（信号与信息处理专业论文）动态称重装置的研究.pdf

竺窒鎏塞三查耋三耋璺圭耋堡篓冬 动态称重装置的研究 摘要 生产、建设、运输、贸易、科技和日常生活都离不开称重。随着工业自动 化和管理现代化的进展，称重方式由传统的杠杆式机械称量发展到数字式智能 称量，尤其是快速动态称重有了很大发展。人们采用新技术，应用数字信号处 理芯片，开发各种自动称重系统与装置，以提高动态称重的准确度。本文在对 电阻应变片式称重传感器结构及性能、数据信号采集系统的理论及应用进行研 究的基础上。设计开发了一种新型的动态称重装置。 动态称重装置称量的被测物处于非稳定状态即运动状态，因此系统需要采 用运算速度快，数据处理能力强的微处理器以保证动态测量要求。本文设计了 以t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) 为核心处理电路的动态称重算法处理单元。d s p 的使用使本系统 在数据处理，测量精度和动态测量实时性上有很大的提高，同时c p l d 的使用 增强了系统的灵活性，减小了电路板设计面积。 本系统采用了开关电容滤波器和f i r 低通数字滤波器对信号进行滤波，提 高了系统测量的准确性。在程序中设计了软件看门狗。保障了程序运行的稳定 性。由于传感器的非线性因素，文中采用神经网络法对传感器系统进行了非线 性校正，分析了传感器故障现象和产生原因，并给出了校正的实验数据。现场 操作过程中，系统提供了按键归零调整、称曩单位转换及软关机等操作，并采 用无线的方式将现场数据传给上位机管理，避免了现场布线的弊端。 系统上位机采用w i n d o w s 视窗操作系统。并使用面向对象编程语言c + + b u i l d e r ，利用微软提供的a c t i v e x 中的m s c o m m 控件，通过修改m s c o m m 属 性值并编写事件驱动代码来完成通讯。同时在控制窗口上显示被测重量时问 曲线，实现p c 机对动态电子秤现场工作情况的实时监测。 本文设计的动态称重装置与传统称重装置相比具有称量速度快、准确度 高、安装调试方便及易实现智能化控制等优点，使其在其它同类产品中具有更 广阔的市场潜力。 关键词动态称重：d s p ；数据采集；无线传输 譬尘堡型三叁兰王耋堡尘兰堡当兰 r e s e a r c ho nd y n a m i cw e i g h i n gd e v i c e a b s t r a c t p r o d u c e ，b u i l d ，t r a n s p o r t ，t r a d e ，s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dd a i l yl i f ec a nn o tb e i m a g i n e dw i t h o u tw e i g h i n g w i t ht h ep r o g r e s so ft h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o na n d m o d e r n i z a t i o no fm a n a g e m e n t ，t h ew a yo fw e i g h i n gh a sc h a n g e df r o mt r a d i t i o n a l l e v e rm a c h i n e r yt y p et od i g i t a li n t e l l i g e n c ew e i g h i n g ；e s p e c i a l l yt h ef a s td y n a m i c w e i g h i n gh a ss u b s t a i n t a l l yd e v e l o p e d u s i n gt h en e wt e c h n o l o g ya n dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r s ，p e o p l eh a v ed e v e l o p p e dv a r i o u sk i n d so f a u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e ma n d d e v i c et oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ed y n a m i cw e i g h i n gd e v i c e i nr e s e a r c h i n go f b o t ht h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h er e s i s t a n ts t r a i ng a u g ea n dt h e o r ya n d a p p l i c a t i o no fd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ，ak i n do fn e w - t