（机械电子工程专业论文）基于armuclinux的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发.pdf

基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的 新型智能仪表的开发 摘要 动态称重技术具有称重精度高、速度快的优点，在许多生产部门 有广泛的应用。本文所涉课题对实验室现有的动态称重系统的仪表进 行了改造和升级，为其增加了条码识别和以太网接入两个主要功能， 开发出了一款新型智能仪表，在邮政部门的业务结算中用来快速稽核 大宗邮件的名义重量。 本文以嵌入式技术为平台，根据智能仪表不同功能模块的处理特 点，有针对性地利用a r m 微处理器提供的多种硬件资源，u c l i n u x 操作系统提供的多种b h 和锁机制，解决了实际出现的问题。 本文以邮件称重和条码识别两个功能模块作为重点，兼顾其他模 块，介绍了新型智能智能仪表的软件和硬件设计。并展示了课题最终 的成果，达到了预期的设计要求。 关键词：动态称重条码识别智能仪表a r mu c l i n u xm i n i g u i d e v e l o p m e n to fp o s t a lw i mi n t e l l i g e n te q u i p m e n t b a s e do na r m u c l i n u x a b s t r a c t w l m ( w e i g h t - - i n m o t i o n ) t e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nm a n yf a c t o r y a p p l i c a t i o n s ，f o ri t sa d v a n t a g e so ff a s ta n dp r e c i s ew e i g h t i n g r e s e a r c hi n t h i sp a p e rm a k e st w om a j o rf u n c t i o n a lp r o m o t i o n s ，w h i c ha r eb a r c o d e s c a n n i n ga n de t h e m e tc o n n e c t i n g ，t ot h ee q u i p m e n to fap o s t a lw l m s y s t e mi nl a b o r a t o r y , t oo b t a i nan e wt y p eo fp o s t a li n t e l l i g e n te q u i p m e n t ， w h i c hw i l lb eu s e df o rr a p i d l yc h e c k i n gt h en a m i n gw e i g h to fp o s t a l i t e m si nl a r g eq u a n t i t i e s b a s e do ne m b e d d e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c hm a k e su s e o fv a r i o u sh a r d w a r er e s o u r c e sp r o v i d e db ya r ma r c h i t e c t u r e ，a n d d i f f e r e n tb ha n dl o c km e c h a n i s m st os o l v ed i f f e r e n tt e c h n i c a lp r o b l e m s ， c o n s i d e r i n g d i f f e r e n tf u n c t i o n a lm o d u l e sh a v ea l t e r n a t i v e p r o c e s s i n g r e q u i r e m e n t s a m o n gw i t ho t h e r s ，p o s t a l i t e m w e i g h t m o d u l ea n db a r c o d e s c a n n i n gm o d u l ea r ed i s c u s s e de m p h a t i c a l l yt oi n t r o d u c et h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g no ft h en e wi n t e l l i g e n te q u i p m e n t a n dt h eo u t c o m ei s s h o w na tt h ee n do ft h i sp a p e r , f o r mw h i c hw ec a ns e et h ed e s i g n sw e l l m e e tt h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：w e i g h t i n m o t i o n ，a r m ，u c l i n u x ，i n t e l l i g e n te q u i p m e n t ， b a r c o d es c a n n i n g ，m i n i g u i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮 电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担 本人签名： 日期： 一切相关责任。 