为高速数据采集应用推出的超高性能模数转换器ADS8254，它采用TI最新一代逐次逼近寄存器SAR技术，内部集成了四通道多路复用器、输入运算放大器、6PPM。C参考以及参考缓冲器，拥有4个全差分输入通道、16位转换精度和1MSPS转换速率，完成一次转换只有4US，具有业界一流的AC和DC性能和超低信道漂移，能确保信号测量的可靠性与可重复性。仪表采样速率为50KHZ，每隔20US启动转换一次，所以有足够的时间完成AD转换和卷积运算，图4是仪表的功能框图。当车辆以20KMH速度通过900MM宽的称重平台时，假定轮胎与地面的接触长度为1OOMM，则轮胎完全压上称重平台的称重时间约为126MS，除去前25MS传感器的反应时间，可以采集大约5050个数据，这些数据经过FIR数字滤波后，噪声被有效的抑制，就可以计算出车辆的真实重量7】。图4称重控制仪表功能框图算法的改进和优化TARNINIIAGLNFAIJNATLNN怠ANNIIRTINNI4G自动化技术与应用2010年第29卷第7期通信与信息处理COMMUNICATIONANDLNFORMATIONPROCESSIN当输入信号的干扰较小时，FIR滤波基本算法有很好的滤波效果。但动态汽车衡安装在户外，日晒雨淋，环境异常严酷，电磁干扰、温度影响、冲击和震动都比较严重，称重信号会变得有毛刺甚至很严重，基本算法无法剔除这些外界干扰因素造成的噪声。经过大量的实验和调试，我们对FIR滤波基本算法进行了改进和优化，极大地改善了滤波性能，使动态汽车衡的技术指标达到了设计要求。1在FIR滤波之前对采样数据进行一次过滤，处理一些异常点，具体做法是先采样两个点，比较这两个点是否异常异常重新采样，否则继续。那么如何判断异常呢经过反复的实验、调试和理论推导发现如果二个数之差的绝对值超过了第一个数的绝对值10就可以认为该数是异常的数，这样就剔除了汽车高速通过轴重台时由于颠簸产生的尖峰信号，经过这个环节我们可以得出两个正常的数，为后续处理所用。2在后续每次采样后都把这次数与上次数比较。如第三次采样的数与在第一步中得到的正常的第二个数进行比较，如果二个数之差的绝对值超过了第二个数的绝对值10，我们就把第二个数代替第三个数，这样一方面消除了异常数的影响；另一方面又不影响采样频率和数据数量。3经过前次处理毫无疑问称重信号平滑多了，测量准确度也有所提高，为了取得更好的滤波效果，采用了FIR二次滤波。也就是把滤波后结果又作为输入信号，再次进行FIR滤波。4为了进一步降低尖峰脉冲的影响，改善信号的平滑性，又将经过二次FIR滤波的输出数据每L2个一组，去掉一个最大和最小数，再对10个数求平均值。6实验及结果分析滤波器的各种重要指标都是由窗函数决定，为了改善滤波器的性能，窗函数谱的主瓣应尽可能窄，旁瓣峰值衰减应尽可能大，以使滤波器有较陡的过渡带而肩峰和余振小。但两者是相互矛盾的，实际应用中要折衷处理，兼顾各项指标。通过对矩形RECTANGU1AR窗、汉宁HARMING窗、海明HAMMING窗、布莱克曼BLACKMAN窗以及凯塞KAISER窗等几种常用窗函数的分析和比较，本算法选用加海明窗的理想低通滤波器，其归一化截止频率为025，如图5所示。仪表采集的车辆动态称重信号为含有多种噪声成分的直流信号，其波形如图6所示。原始数据经过优化算法处理后其波形如图7所示。从实验结果可以看出，滤波之前的噪声的峰值在01左右，部分噪点峰值达到了015，而此时的轴重信号为L，这将严重影响动态称重精度【引。采样数据经过FIR滤波优化算法处理后信号得到了明显的改善，可以得到非常平稳的重量信号，噪声信号的峰值被抑制在001的范围内，这就大大改善了信噪比，提高了动态称重精度。0图5优化算法处理后数据波形13L。211幅10值O908O7图6原始数据波形一一卜。一IIIIL_M等K_一K_0薯；_RI_糍E_车葛二一IR一I广一T一一一_一一一0601OO2003004OC一醐誊JLL；霉砖薯数据个数0一图7优化算法处理后数据波形为了检验采用优化算法的动态汽车衡的技术性能，广东省计量科学研究院按照JJG9072006动态公路车辆自动衡器国家检定规程的要求对CW动态汽车衡进行了检定，其中三轴参考车辆采用了一辆三轴泥头下转第58页A一_C；循度响应LLNNN幅值_一舯一1_一RI。I。RIL10RII。广|LL_L_一。I一_一_I_L。LL一|_LLI_。_一_L_J。0I。LIL。1LI_1一_，_帝_自动化技术与应用2010年第29卷第7期PLC与DCSPLCANDDCS文中使用M00400一M00404分别控制第1个到第5个开出的执行，每次执行开出后均进行计数器自加一，并通过计数器逻辑回路进行计数器复位。计数器复位后立刻复位启动线圈，结束本次顺序开出控制任务执行。计数器计数和复位梯形图如图3所示。M101UPCTRR00400QRW图3计数器计数和复位梯形图通过以上控制逻辑的设计，实现启动顺序开出功能的实现，并实现系统要求一次启动，按照循序开出不重叠。通过此逻辑的实现，可以简化上位机在进行遥信检测的控制逻辑，充分利用可编程控制器开入开出二次编程功能，在不影响可编程控制器性能指标上，减少上位机和可编程控制器的控制命令的交换，提高上位机遥信的检测效率。5结束语在本系统设计中，充分利用可编程控制器模块化的组合特点以及其独有开入开出二次逻辑编程的优点，保证系统设计功能的实现的同时，减少系统主控制平台的在开入和开出功能检测资源开销，并带来系统稳定性和可靠性。可编程控制器独有可编程的特点为其在工业领域的应用奠定坚实的基础，随着计算机技术的进一步的发展，特别可编程控制器的核心模块CPU运算的速度得到提高，通过提高指令的执行速度和扩展其计算功能，可编程控制器在工业控制领域的应用会越来越广泛。参考文献1】廖运初主编可编程序控制器应用技术【M】重庆重庆大学出版社20072】鹿麟，符仲恩基于PLC的发电机故障录波系统【J】微计算机信息，2006，3016200202作者简介应站煌1975一男，工程师，主要从事电力系统变电站自动化研究和应用工作。上接第50页车，前轴为单轮单轴，后轴为双轮双轴，加载10T标准砝码，在静态情况下称得汽车前轴重量是5620KG，后轴重量是18340KG。表1是部分检定数据，数据表明采用优化算法的动态汽车衡在20KMH速度以内整车称重精度优于1，达到了较高的准确度水平。表1动态实验数据故数速度1前轴测量值KG前轴误差轴组测重僵KG轴组误差整车误差14855640036182100710462