y p ed y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m h a sb e e ni n t r o d u c e di nt h i sp a p e n o b j e c t st h a tt h ed y n a m i cw e i g h i n gd e v i c ew e i g h sa l en o ti ns t a b l es t a t e ，o ri n m o v i n gs t a t e ，t h i sr e q u i r e st h es y s t e ma d o p t sm i c r o p r o c e s s o rt h a tr u n sf a s ta n dh a s s t r o n ga b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n gt og u a r a n t e ed y n a m i cm e a s u r e m e n t t h ec o r e p r o c e s s i n gu n i tu s i n gt m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) a n dc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) h a sb e e nd e s i g n e di nt h ep a p e r t h eu s eo f d s pm a k e st h es y s t e mi m p r o v eal o to nd a t ap r o c e s s i n g ，m e a s u r i n gp r e c i s i o na n d m e a s u r i n gi nr e a l t i m e ，m e a n w h i l et h eu s eo fc p l dm a k e st h es y s t e mf l e x i b l ea n d r e d u c e st h ed e s i g na r e ao f t h ec i r c u i tb o a r d t h i ss y s t e ma d o p t ss w i t c hc a p a c i t o rf i l t e ra n df i rd i g i t a lf i l t e ri no r d e rt o i m p r o v et h es y s t e mm e a s u r i n ga c c u r a c y ；w a t c h i n g - d o gs o f t w a r eh a sb e e na p p l i e di n s o f t w a r et oe n s u r et h a tt h ep r o g r a mc a nr u ns t a b l e l y b e c a u s eo f t h en o n l i n e a ro f t h e s e n s o r , t h es y s t e ma d o p t st h el a wo fn e u r a ln e t w o r kt o c o r r e c tn o n l i n e a ro ft h e s e n s o r , a n dc o r r e c t e de x p e r i m e n t a ld a t aw e r eg i v e ni nt h ep a p e r t h es y s t e mh a s o f f e r e ds e v e r a lb u t t o n st oa d j u s tt oz e r o ，c h a n g ew e i g h i n gu n i t sa n ds t a n d b ye t c w i r e l e s sw a yi su s e dt ot r a n s m i to nt h es p o td a t at oc o m p u t e r , w h i c ha v o i d st h e d r a w b a c ko f t h ew i r eo nt h es p o t p ca d o p t sw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e ma n df a c i n gt a r g e tp r o g r a m m i n gc + + 坠堡堡矍王叁耋三兰竺当耋堡篁兰 b u i l d e rl a n g u a g ea n dm a k e si l s eo fl h em s c o m mc o n t r o l l i n gp a r ti na c t i v e xo f f e r e d b ym i c r o s o f t b yr e v i s i n gm s c o