训s j 一弓| 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用 影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保 密论文注释： 本人签名： 导师签名： 范围，适用本授权书。 日期：鲨墨二圭三 日期：z ! 兰二主二； n 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 第一章动态称重技术的概况 1 1 动态称重的概念和意义 重量是人类生产生活中的重要物理信息，充斥在生产生活的每一个角落。随着国民 经济的发展和社会节奏的加快，人们常常希望在正常作业的同时对物体进行称重。动态 称重技术( w e i g h i n - m o t i o n 简称w l m ) 便应运而生，其应用范围日益广泛。 这一技术，最早出现在矿山的生产作业中，人们希望在利用传送带将矿石或煤炭等 散料进行撞车的同时，称算出传送皮带上输出的散料的总质量。在原理上利用到了力学 中的悬索原理工作的。皮带的力不平衡关系介于弹性静不定和柔性悬索之间困皮带横 向能力小，则更接近于悬索状态，故皮带秤的计量是以线分布密度代替体分布按流量进 行测量的。在时间t 内输送量w 可表达为： 形= j ：g ( f ) y ( t ) d t 式( 1 1 ) 式中：q ( t 卜一单位长度上皮带机瞬时物料重量：v ( t ) - - - - - 皮带机带速【。 随着动态称重在工作效率上优势的体现，这一技术被迅速推广到国民生产各部门。 例如，在港口吞吐货物的计量中，为不影响装卸速度，常常要求货物在输送或吊运过程 中同时完成称量；在轧钢厂中，从配料加热到轧制成材是一个连续作业，为掌握加热过 程中的烧损率和产品成材率，要求在不干扰正常生产的同时，对钢材进行快速或短时称 量；在铁路运输上，列车保持行驶的状态缓慢通过轨道衡，即可称量出每节车厢货物的 运载重量，而无需停车等待。 虽然在各行业中动态称重有不同的技术发展要点，但我们仍然可以归纳出以下两 点，它们是动态称重技术与传统的静态称重本质的区别： 被测对象处于非静止状态，即被称重物体在运动。如港口、矿山中货物的装卸两例； 称重完成前，系统处于动态( 或者说是瞬态) 变化之中，称重信号没有达到稳态。如 钢厂轧钢和轨道衡两例。 鉴于高速高精度称重对各行业的重要性，我国如同世界各国政府一样，为动态称重 技术的发展都倾注了大量的人力和物力。而科技的发展，也给这一技术带来了活力。 1 2 动态称重技术的国际发展动向 动态称重技术是一项复杂的技术，涉及到机械、电子、材料、信息和计算机等多个 学科的综合应用。它的发展尤其以称重传感器和称重仪表的发展为标志。 1 2 1 称重传感器的发展 上世纪9 0 年代以来，由于微电子技术、微机械加工技术的飞速发展，使得敏感元 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发 北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 件、转换元件和信号处理电路实现了一体化，并以此为基础研制出了具有复合敏感功能、 自检自校自诊断功能、自补偿和计算等功能的传感器。因而，专家们认为。传感器的发 展动向为小型化、集成化、智能化和多维化。尽管这些发展动向不完全适合应变式称重 传感器，但对我们研制新产品，特别是数字式智能称重传感器具有一定的指导作用。根 据对国外称重传感器发展情况的分析和产业界对称重传感器的要求，称重传感器的发展 动向有如下几点。 1 世界各国称重传感器的竞争，主要是制造技术和制造工艺的竞争。谁要掌握了 现代制造技术和先进的制造工艺，谁就能在规模生产中提高教率、降低成本、稳定质量、 控制市场。较有代表性的制造技术和制造工艺主要有：采用柔性制造技术加工弹性元件； 用机械振动法代替热处理法，通过共振时效释放和消除残余应力；采用新型的淬火液( 如 p a g 水溶性淬火液) 提高铝合金弹性元件金相组织和尺寸的稳定性。从而提高传感器灵 敏度和零点的稳定性；高效智能电路补偿与调整工艺；快速测试与检定工艺等。 2 称重传感器共性的基础技术与工艺、基础元器件的研究与开发，主要攻关方向 是：改进弹性元件材料，特别是铝合金和不锈钢材料，研究开发恒弹性合金钢；生产适 合称重传感器用的高质量电阻应变计。加强对蠕变自补偿和弹性模量自补偿应变计的研 究与开发；开发防潮密封性能好、长期稳定性高的防潮荆和密封胶；采用新型的补偿元 器件及焊线引线材料，如各种高精度高稳定度补偿电阻、柔性焊线板、自粘端子等。 