配料控制器的称重信号处理

摘要 从应用角度出发,根据已设计配料控制器的信号调理电路,推导出称重信号传递函数。在此基础上,采用凯泽窗设计FIR滤波器,借助MATLAB辅助设计,确定FIR滤波器的参数。根据配料生产的信号处理要求,给出了实现FIR滤波器的C51程序,确定完成数字滤波程序所需的时间,并用Simulink软件包进行仿真,效果良好。实际应用表明,采用硬件信号调理电路和软件FIR滤波算法相结合,大大提高了称重信号的测量精度。

关键词 配料控制器;FIR滤波器;数字信号处理

中图分类号TN91 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)19-0043-02

The Weighing Signal Processing of Batching Controller

Abstract From the point of view of application, according to the batching controller’s signal processing circuit, this paper deduces the weighting-signal’s transfer function. Kaiser window is chosen to design FIR filter to determine the filter’s parameter, assisted by MATLAB. According to the target of batching controller’s signal processing, this paper lists the C51 source programs of FIR filter, accounts the program’s running time, and uses Simulink soft package to emulate the whole signal flow, with perfect result. Practical application indicates that the measurement accuracy is greatly increased by combining processing circuit with FIR algorithm to process weighting signal.

Keywords batching controller;FIR filter;digital signal processing

0引言

配料控制系统在工农业生产中大量应用,目前使用较为广泛的是微机控制配料系统。其结构原理如图1所示。

上位机通常采用工业控制计算机系统。下位机采用配料控制器,接收上位机的指令,不断地采集称重信号,根据生产工艺要求,完成对电磁阀的控制。由此可见,配料控制器至关重要,而控制精度取决于称重精度,因此研究称重信号的处理具有十分重要的意义。

本文结合现已开发成功的WLN-300配料控制器,着重从硬件电路信号调理和软件FIR滤波算法两方面论述配料控制器的信号处理。

1称重信号前向通道的数学模型

配料控制器的信号处理流程如图2所示。

1.1 传感器的数学模型

设选用的应变式压力传感器为单自由度。采用共振峰提取[1]的方法可得应变式压力传感器的传递函数模型G1(s)如下:

通过实验,确定所选用传感器传递函数如:

1.2 硬件信号调理电路

配料控制器的信号调理电路如图3所示。

供给单片机作A/D转换的外部基准电压由滤波后的9V电压经精密电阻R1,R2分压后得到,压力传感器桥压和基准电压都来自于同一电源,可减少压力传感器桥压变化对测量精度的影响。传感器输出信号经调理后送入单片机。单片机选用AD公司2003年推出的ADμC845,该单片机本身即构成最小系统,片内集成24位高精度A/D转换器。最后,单片机将转换完成的数字量存入片内flash/EE存贮器,经数字滤波算法完成整个称量信号的处理。

1.3 放大前端调理电路的数学模型

压力传感器的差分信号先经过放大前端调理电路,推导出其传递函数为:

(3)

将L1=L2=L=5mH,C5=C6=C7=C=0.2μF代入上式,得到其传递函数为

(4)

1.4 放大电路的数学模型

信号经放大前端处理后由轨-轨运算放大器AD8552完成两级放大,为了抑制共模干扰,在满足R5/R6=R3/R4的条件下可得:

代入R6=100kΩ,R5=1kΩ,得到:

1.5 低通滤波器的数学模型

最后信号经由R7和C8构成一阶低通滤波器,送入单片机的模拟量输入端,其传递函数为:

将R=R7=100kΩ,C=C8=0.1μF代入上式

1.6 前向通道的传递函数

称重信号前向通道传递函数为:

求得G1,G2两振荡环节的转折频率均超过104,而G4环节的转折频率仅为100,在进行工程计算和分析时,可认为在振荡频率ωn≤100的低频段内,传递函数近似等于比例环节和惯性环节的乘积,即上式可近似等于

由此可见,称重信号前向通道对采集信号只进行了放大和低通滤波,要消去在生产现场的工频干扰和称量过程中料斗振动产生的低频周期干扰信号,必须借助软件滤波算法进行处理。

2配料控制器的数字信号处理

有限冲击相应(FIR)数字滤波器可以得到线性相位频率特性,而且其单位抽样响应的有限长特性又可保证系统的稳定性。窗函数是FIR数字滤波器设计中最为简便常用的方法,采用凯泽窗设计FIR滤波器对称重信号进行软件滤波,包括低通和带阻两级滤波器。

根据配料系统所采用应变式压力传感器的技术指标,一般通频带为0~200 Hz,通频带波动值Rp≤±0.8dB,通带截至频率fp=200Hz,阻带截至频率fs=250Hz,阻带衰减A s≥50dB。考虑到要保证单片机实现两级FIR滤波器的实时性符合要求,确定带阻滤波器的设计要求:阻带为45~55 Hz,过渡带为5~45Hz和55~95Hz,通频带波动值Rp≤±3dB,阻带衰减A s≥20dB。在兼顾单片机计算速度和采样精度的原则下,确定模拟信号的采样频率为f=1kHz。利用MATLAB的FDATool软件包进行辅助设计,分别得到20阶低通和22阶带阻滤波器,其幅频特性曲线如图4,5所示。

3滤波程序及可行性分析

用单片机C51程序实现实现低通、带阻FIR滤波器,采样频率为1kHz,FIR滤波器采用直接型结构。(限于篇幅,源程序省略)。使用keil编译器,将C51程序转换为汇编代码,每完成两次滤波和采样值移位大致需要230条指令,按每条指令2~3个机器周期计算,大致需要0.45~0.7ms,而配料控制器的采样周期为1ms,所以可保证采样值得到实时的处理。

4 MATLAB仿真

采用MATLAB的Simulink软件包对整个系统进行仿真,如图6所示。用阶跃函数模拟称重信号,正弦信号模仿信号的抖动,50Hz噪声模仿工频干扰,模拟的称重信号如示波器1所示;经过应变力传感器,重量信号转换成电信号,加入带限白噪声模拟其它干扰,如示波器2所示;经过放大前向调理电路、增益放大、RC低通滤波器、A/D采样及两级FIR滤波器,信号处理的结果如示波器3所示。对比3个波形图可知:设计的滤波器基本可将高频杂波和工频干扰滤除,达到配料控制器称重信号处理的目的。

5结论

配料控制器的软件滤波算法在配料系统设计中占有举足轻重的地位。采用FIR数字滤波算法可以在实时性和滤波效果两方面取得不错的平衡。将此算法应用于自行设计的配料控制器,取得良好效果。

参考文献

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[5]薛年喜主编.MATLAB在数字信号处理中的应用.北京:清华大学出版社,2003.