m m a t t r i b u t ev a l u ea n dw r i t i n gt h ei n c i d e n td r i v i n g c o d e sc o m m u n i c a t i o nc a ) b ea c h i e v e d w 翻曲t t i m ec u r v ei ss h o w no nt h es c r e e n w i n d o wa n dt h eo p e r a t o r sc a nm o n i t o rt h ed y n a m i ce l e c t r o n i cs c a l e sw o r k i n g c o n d i t i o no nt h es p o ti nr e a lt i m e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lw e i g h i n gs y s t e m ，t h i ss y s t e mw e i g h i n gs p e e di s q u i c k e r a n da c c u r a c yp r e c i s i o ni s h i g h e r , i n s t a l l i n ga n dd e b u g g i n gi s m o r e c o n v e n i e n t i ti sa l s oe a s i e rt or e a l i z et h ei n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 t h e s ea d v a n t a g e sm a k e i th a v ew i d e rm a r k e tp o t e n t i a l s k e y w o r d sd y n a m i cw e i g h i n g ；d s p ；d a t ac o l l e c t i n g ；w i r e l e s st r a n s m i t t i n g i i i - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 称重技术在近百年的历史中大致经历了以下四个发展阶段【l n2 j ：约半个多 世纪的机械式模拟测量阶段，接着进入了电气测量和电子测量阶段，至2 0 实 际7 0 年代末期，全面进入了数字化测量及微机智能化测量的阶段，至9 0 年 代，丌始进入了模型化测量的新阶段，人们不仅要求取得测量的正确结果，而 且要求对测量结果的状态趋势进行估计，对动态变化中的量进行实时测量。这 种要求仅仅依靠传统的测量方法和数值处理的方法已经不可能实现，只有模型 化测量才能为解决日趋复杂的动态测量问题开辟一条新的路径。 动态称量即对非静止状态( 线性运动或振动状态且具有加速度) 的物体进行 称量；要求在短时间内进行快速测量，即测量的允许时间小于称重仪器的调定 时间。动态称重过程中物料的变化引起的冲击、振动和各种干扰的影响，使精 度难以保证。为达到快速、连续、准确称量的结果，并得到测量的稳态数值， 就必须对称重传感器、信号处理和数据采集系统组成的动态称重系统进行正确 的描述和分析；为减少动态称重的计量误差，须进行动态补偿。有了这些算 法，使动态称量系统的称量速度更快、精度更高。总体来说，动态称量在逐步 完善与进步，其应用领域有：轧钢工业生产过程、港口吞吐货物计量、运行中 的高速汽车的称量等。 本论文所研究的系统是一种快速、动态称重系统，它是高速动态数据采集 处理在电子称重装置中的应用。它与传统静态称重装置相比具有速度快、时间 短、精度高等优点，使其在其它同类产品中具有更广阔的市场潜力。 1 2 国内电子称重的现状 我国从六十年代中期开始研制和生产电子秤，初期为模拟指针式，后来发 展成数字式2 1 。由于当时技术条件的限制，产品准确度低、可靠性差，适应工 厂恶劣环境的能力差，故障率和损坏率一直都很高。自八十年代初以来，开展 了与国外技术交流和合作，引进了一批样机、生产技术和加工测试设备，通过 消化、吸收和改造，使电子称重装置的综合水平有了很大的提高。产品品种发 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 展到几十种，包括电子计价秤、电子台秤、电子吊秤、电子汽车衡、电子皮带 秤、电子轨道秤、电子包装秤、电子配料秤以及各种专用电子秤。这些产品中 作为商用静态秤都已能满足国际法制计量组织 1 ，1 v 时其r e s e t 即可输出有效的信号。如图4 5 所示，在本系统 中，该电路可以完成对5 v 、3 3 v 和1 8 v 三种供电电压的监测，并可以对系统 的器件同时进行上电复位和手工复位。 图4 - 5t p s 3 3 0 7 电源监控电路 f i g 4 - 5p o w e rm o n i t o r i n gc i r c u i to f t p s 3 3 0 7 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 4 3 无线收发模块电路设计 由于本系统要求p c 机操作人员不在现场，因此涉及到下位机与p c 机通 信的问题，通常可以通过串口来完成，但是当距离大于3 0 米时串口传输能力 受到限制，而且接口线受现场称重环境的制约，因此考虑采用无线传输的方式 来完成数据传输1 3 ”。