3 整体型数字化智能称重传感器和分离型数字化智能称重传感器系统。这是9 0 年 代称重传感器的技术热点。其指导思想、结构原理和应用技术，值得认真研究和吸取。 4 称重传感器的结构向着紧凑小型化和低外形方向发展。 1 2 2 称重仪表的发展 称重仪表是电子衡器的重要基础部件，它直接影响电子衡器的功能和性能，反映称 重系统的技术水平。随着微电子技术的发展和微型计算机技术的广泛应用，称重仪表的 功能不断增加，准确度、稳定性和可靠性都有所提高。开发出一些功能较全、性能较好、 稳定耐用的高、中、低挡产品，促进电子衡器的发展，这是近几年来称重仪表生产厂家 紧紧抓住功能、性能、抗干扰能力开展研究攻关的结果。提高称重仪表的性能，往往需 要采用低漂移高增益的放大器，高分辨率的a d 转换器，运算能力更出众的中央处理 器，电可擦只读存储器和不易丢失随机存储器等。并尽量采用集成度高的器件，尽量减 少硬件，将大量软件存储在少量的芯片上，并采用印刷电路板表面安装新技术。由于体 积缩小、元器件减少、焊点和引线成倍减少，使得工作可靠性有较大的提高。 保证称重仪表在工作中具有较高的稳定性、可靠性和抗干扰能力，最关键的问题是 完善生产过程中的检测和试验手最。必须进行高温老化处理和辐射电场、磁场等干扰试 验，最好能进行振动试验。 称重仪表是基于电子称重技术和电子衡器的快速发展的促进和牵引，随着微电子技 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 术和计算机技术的进步而发展起来的。根据电子衡器的发展方向，预计今后几年对称重 仪表的发展主要有下述几方面。 1 小型化，但不减少功能 小型或微型称重仪表主要用于小型生产设备和移动的称重系统中，如定量包装秤、 叉车秤、车载秤等；也可用作大型称重系统中与计算机配套的部件。我国深圳杰曼科技 有限公司已开发出的g b 8 8 0 2 型称重仪表就属于此类。它采用了交直流两种供电方式， 尺寸只有1 4 0 x1 0 0 x2 5 m m 。 2 功能多，且接口丰富 称重仪表的功能大部分是用软件来实现的。除一般应具备的功能外最好还要有量 程自动校准、开机自检和故障诊断等功能。为了便于与计算机通信，应配有各种输出接 口供选用，如r s - - 2 3 2c 、r s 一4 8 5 或r s - - 4 2 2 a 、b c d 并行码、模拟量( 4 - - 2 0 m a ) 以及继电器接点输出等。这些丰富的接口为实现计算机仪表和管理创造了条件。 3 技术性能向高速度、高准确度、高稳定性方向发展 称重仪表的性能可达到：非线性优于o 0 1 ，灵敏度优于o 2uv d ，a d 转换的速 度一般为1 0 - - 3 0 次秒，用于动态秤量可达5 0 0 次秒。不少称重显示控制器采用了差分 输人电路，提高了抗共模干扰的能力。 4 专用型称重仪表的需求量将有较大的提高 诸如定量包装秤、重量分选秤、配料秤、静动态便携式轮( 轴) 重秤等专用的称重仪 表，又如论文所述智能仪表。 5 增加专用功能 在提高准确度和稳定性，确保显示功能和称重功能的同时，有些商用仪表应增加确 保计量性能、维护消费者利益的专用功能，诸如：起始零点的设定、动态的判别、防止 作弊、互锁禁止、超差报警等功能。本文所述的邮用称重仪表就具有专为邮政生产开发 的条码识别功能。 6 价格较低的动态称重仪表可能成为一个研制开发热点 为了保证性能，不减功能，降低成本，多采用模数转换新技术，既具有高速 a d 转换器的转换速度又保持了很高的分辨率，同时也提高了稳定性和可靠性。上 海唐衡电子有限公司研制生产的t 9 9 2 1 型双显快速动态称重仪就是应用了这项新技 术其快速高精度型a d 转换器的转换速度 5 0 0 次秒，内都分辨率为1 0 0 0 0 。 该仪表的称量精度静态i i i 级，动态0 5 - 0 2 。 总之，称重仪表在性能上向着高速度、高准确度、高稳定性、多功能、接口丰富， 便于与计算机通信等方向发展；在品种上，专用型称重仪表、动态称重仪表、称重用计 算机及配套称重显示器将有所增加：在结构上，向着小型化方向发展 2 1 。 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发 北京邮电大学2 0 0 8 级硕上毕业论文 1 3 我国动态称重技术的现状 综观我国电子衡器的发展，经历了从最初6 0 年代初期的机电结合型发展到现在的 全电子数字型的过程；称重技术的发展从静态称重逐步向动态智能称重的方向发展。但 就总体而言，目前我国电子衡器产品还存在着诸多的弊病，从而制约了高端技术产品的 发展和与国际接轨。具体表现如下：低价位产品竞争，使企业过多地追求数量。现有的 动态电子衡器，忽略了技术与工艺的先进性，市场缺少高端技术产品；高速动态称重技 术的研究与应用，缺乏占领技术前沿的开发能力，功能不全、稳定性较差；缺少高质量、 高可靠性、高端技术的高速动态称重仪表；缺少快速动态响应的高精度称重传感器，造 成高速动态称重技术无法突破；高速动态理论基础研究不扎实，目前多数还停留在实验 阶段，缺少先进实用的高速、高精度的动态数据处理应用软件技术；由于动态检测手段 不齐全，造成标准、规程的执行无法与国际接轨，更谈不上产品技术赶超世界先进水平。 当今世界的三大技术传感器、信息、计算机技术在衡器行业已得到了广泛的应 用，为动态称重技术的发展打下了良好的基础。以提高动态称重准确度、称重速度和可 靠性为目标，国内一些较有实力的大专院校、科研院所己开始介入新一代动态称重技术 的发展领域，一些较著名的独资、合资或骨干企业通过数年的引进技术已具备了较强的 创新能力，为动态称重的发展做出了人才和技术的储备。我国高速动态称重技术及装备 的发展势在必行【3 l 。 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发 北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 第二章课题的来源 2 1 称重技术在邮政领域的应用 邮件的重量在邮政生产中有特殊意义，它不仅关系到邮政部门对客户邮资的收取， 还是与其它部门的财务结算的依据，因此邮件称重技术的准确性、可靠性和速度，关系 到邮政生产的效益和效率，是各国邮政领域长期关注的核心技术问题。 在邮政生产的不同领域，人们采用不同的称重技术，以适应不同应用环境的特殊需 要，静态称重技术和动态称重技术各自都占有一席之地。以电子台式称为代表的静态称 重技术，适合类似于邮政局的业务前台这样的使用环境，它面向小重量邮件和低频度称 重的应用，具有相对较高的精度和部署方便等特点。 而邮政动态称重领域则使用电子皮带秤技术，在后续章节中不再区分邮用动态秤和 邮用皮带秤。它具有邮件传送和称重两种基本功能，它面向大批量邮件的快速称重，具 有大量程，自动化程度高的特点，和相当的精度。它能够部署在邮件分拣流水线中，在 邮件通过秤架的同时获得其质量信息而不耽误其他工作。但是由于称重的对象多为邮 袋、包裹，不能够像散料那样连续平缓上称，所以称体会经受相对较大的冲击载荷，这 使得邮用动态称重系统具备称重对象运动和瞬态称重两个特点。 2 2 课题的背景 很不幸的是，任何行业和部门无论采用何种技术，对物体进行称重，其测得值与真 实值之间都必然出现误差。这个误差有时在设备精度范围之内，有时会变得很夸张，成 为错误。误差不可避免，而错误产生的原因可能是技术原因，如不同的精度，设备的老 化；也可能是人为原因，如误操作。 鉴于邮件重量的准确性对部门邮政生产乃至整个行业的重要意义。我们有必要对通 过其他途径获得的邮件重量信息进行核实。在对邮政部门与航空部门业务结算环节的调 研发现，虽然交易双方的称重系统或设备在精度上有一定差距，单个邮件( 货物) 的称 重结果出入较小，但对大宗邮件( 货物) 进行称量时，出入会得到积累，从而引起双方 业务上的纠纷。 2 3 课题的目标 为解决这个实际问题，笔者所在北京邮电大学物流工程实验室开展了“新型邮用动 态称重仪表的研究和开发”的课题。该课题的目标是升级改造实验室现有的邮用动态秤 量系统的称重仪表，使其具备邮件重量的稽核功能，以确定其他来源的邮件重量信息的 可靠性。要求系统的称重精度和处理速度以不低于原有系统为前提，并且要在技术上兼 顾当今称重仪表的发展趋势，具有一定的前瞻性。 基于a r m - u c i i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发 北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 2 4 课题的技术基础 本课题以实验室现有的邮用动态称重系统为基础，保留了其称重传感器、邮件传送 机构和控制柜等机械结构和设备，对称重仪表进行了革命性的改造，为其加入了许多新 功能，并进一步导致了整个称重系统架构的变化。为后续章节说明方便，于此对现有系 统的架构以及某些环节加以简要说明。 实验室现有的邮用电子动态称重系统采用“p l c 传送控制一仪表称重显示的结构， 如图2 1 。 图2 - 1 传统邮用动态称重系统的结构 邮件的传送机构由上称传送台、下称传送台和称重传送台组成。每个传送台上都设 有由交流电机驱动的传送带。称重传送台上安装有称重传感器，无论何种原理，邮件在 通过称重台的时候都会改变它的某一方面物理参数，并以电信号的形式输出。 在邮用动态称重系统中，需要光电开关检测邮件的位置。光电开关( 光电传感器) 是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路， 从而检测物体有无的。光电开关按照检测原理分为漫反射式光电开关、对射式光电开关、 槽式光电开关、光纤式光电开关，和课题用到的由神视株式会社出品的s u n xc 2 9 型 镜反射式光电开关。光电开关集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经 过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测 开关信号。完整的称重系统至少需要配三副这样的开关，用以支持p l c 对邮件传送机 构的控制。第- - n 光电开关设置在称重传送台的前端或上称传送台的末端，邮件经过时 遮挡了反射光路，光电开关从通的状态转变为断的状态，输出电平由高而低，这一信号 被p l c 获取，用以通知仪表启动采样。