由于m o t o r o l a 公司生产的无线收发芯片具有很多优点， 本系统采用无线发射芯片m c 3 3 4 9 3 3 2 】和无线接收芯片m c 3 3 5 9 1 t ”1 来完成。这 两个芯片都有同步串口，兼容s p l 协议可以和c 5 4 0 2 及p i c 单片机很好的匹 配。下面将详细介绍两个芯片的性能和在系统中的应用。 4 3 1 基于1 v i c 3 3 4 9 3 的f s k 发射电路设计 4 3 1 1 发射器功能介绍m c 3 3 4 9 3 采用p l l 频率合成技术，是一个低功耗超 高频发射器。微控制器可以通过串行数字输入引脚来控制发射器选择不同的j ： 作模式。电源电压范围1 9 v - 3 6 v ，可选择工作频段3 1 5 - 4 3 4 m h z 和 8 6 8 9 2 8 m h z ，o o k 和f s k 调制方式【3 4 【3 5 】，待机状态电流消耗低：2 5 0 c 时只 有0 1 n a ，它还可以给微处理器提供数据时钟，仅需外接少数元器件就可搭建 成一个发射模块。 4 3 1 2 射频输出输出是一个单端方波开关电流源。输出电流驱动端提供谐 波。辐射的等级要看天线的特性和输出功率的大小。典型应用遵守e t s i 标 准。接在r e x t 引脚上的电阻r e x t 可以控制输出功率，使发射功率随电流消 耗而变化。 4 3 1 3 调制微控制器通过4 个数字引脚( e n a b l e ，d a t a ，b a n d 和m o d e l 来控制电路，应该在接通电路前就设置好工作频段和调制类型。本系统无线传 输的工作频段在4 3 4 m h z ，且选用f s k 调制模式【3 5 1 ，因此m o d e 引脚上加逻 辑高电平信号1 。这种调制方式通过内部上拉晶体实现。连在c f s k 引脚上的 内部丌关可以负责开关外部晶体负载电容。d a t a 引脚上加的逻辑电平可以控 制内部开关的状态：d a t a = o ，开关关；d a ：r a = l ，开关开。d a t a 输入端在内 部通过参考晶体的信号使它重新取得同步。相应数据占空比的抖动不会超过正 负1 个参考周期。加上拉电阻的办法表明：r f 输出频率偏移等于晶体频率偏 移乘以p l ld i v i d e rr a t i o 。d a i ：a c l k 端的数字输出为微控制器的数据时钟提 供一个参考频率。m c 3 3 4 9 3 的典型时序图如图4 6 所示 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 e n a b l e 厂t _ 一 il d a t a g l k i 七闻搬k j _ 日l 褂t 乳土j 嚏* k h 囝 1 ￥u j i d a t a 广_ r 一一。_ r 一m o d e = oc o o k ) r f o u t 。一 m o d g = i ( f s k ) - - - - - - - - 。l 。- - - - - 。- - - - - - 。一 s u r e l ；s 埘2 s t a t e3 ；s t a l t 0 1 ：p l l 鼬i 州 图4 6 典型应用的时序图 f i g 4 - 6t y p i c a la p p l i c a f i o nt i m i n gd i a g r a p h 4 3 1 5m c 3 3 4 9 3 与d s p 接口设计本系统中我们使用c 5 4 0 2 的串口l 与 m c 3 3 4 9 3 相连，m c 3 3 4 9 3 具有s p i 接口可以与c 5 4 0 2 的串行接口直接相连而 不需要外接其它设备，其硬件连接图如图4 7 所示。数据发送过程是，首先， 写数据于数据发送寄存器d x r ，写入数据后c p u 将数据拷贝到发送移位寄存 器x s r ，产生x i n t 通知c p u 发送完成同时x r d y 置l 。此时发送移位寄存 器x s r l 中的数据在发送时钟c l k x l 的作用下通过d x l 口发送出去。 c l k r l 、f s r l 即可以由内部采样率发生器产生。 图4 7 m c 3 3 4 9 3 与c 5 4 0 2 接口图 f i g 4 7i n t e r f a c ec i r c u i to f m c 3 3 4 9 3a n dc 5 4 0 2 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 4 3 2 基于m c 3 3 5 9 1 的f s k 接收电路设计 4 3 2 1m c 3 3 5 9 1 简介m c 3 3 5 9 1 是一个单片集成接收器，该芯片内含6 6 0 k h z 的中频带通滤波器、完整的v c o 、可消除镜像的混频器、曼彻斯特编码刚钟 再生电路以及完整的s p i 接口【3 3 1 。