同样，第二幅光电开光设置在称重台的末端， 用于采样的结束。第三幅设置在上称台上，第一幅开关之前，作为警戒用。在一个称重 周期内，如果第一幅开关已触发过第二幅未触发时，警戒光电开关触发了，那么说明此 时上一邮件未称重结束，又有新件即将上称。 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发 北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 p l c 是p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 可编程逻辑控制器的缩写。p l c 是一种固态 电子装置，主要利用输入输出装置的回授信号及储存程序，控制机械或程序的操作。 p l c 是以微处理机为基础，综合了计算器与自动化技术而开发的工业控制装置，这种 控制器按照i e c 国际标准的定义是可程序逻辑控制器又称为p c 或p l c 。这种装置， 内部储存预先编写相应的程序，待输入输出连接完成之后，p l c 运行这个程序，便可 自动完成预定的操作，属于一种程序记忆型的电子控制装置，亦可视为一般的继电器或 定时器、计数器等集合体。在工厂自动化( f a ) 系统中，p l c 因为具备价格便宜、系统 稳定及环境适应性佳的特点，故一直为自动化业界所采用。实验室的邮用动态称重系统 采用松下电工出品的f p g c 2 4 r 2 4 型p l c 作为控制核心，控制各电机传送线上不同传 送台的电机的启停。它接收来自光电传感器的开关信号，可以判断出传送带上正在称重 和即将上称的邮件的数量，以此决定是否关闭称重环节之前的上称传送带，来避免多个 邮件同时上称这种情况的出现。另一方面，p l c 需要通知称重仪表何时开始信号采样， 整个采样又再何时停止，以保证采样信号的有效性。 称重仪表为梅特勒托利多( 常州) 称重设备系统有限公司出品的p a n t h e r 2 0 0 0 l 7 0 0 型工业称重终端。该仪表必须接受p l c 的控制，在规定的时段内对传感器输出信 号进行检测与采集，并完成信号处理和邮件重量计算的工作。同时具备一定的人机交互 功能，为仪表的校准和错误诊断提供了支持。该称重仪表包括放大、滤波、a d 转换、 数字信号处理、称重结果l e d 显示等环节。由m c u 单片机技术为核心的微电子技术实 现，还用到了集成有信号放大功能的模数转换芯片、r a m r o m 存储芯片和l e d 驱动 芯片等电子器件。 称重仪表与p l c 可编程逻辑控制器通常在同一的控制柜内。为了便于整个系统的 维护，控制柜内布置有台式计算机，计算机中安装有p l c 的编程和编程软件，甚至控 制柜的布线资料，在正常的工作状态下此计算机无需开启运行，所以在图中没有显示。 控制柜有3 8 0 v 和2 2 0 v 两路电力输入系统，内部设计有a c d c 交直流电源转换模块， 具有向电机、光电开关、p l c 、称重仪表和维护用计算机配电的功能。 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 第三章智能仪表的总体设计 3 1 新型智能仪表的功能和指标 新型智能仪表的设计目标是通过对邮件进行高精度称重，以实测结果稽核其他来源 的邮件质量信息在后续的章节中，笔者名义重量来以称呼外来质量信息因此， 如何获得邮件的名义重量信息，是课题设计中必须解决的问题。 当前，我国邮政部门为提高行业的运营效率和服务质量，致力于邮政业务网络系统 的信息化建设。其他部门( 比如民航系统) 的业务系统大都通过i n t e r a c t 实现了与邮政 业务系统之间的互联，包含邮件重量在内的业务信息可以实现共享。不难想到，只要能 将新型智能仪表纳入邮政业务网络，便可以获得邮件的任何信息，自然也包括名义重量。 接入邮政业务系统网络之后，称重仪表即可查询邮件的名义重量。但是还有一个前提， 就是仪表必须知道当前的邮件是哪一个，必须对邮件进行识别。在邮政生产中，人们普 遍利用条形码标识邮件。于是，新型智能仪表从总体上可以分解为如下几个功能模块： 邮件称重功能模块：量程不小于4 0 k g ，绝对误差不超过4 0 9 。该指标参考实验室现 有的称重系统精度得到。 条码识别功能模块：能够识别1 2 8 码或2 5 码等常用邮码。 名义重量查询功能模块：通过i n t e r n e t ，访问邮政业务数据库。 人机交互功能模块：2 0 键小键盘输入，l e d 重量显示，l c d 图形界面。人机交互 功能是操作和维护基础，也是智能仪表开发的一个要点。 3 2 各功能模块的设计方案 3 2 1 邮件称重模块的实现方案 称重功能的实现必须基于对称重传感器输出的称重信号的特性有一定的认识。为此 在课题开展之初，笔者制作了简单的数据采集卡，利用m a t l a b 对大量信号进行了分析。 下图为某十公斤的包裹通过称重台时，采集卡获得称重信号。采样速率为1 0 0 0 s ， 采样点数为1 2 0 0 0 ，整个采样过程为1 2 s 。明显可以看到整个称重过程包含邮件上称前、 邮件上称中、邮件上称后三个阶段。 邮件上称前，大约是0 至4 s 这段时间，虽然邮件还没有上称，但由于受到称体机 械振动和市电干扰等环境噪声的影响，称重信号并不十分平稳，而是略有波动。