可用于设计3 1 5 m h z 4 3 4 m h zo o k f s k 接 收电路。 m c 3 3 5 9 1 的射频部分由能消除镜像干扰的混频器、6 6 0 k h z 的中频带通滤 波器、自动增益控制级和o o k f s k 解调器组成。控制部分则包含有数据管理 器、配置寄存器、串行接口、状态控制器等。s p i 接口可对调制方式编程选 择。电路的数据可以从比较器输出，或者在数据管理器使能时从s p i 端口输 出。 由于p l l 环路滤波器己被集成在i c 中，因此实际应用中的元器件数值可 以根据本振参数在p f d 引脚通过一个外部滤波器作略微的改进。可以通过附 加外部滤波器来选择最佳工作状况。锁相环电路增益可以出p g 位编程设置， 该位置为1 时，环路为低增益状态。 典型晶体的频率是： 9 8 6 4 3 7 5 m h z ，3 1 5 m h z 频带； 1 3 5 8 0 6 2 5 m h z ，4 3 4 m h z 频带； 4 3 2 2 串行接口接收机和微控制器一般通过串行外部接口s p i 进行通信。如 果不用s p i 接口，复位端p o r ( p o w e r 0 1 1r e s e o 将设置接收机为默认结构来完成 正确的操作。s p i 接口通过以下三个输入输出端来实现操作( 1 ) 串行时钟 s c l k ，( 2 ) 主控输出受控输入m o s i ，( 3 ) 主控输入受控输出m o s i 。主设时钟 通过m o s i 和m i s o 对数据输入输出进行同步，主设备和从设备可在8 个时 钟周期内交换一个字节信息。操作时由主设备产生s c l k 时钟并输入到从设 备。m o s i 在主设备中被配置为输入，而在从设备中则作为输出线，当主设备 的m o s i 线配置为输出时，它在从设备中又作为输入线。 4 3 2 3 配置寄存器当接收机s p i 由主设( 工作模式) 变为从设( 配置模式) 或者由 从设变为主设时，在模式转换前，先将p c 单片机中的s p i 推荐设置为从设。 在接通电源时，p o r 首先复位内部寄存器，以使接收机系统被设置在默认模 式。在这个配置中，s p i 是不使能的，同时接收机将在m o s i 线上发送原始数 据。实际上，默认配置可使电路作为一个没有外部控制的独立接收机来运行。 m c 3 3 5 9 1 有三个配置寄存器c r l c r 3 。其中配置寄存器i ( c r l ) 控制3 个寄存 器的存取( 读或写) ，主要用于选择载波频率、设置数据调制方式、控制选通振 堕玺堡塑三奎兰三耋堡耋堡篁兰 荡器使能、定义选通比、控制数据管理器使能、定义报头字等。配置寄存器 2 ( c r 2 ) 用于定义识别字的内容。配置寄存器3 ( c r 3 ) n 用于定义数据速率、设黄 混频器增益、控制m i x o u t 引脚的转换、设置相位比较器增益等。 4 3 2 4 接收机的模式通电复位后，接收机一般有三种不同的模式，第一种是 睡眠模式，也就是低功耗模式。第二种是配置模式，用于对内部寄存器进行读 写操作，在这种模式中，s p l 处于从设位置并且接收机被使能。晶体振荡器振 荡为s p i 产生时钟信号。解调的数据可由d m d a t 读出，但是不能通过s p i 发 送。第三种为工作模式，接收机可以等待射频信号或接收信息。 4 32 5m c 3 3 5 9 1 的应用电路作为无线接收芯片，m c 3 3 5 9 l 将数据传给p c 机，但是m c 3 3 5 9 l 无法和p c 机直接相连，本系统选用了微晶公司的 p i c l 6 f 8 7 3 来控制m c 3 3 5 9 1 。p i c l 6 f 8 7 3 将接收到的数据通过异步串行口传给 p c 机p 。p i c l 6 f 8 7 3 与m c 3 3 5 9 1 的连接路如图4 _ 8 所示。该电路在3 1 5 m h z 时应选择9 8 6 4 3 7 5 m h z 晶振，而在4 3 4 m h z 时则应选1 3 5 8 0 6 2 5 m h z 的晶振。 图4 8 m c 3 3 5 9 l 与p i c l 6 f 8 7 3 接口图 f i g 4 - 8i n t e r f a e ec i r c u i to f m c 3 3 5 9 1m a dp i c l 6 f 8 7 3 晴尔滨理t 大学t 学颂士学位论文 4 4 电子秤系统c p l i ) 单元设计 d s p 与a t 2 9 l v 2 5 6f l a s h 和i s 6 1 l v 6 4 1 6s r a m 之间的逻辑转换在前面 的章节已经给出，在此不再重述。在电子秤称重的过程中，有时由于传感器的 原因使显示无法归零，这时需要在装置上设置按键使电子秤上需要用到归零按 键。但是按键有时会带来按键弹跳现象，本章给出了按键弹跳消除电路的设 计。根据系统中c p l d 要完成的功能和性价比的考虑，在系统中选择a l t e r a 公 司的e p m 3 0 6 4 1 3 6 1 。 一般按键的弹跳现象，如图4 9 所示虽然只是按下按键一次然后放掉，结 果在按键信号稳定前后，竟出现一些不该存在的噪声，如果将这样的信号直接 输入，结果将可能发生误动作。 图4 - 9 弹跳信号现象 f i g 4 - 9p h e n o m e n o no f b o u n c es i g n a l 系统设计如图4 1 0 所示弹跳消除电路。 k y c l k 图4 - 1 0 消除弹跳电路 f i g 4 1 0c i r c u i to f e l i m i n a t eb o u n c en o i s e 将按键信号先引至k r y 脚，其中c l k 是该电路的时钟脉冲信号( 约为 8 m s 左右，可由c p 信号分频得到) 。k e y 信号经过两极的d 触发器延迟后， 然后再用r s 触发器作处理。 图4 1 1 为仿真时序图。 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 咖k e y 。01 几 r il 厂if 咖c l k 0 n 几几几几r 几几几几n 几几厂r r 厂 门几厂1 几 雷k e y o u t 1 i 图4 - 1 1 按键弹跳消除仿真时序图 f i g ，4 11b o u n c i n gk e yn o i s es i m u l a t i o nt i m i n g 若逻辑关系和实现的功能复杂时c p l d 的编程一般多用v h d l ( v e r yh i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl 趾g u a g e ) 来实现。 4 5 系统硬件抗干扰技术 影响测控系统可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电 气干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件 等。这些因素对测控系统造成的干扰主要表现在以下两方面p ”。 1 数据采集误差加大干扰侵入微机系统测量单元模拟信号的输入通道， 叠加在有用信号之上，会使数据采集误差加大，特别是传感器输出微弱信号 时，干扰更加严重。一般微机输出的控制信号较大，不易受到外界的干扰。但 微机输出的控制信号常依据某些条件的状态输入信号的逻辑处理结果。若这些 输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信号，将导致输出控制误差加大，甚 至控制失常。 2 数据受干扰发生变化微机系统中，由于r a m 存储器是可以读写 的，因此在干扰的侵害下，r a m 中的数据有可能被篡改。在单片机系统中， 程序及表格、常数存于程序存储器f l a s h 中，避兔了这些数据受干扰破坏。 但是，对于内r a m 、外扩r a m 中的数据都有可能受到外界干扰而变化。根 据干扰串入的途径、受干扰数据的性质不同，系统受损坏的情况也不同。有的 造成数据误差，有的使控制失灵，有的改变程序状态，有的改变某些部件( 如 定时器计数器、串行口等) 的工作状态等。 4 5 1 印刷电路板的布线原则 印刷板是整个电路设计的重要环节，因此布线方法对抗扰性能有直接影 响，前面叙述了一些布线原则，此处再补充一些其它走线方式及原则。 a 导线间距离要尽量加大。对于信号回路，f i 届u 铜箔条的相互距离要有 哈尔滨理1 ：大学t 学砸+ 卜学位论文 足够的尺寸，而且这个距离要随信号频率的升高而加大，尤其是频率极高或脉 冲前沿十分陡峭的情况更要注意。因为只有这样才能降低导线间分布电容的影 响。 b 采用隔离走线，即在两条信号线中间加一条接地的隔离走线。 c 短接线。在线路无法排列或只有绕大圈才能走通的情况下，干脆用绝 缘飞线直接连接。 d 对干印刷板上容易接收干扰的信号线，不能与能够产生干扰或传递干 扰的线路长距离范围内平行铺设。必要时可在它们之间设置一根地线，以实现 屏蔽。 e 对干双面布线的印刷板，应使两面线条垂直交叉，以减少磁场耦合， 有利干抑制干扰。 f 高电匪或大电流线路对其它线路容易形成干扰，而低电平或小电流信 号线路容易受到感应干扰。因此，布线时应使两者尽量相互远离，避免平行铺 设，采用屏蔽等措施。 g 交流与直流电路分开；输入阻抗高的输入端引线与临近线分开；赢电 压、大电流的输出线与临近线分开：输入、输出线分开。这样做的目的是为了 防止“窜犹”。 h 所有线路尽量沿直流地铺设，尽量避免沿交流地铺设。 i 尽量减小电源线走线的有效包围面积。 i i 在印刷板上尽最避免开1 2 1 或丌槽，特别是地线层或靠近电流走线处。 开口或开糟可能会增加电源路径有效包围面积。 k 走线不要有分支或缠结，这样可避免在高频信号时会导致反射干扰或 发生谐波干扰。 1 不要在印刷板上留下空白铜箔层，因为它们可以充当发射天线或接收 天线，因此可将它们接地。 4 5 2 配置去藕电容 当印刷扳上集成电路有些元件耗电较多时，地线上会如现很大的电位差。 抑制电位差的方法是在各集成器件的电源线和地线间分别接入去耦电容。电源 去耦并接的电容一般为一个大容量的电解电容( 1 0 l o o p f ) 和一个0 0 1 0 1 u f 的 非电解电容，滤除高频干扰和低频干扰两部分。集成芯片去耦原则上每个集成 芯片都应该安置一个o 1 u f 的陶瓷电容器。 