上称从 4 s 延续到6 s ，持续了两秒左右，称重信号在数值上发生了迅速的抬升。这个过程时间 的长短取决于邮件的外形尺寸、在传送带上的摆放姿态和传送带的速度。邮件上称后， 称重信号最初有较大的波动，这是邮件对称重台的冲击引起的，而随着时间的推移，称 重信号趋于稳定。在传感器、称体机械结构、和采样前信号放大环节已经确定的情况下， 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发 北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 最终的信号幅值，只与邮件重量这一个变量有关。 厂八 。一。一_ ，。 _ ，k - i 。 r 。 j 一 | l l l l | l 困1 1 缸件称重响应信号的全过程 市电干扰对称重信号的影响与抑制 为了解市电干扰对称重信号的影响，课题在实验过程中，对1 0 k g 砝码的称重信号 作了采样，采样频率为6 0 0 0 s ，采样点数为8 1 9 2 。称重信号如下图所示，可以看到砝码 上称和上称后的过程，图中的“毛刺现象比较明显，但注意到称重信号的幅值在1 0 0 0 0 左右，而“毛刺”的幅度只在6 0 0 左右，从能量上考虑，其影响并不太大。 图3 - 2 市电干扰下的称重信号 为考察这些“毛刺”的来源，对采样信号所作傅氏变换如下图。下图是整个傅氏频 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 谱图的局部放大图，所以数字角频率的观察范围只在0 到3 0 0 之间。可以发现整个信号 直流分量特别强大，能量集中在数字角频率5 0 以下的低频区，而且成分比较复杂，估 计这些频率来源与上称是称重信号幅值的增加或者砝码上称瞬间队称体造成的冲击。而 在数字角频率5 0 以上的区域，通过m a t l a b 的观察工具再次局部放大，或者缩小以求观 察到更广阔的频率范围，会发现以某种规律出现的一系列噪声干扰。这些噪声出现在7 1 ， 2 1 3 ，3 5 5 ，4 9 6 ，等，以数字角频率7 l 为基频，并且是7 l 的奇次谐波上，而数字角 频率7 1 正对应模拟频率5 2 h z ，这些满足电力信号的频率特征，和电力信号为正弦奇谐函 数的特点。 鉴于称重信号的频率分布特点，在课题正式研究阶段的硬件设计上，可以通过低频 滤波极大地抑制市电干扰对称重信号的影响，相应的在软件算法上可以不作过多的考 虑，以提高整个系统的处理速度。 k 代人人_ 图3 - 3 市电干扰下称重信号的频谱 邮件的位置效应对称重信号的影响与抑制 本课题的研究对象是悬壁梁式电子动态秤，传感器处于典型的悬臂梁受力方式下。 根据机械力学的相关知识可以知道，这种受力方式下，邮件的在传送带上的位置的改变 必然会对传感器的输出信号有影响，如下图。当邮件重心偏离传送带宽度方向对称轴时， 拉力传感器会产生相应的剪切应力，这对于拉力信号的提取是不利的，这一现象称为偏 载效应；而当邮件沿着传送带速度方向向前移动并且传送带速度恒定时，拉力信号会随 时间的增长发生线性变化，这一现象称为移载效应。偏载效应和移载效应是邮件位置效 应对称重信号影响的两个方面，其中偏载效应必须抑制，移载效应有可以利用的一面， 因为在移载效应下，拉力信号变化的线性度是与邮件的重量有正比关系的，这可以作为 计算邮件重量的一个出发点。 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 图3 - 4 梁式邮用动态秤结构示意图 而位置效应的强弱与称体的机械结构，传感器的材料和构造等因素相关。在上述三 个因素不好确定的情况下，课题设计了一组实验，来研究位置效应对称重信号的影响， 其实验数据结果如下表。该实验在传送带静止的情况下，把3 5 k g 的标准砝码依次放置 在传送台的四角和中央，然后对称重信号进行采样，每个位置都采集了4 组数据，每组 采样均为1 0 2 4 点，采样频率为4 2 5 0 s 。表中所示数据为每组采样数据的平均值。 表3 - 1 负载位置对称重信号的影响 左上角左下角右下角右上角中间 1 2 5 8 91 2 5 7 81 2 5 7 71 2 5 8 31 2 5 7 7 1 2 5 8 01 2 5 8 01 2 5 8 21 2 5 7 61 2 5 8 l 1 2 5 8 21 2 5 8 51 2 5 7 81 2 5 7 61 2 5 7 8 1 2 5 8 71 2 5 8 41 2 5 7 51 2 5 7 11 2 5 8 2 这些数据只存在与位置无关的随机变化，很难发现偏载效应和移载效应的相关现 象。于是在称重算法的设计中，邮件位置效应可以忽略不考虑。 传感器的疲劳、邮件残值效应和其他环境因素的影响与抑制 这几个因素对称重信号的影响放在一起论述，是因为它们都属于不确定性干扰，并 且由于技术力量的不足，只能从理论上分析这些因素如何存在，而无法说明单一因素对 称重信号影响的程度。 表3 2 中的数据，是对0 k g 到3 5 k g 的砝码通过动态秤时称重信号进行采样所得。 每个数据都是砝码上称后一组采样的数据的均值。每组采样均为1 0 2 4 点，采样频率为 4 2 5 0 s 。0 k g 时不放置砝码，而依然有大幅度的称重信号产生，这是因为传送称架本身 具有较大的质量。可以通过上述数据，对传送称架质量进行较为精确的计算。用3 5 除 以每组中3 5 k g 砝码的采样均值与0 k g 砝码的采样均值之差，所得数值在与0 k g 砝码的 采样均值相乘。如此共得9 组数值，在取均值即可得到传送称架的质量为1 2 0 k g 。 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发 北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 表3 - 2 物体重量与称重信号均值之间的关系 砝码重 量 0k g5k g 1 0k g1 5k g2 0k g2 5k g3 0k g 3 5k g 9 9 2 81 0 2 7 81 0 8 1 61 1 1 3 11 1 6 8 41 2 0 4 81 2 5 7 21 2 8 9 9 9 9 2 71 0 2 8 01 0 7 9 8l l l 2 41 1 6 9 41 2 0 1 31 2 5 6 41 2 8 9 4 9 4 l o9 7 0 71 0 1 7 61 0 4 6 91 0 9 8 01 1 2 8 9 1 1 7 7 51 2 0 7 4 称重过9 4 0 9 9 6 8 81 0 1 7 51 0 4 6 6 1 0 9 7 71 1 2 8 81 1 7 7 01 2 0 7 6 程采样9 4 1 0 9 6 8 61 0 1 7 1 1 0 4 6 41 0 9 7 41 1 2 8 81 1 7 6 81 2 0 7 8 均值9 2 5 29 5 6 61 0 0 8 51 0 3 9 51 0 9 0 21 1 2 0 31 1 7 1 81 2 0 2 7 9 2 6 19 5 5 61 0 0 9 21 0 3 9 21 0 9 2 41 1 2 1 81 1 7 1 21 2 0 1 6 9 2 0 79 5 1 31 0 0 1 81 0 3 2 51 0 8 3 41 1 1 3 31 1 6 3 91 1 9 4 7 9 2 1 49 5 1 51 0 0 1 71 0 3 2 81 0 8 3 11 1 1 3 11 1 6 4 11 1 9 3 8 根据上述9 组数值，我们绘得9 条曲线如下图所示。坐标系的横轴是砝码称重信号 的均值，纵坐标是相应的砝码质量。图中所示9 条曲线大体平行，曲线的特征大体上体 现了拉力传感器的力学性能，只是并不像理论分析的那样，砝码称重信号的均值与砝码 质量成线性变化，而是呈现出了轻微的波折，这一方面与a d 变换量化误差的存在有关， 另一方面也应该与传感器的力学性能有关。鉴于不能破坏传感器进一步分析，论文对这 一现象的产生无法作更详细的解释。但是各条曲线都满足了这样的基本条件- 砝码质 量是砝码称重信号均值的单调递增函数，这使得课题的进一步研究中可以利用数学分析 插值的方法对二者的函数关系进行逼近，在插值点足够多的情况下，足以满足称重精度 的要求。但是差值的前提应该建立在插值点的基本数据本身足够收敛的基础之上，即下 属9 条曲线在0 k g 、5 9 9 、1 0 k g 、1 5 k g 、2 0 k g 、2 5 k g 、3 0 k g 和3 5 k g 处的砝码称重信 号均值变化范围，根据称重精度的要求，本身应该保持在o 1 以内。换句话说，就是 对同一物件，经过称体反复称量，称重信号的某个数学特征值必须在一定的许可范围内 始终如一，满足称重稳定度的要求。显然这9 条曲线的稳定度是不满足此点。 沪 乃j 钐 绥 7 ，j 图3 - 5 物体重量与称重信号均值之间的关系 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发北京邮电大学2 0 0 8 级硕士毕业论文 首先，传感器的疲劳是影响稳定度的最大因素。上述9 组采用数据共用3 天分4 个 时段采集得到，以0 k g 为例，事实上每个时段内，各次采样均值是变化较小的，同样从 上图可以看出，9 条曲线互相重叠分成了四组，与4 个时段分别对应。论文中所指的传 感器的疲劳，描述的是传感器在长时间受力的情况下得不到恢复，空载称重信号的幅值 产生飘移的现象。课题中使用的动态秤，其称架本身具有约1 2 0 k g 的质量，即使对物件 不再称重，只要没有将称架的卸载螺母复位，传感器就会受到较大的弯曲拉应力。传感 器疲劳发生虽然较为缓慢，但对稳定度的影响很大，所以要特别注意对传感器的日常维 护，使用完毕将卸载螺母归位，这可以在较大程度上削弱这个不利因素。 其次，邮件的残值效应也是影响稳定度的重要因素。邮件的残值效应是指当两次称 重过程在时间上相距较短时，前一次称重引起的称体振动会对后一次称重造成影响。相 对于传感器刚度的退化，邮件的残值效应对稳定度的影响是即时的。 其他影响稳定度的环境因素还有电源的稳定性、工作现场的电磁干扰等。这些因素 虽然存在，但针对传感器刚度退化和残值效应采取了一些措施后，稳定度已基本达到设 计要求，所以针对这些次要因素未作进一步处理。 