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 4 5 3d s p 抗干扰技术 本系统中d s p 电路的工作频率高，还要与模拟器件一起进行数模混合设 计，因此对电路板的要求很高。在成本允许的情况下应采用多层印刷板，其中 层是数字地，一层是电源，电源的布线也应该宽大，电源的过孔应加多加 大，减少电源线上电阻。 无论电路板上是否有专门的地层和电源层，都必须在电源和地之间加足够 的并且分布合理的电容。大电容通常为电解电容，一般在电源地的接入端布放 一部分多种阻值的电容，在将其余的大电容均匀放在电源和地的主干线上：。在 每个中小规模集成电路器件的附近应分布一个0 川0 1 u f 的小电容，在每片 d s p 周围应放足够的电容，d s p 应在四边上各布放一个o 0 2 u f 左右的电容， 为了节省空间减少通孔数，建议使用贴片电容。大小不同的电容分别滤去不同 频率的噪声：1 1 0 u f 滤除5 0 h z 噪声；0 o l 0 0 1 i l f 滤除1 0 0 h z 噪声。 对于板上的重要信号线，如高频率的时钟信号要尽量短，线应宽；不同时 钟、信号避免平行走线；高频时钟应更好的去耦；时钟和其它翻转速度较快的 信号线应注意信号线延迟和信号反射问题。 走线拐角尽可能大于9 0 度，杜绝9 0 度以下的拐角，也尽量少用9 0 度拐 角。同是地址线或者数据线，走线长度差异不要太大，否则短线部分要人为走 弯线作补偿。 d s p 和a d 的接口电路属于数模混合电路，数字电路产生的数字开关噪 声振幅较大，对模拟电路的影响也较大，常规的设计方法有：数字电路和模拟 电路分别使用不同的电源；模拟器件附近不能有数字开关电源；设计单独的模 拟地和数字地；数字器件和模拟器件的信号线分开布放；模拟地和数字地只能 有一个共接点。 以上方法在实际使用中应具体分析、灵活应用。对于高速电路板还可能要 在电路调试阶段借助高速测试仪器，测量并分析实际电路的信号波形，再采取 相应的措施。 4 6 本章小结 本节讨论了数据采集电路中交直流转换电路设计及芯片的直流供电没计， 设计了无线传输模块与微处理器的硬件电路。为使系统正常工作，详细介绍了 系统中的硬件抗干扰技术。 哈尔滨理r t 大学1 二学硼：l 学位论文 第5 章系统相关算法及软件设计 5 1 非线性校正技术 称重控制器的线性度是标志称重仪器精度的重要指标。在电子秤称重控制 器中，由于传感器、放大器等测量系统的非线性度，致使输入值( 被测量值) 与 输出值( 显示值) 之阊不是严格的线性关系，会严重影螭称重仪器的麓度。 为了实现传感器的输入一输出特性是一条直线，也就是说在测量范围内传 感器的灵敏度是一不变的常数。单单从传感器本身的设计方面以及从电路环节 精心设计非线性电路，需要花费大量的人力和物力而效果常常不理想。电阻应 变式称重传感器使用时，并不在意系统前端的传感器及其调理电路至a d 转换 器的输入一输出特性有多么p 。重的非线性。如图5 - 1 ( a ) 所示，通过程序和算法 可以使传感器的输出按图5 1 ( b ) 所示的反特性曲线特性进行刻度转换，输出系 统的被测输出值，使输出y 与输入x 满足系统精度要求的直线关系。如图5 - 1 ( c ) 所示。就是说，通过系统的软件可以对传感器的非线性进行自动校正。这 种功能对系统的要求就是传感器及其调理电路的输入输出特性( x - u ) 具有重复 性。 一般来说，校正传感器的非线性有三种常用的实现方法田i t ”l ：查表法、曲 线拟合法和神经网络法1 4 1 j 。查表法具有较快的速度，但对系统函数，( x ) = o 有 多个解的情况下误差较大。曲线拟合法可以较快的求解系统的方程，但当系统 有噪声存在时，可能会在求解方程时遇到矩阵病态情况，而使求解受阻。效果 较为理想的方法是函数链神经网络法。 o x j ( a ) 哈尔滨理工大学1 = 学硬i 学位论文 对传感器及其调理电路进行静念试验标定的校准曲线。标定的数掘为： 输入x ，：一，x 2x 3 ，x 。 输出“：“i ，掰2 ，帮，甜h 假设反非线性特性拟合方程为 x i ( “，) = d o + d l “，+ a 2 t 1 + 0 3 坼。+ + g n u ，” ( 5 - 1 ) 假设神经网络的神经元是线性的，函数链神经网络的输入值为1 ，“，“，2 ，“3 m ，为静态标定试验中获得的标定点输出值。函数链神经网络的输h 值为 z ，“( t ) = “。，( t )( 5 - 2 ) 式中：蕾“为输出估计值，将宣“估计值与标定值x ，进行比较，经神经网 络学习算法不断调整权值( = o ，l ，2 ，月，厅= 3 ) ，直至估计误差k ，( o ) 】的均方 值足够小，估计误差为： e ，( t ) = x ，一x ，“( t ) ( 5 - 3 ) 权值调节式为： 眵( t + 1 ) = ( ) + 耽8 。( 女) - ( 5 - 4 ) 式中：x “( ) 第k 步神经网络输出估计值： x 第1 个标定点输入值，也是神经网络的第1 个期望输出值； e 估计误差，第k 步神经网络输出估计值与期望输出值之差； 渺，( t ) 第k 步时，第i 个连接权值； 材一学习因子，它的选择影响到迭代的稳定性和收敛速度。 当权值调节趋于稳定时，所得权值为，：w o ，彤，职，畎，即为多项式特定常 数a o a 3 ：a o = w o ，a l = 嵋，口2 = ，a 3 = 权值的初始值为一随机数，即随机设定。当然，需要根据传感器的实际特 性来确定。将学习完毕后的神经网络和原来的传感器系统相串联，就构成可以 进行非线性校正的电阻应变式称重传感器系统。如图5 1 所示。 具体做法是：采用函数链神经网络，将传感器的电压输出v 视为神经网络 的输入“，将、弼、致和磁作为神经网络的权值。这样神经网络的输出 x ”7 即为传感器相应的待测重量。将传感器的一组输入输出数掘对顺序地加到 神经网络，用学习迭代法对权值进行修正，学习过程多次进行，直至神经网络 输出值的估计误差均方根值( m s e ) 达到一个足够小的值，此时，学习过程结 n 杈值即传感器特性l | l j 线表达式中的相应系数。 - & 5 1 为电阻应f 武最景传感器的标定值数据对，分别用上述函数链神 经网络法进行曲线拟合。 鉴玺鎏墨三叁兰三兰堡圭兰竺鎏塞 表5 - l 传感器的标定值数据对表 电压( m v ) o 8 31 5 2 2 4 83 r 3 l4 ，1 04 9 45 7 96 5 9 重最( k g ) 4 08 0 1 2 01 6 02 0 02 4 02 8 03 2 0 重量：y = 一5 7 9 5 + 1 6 5 9 6 x 一6 7 7 0 x 2 + 1 1 9 7 x 3 5 2 数字低通滤波软件设计 采用数字滤波器进行滤波，可以通过计算机执行- - d , 段相应程序即可实 现。本动态称重系统采用数字滤波作为主要的滤波手段。 影响数字低通滤波器的几个主要因素是：采样频率、截止频率、延时要 求。数字滤波器根据结构分为无限脉冲响应滤波器( i i r ) 和有限脉冲响应滤波器 ( f i r ) ，i i r 型滤波器是一种反馈型滤波器，而f i r 型滤波器是一种非反馈型的 滤波器。本文采用三阶f i r 滤波器，并给出了d s p 实现的实现方法。 1 f i r 滤波器f i r 滤波器具有以下优点： ( 1 ) 不仅能够保证幅度特性的随意设计，而且还能傈证精确、严格的线性相 位： ( 2 ) f i r 滤波器是一个单位脉冲冲击响应h ( n ) ，它是有限长度的序列，所以 f i r 滤波器没有不稳定问题。 ( 3 ) 由于f i r 滤波器一般为非递归结构，因此在有限精度运算下，不会出现 递归结构中的极限振荡等不稳定现象，误差较小。 f i r 差分方程的表达式为：y ( ) = a t ( n j ) 直接型f i r 滤波器的结构框图 如图5 - 2 所示 图5 - 2f i r 滤波器的结构框图 f i g 5 - 2s t r u c t u r ef r a m eo ff i r f i l t e r 通过f i r 的结构图和差分方程可以看出f i r 滤波器实际上是一种乘法的累 加运算，对不同时刻的输入乘以加权系数，然后各项相加，不断移位输出，这 一些尘堡矍三奎兰玉兰窭：! 兰堡篓圣 样就得到了滤波器的输出结果。 2 f i r 滤波的d s p 实现观察f i r 滤波器结构可知，f i r 滤波器是通过f 来实现延时、移位的，因此用d s p 实现滤波器时，主要是如何实现z “和实现 乘加运算 4 ”。本系统用的是循环缓冲区方法来实现z o 的。 若采用循环缓冲区方法实现n 级f i r 滤波器，必须在存储器中丌辟一个 称为滑窗的缓冲区，其中用来存放最新的n 个输入样本。这种方法在每次输入 新的样本时，以新样本替换缓冲区中最老的样本，不需要移动其它的数据。这 里需要利用片内的缓冲长度寄存器b k 对窗体进行间接寻址。 图5 3 说明了使用循环缓冲区实现f i r 滤波器的方法。为了能正确的使用 循环寻址，必须先初始化b k ，块长度为n 。同时，数据缓冲区和f i r 滤波器 的系数的刀：始地址必须是大于n 的2 的最小次方的倍数。例如n = 1 2 ，那么数 据缓冲区的第一个地址应是1 6 的倍数即2 4 ，f ：始地址的最低4 位必须是0 。 低位地址 高位地址 h ( n - 1 ) h ( n 一2 ) h ( 1 ) h ( o ) 最早输入值 最新输入值 最初采样值最后采样值 x n - ( n - 1 ) 】 x n - ( n 一2 ) x ( n 一1 ) x ( n ) 图5 - 3 循环缓冲l 蔓实现f i r 滤波器 f i g 5 - 3c i r c u l a t i o nb u f f e rf o rf i rf i l t e r 上图中，滤波器系数指针初始化时指向h ( n 1 ) ，经过一次f i r 滤波计算 后，在循环寻址的作用下，仍然指向h ( n 一1 ) 。而数据缓冲区指针指向的是需 要更新的数据。在写入新数据并完成f i r 运算后，该指针指向x ( n 一( 一1 ) ) 。 所以，使用循环寻址可以方便完成滤波器窗口的自动更新。在c 5 4 x 中，f i r 滤波器的实现，有特殊的指令，非常简巾。下面给出实现三阶f i r 滤波器的部 分程序： t 车幸卑女t 卑卑卑丰年卑卑卑聿卑丰+ 卑幸聿女幸 章+ 幸车 卑幸幸十