表3 3 称重信号幅度变化量与相对变化量收敛性的比较 e ae b 上称前上称后 d e l l g e t - e ( a e t ) l r e l l r e l - e ( r e l ) i 称重信称重信 = e b - e a e ( d e o = d e l e a e ( r e t ) 号均值号均值 1 9 3 2 32 1 0 2 91 7 0 62 3 6 8 7 8 8 2 8 8 5 6 80 5 5 1 0 6 1 9 0 2 92 0 7 1 81 6 8 91 3 4 8 6 8 8 7 5 9 2 6 20 0 2 0 8 7 1 8 8 0 32 0 4 6 l1 6 5 80 5 1 1 5 8 81 7 7 4 1 80 6 7 6 2 6 1 8 8 3 52 0 5 0 7 1 6 7 2 0 3 2 8 5 8 8 7 7 0 9 0 50 0 0 7 7 5 1 8 8 3 2 2 0 5 0 7 1 6 7 5 0 5 0 8 5 8 89 | 4 4 3 5 00 1 8 7 6 2 1 8 8 3 32 0 5 1 01 6 7 70 6 2 8 6 8 9 0 4 5 8 2 40 3 0 1 9 2 1 8 8 8 22 0 5 5 71 6 7 50 5 0 8 5 8 8 7 0 8 8 2 30 0 7 7 6 8 1 8 9 0 12 0 5 7 91 6 7 80 6 8 8 6 8 8 7 7 8 3 7 20 0 0 0 6 6 1 8 7 8 32 0 4 5 81 6 7 50 5 0 8 5 8 9 1 7 6 3 8 30 4 4 8 9 8 平均 1 6 6 6 6 60 5 3 9 5 8 8 7 8 5 4 2 40 2 6 5 2 2 在已获得邮件称重信号的基础上计算邮件的重量，包括必不可少的两个步骤：首先， 对称重信号进行处理，获得该信号的某项数学特征。这一数学特征需根据不同称重系统 基于a r m u c l i n u x 的邮用电子动态秤的新型智能仪表的开发北京邮电大学2 0 0 8 级硕上毕业论文 的特点进行选取，要求相同重量的多组称重信号的这一特征具有足够的收敛性。这是邮 件称重稳定度的保证。然后，需要利用事先建立好的该数学特征与邮件重量之间的函数 关系，获得邮件重量。从图3 5 可以看出，简单的选取邮件上称后的称重信号的均值来 求取邮件重量是远远不能满足称重稳定度要求的。 上表是对1 0 k g 砝码称重信号的上称前和上称后两阶段信号进行采样，并进行一系 列变换得到的部分数据，各项的均值都是全部数据进行处理得到，完整数据请参见附录。 表中e a 表示上称前称重信号的均值，e b 表示上称后称重信号的均值。首先用对二 者求差得到d e l ，意图是利用上称前邮件残值效应对称重信号造成的偏差近似代替上称 后的偏差。用d e l 代替e b 对邮件重量进行计算，在一定程度上可减小残值效应的影响。 r e l 是d e l 除以e a 所得，代表了邮件重量引起的称重信号振幅的相对变化量。用r e l 代替d e l 对邮件重量进行计算，可以减小因电源不稳定引起电路增益系数变化对称重信 号造成的影响。 上表中分别用i d e l e ( d e l ) l e ( d e l ) 和i r e l e ( r e l ) v e ( r e l ) 度量d e l 和r e l 的收敛性，可以看出 上称前后称重信号的幅值相对变化量r e l 具有很高的收敛性，平均达到0 2 6 5 2 2 。 称重方案 通过对上述各因素的研究j 课题最终确定了称重模块的设计方案，作如下总结： 在硬件上，同原称重系统的仪表一样，从获取称重传感器的输出信号开始，包含放 大、滤波、a d 转换和c p u 数据处理环节。但与原仪表不同的是，不采用将放大、滤波 和a d 转换功能集成在一起的芯片，而使各环节分立，这样可以获得可调的增益、低通 滤波截至频率和更高的a d 采样速率。 在软件算法上，采用数学插值的方法，建立邮件重量与称重信号某数学特征值的函 数关系，对于任意量程内的邮件，即可采集它的称重信号，获得这个特定数学特征值， 然后通过已建立的函数关系计算得到邮件的重量。根据前述内容，这个特征值选定为邮 件上称前后称重信号幅度得相对变化量。而对于邮件的位置效应则不再考虑。 智能仪表精度等级的估计 又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。引用误差( 绝对 误差与仪表量程的百分比) 的百分数分子作为等级标志。我国仪表精度等级有：0 0 0 5 、 0 0 2 、0 0 5 、0 1 、0 2 、0 3 5 、0 4 、0 5 、1 0 、1 5 、2 5 、4 o 等。工业用表采用为o 1 、0 2 、 0 5 、1 o 、1 5 、2 5 、5 的等级标准。其中0 5 4 级常见，级数越小，精度( 准确度) 就越 高。 按照附表1 提供的数据计算，本称重仪表的精度等级可以达到0 5 ，但考虑到差值 过程引入一定误差，这一精度将是本称重仪表的上限精度。 3 2 2 条码识别模块的实现方案 当前邮政领域普遍使用2 5 码和1 2 8 码标识邮件。其中，幽开始于1 9 8 1 年推出， 基于a r m u c l i n u