為了提高動(dòng)態(tài)地磅的稱重精度，采用有限沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波算法濾除車輛動(dòng)態(tài)稱重過程中產(chǎn)生的隨機(jī)干擾噪聲。鑒 于稱重信號(hào)的信噪比較低和干擾噪聲的復(fù)雜性，對(duì)基本算法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，基于ARM微控制器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了這一算法。通 過對(duì)應(yīng)用該算法的動(dòng)態(tài)地磅的稱重結(jié)果的分析，證明此算法對(duì)于提高動(dòng)態(tài)稱重精度具有良好的效果。

1.引言

車輛超載超限行駛是造成公路加速損壞的重要原 因,也是引發(fā)交通事故的一個(gè)重要因素,給國家和人民 生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的危害。需要采用先進(jìn)的技術(shù)手 段,從根本上解決車輛超載超限運(yùn)輸問題,為此,公司結(jié)合自己多年動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備的研發(fā)、制 造、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,依據(jù)交通部車輛軸類型 及軸載質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，成功開發(fā)出符合我國車輛管理規(guī)范 要求的CW公路車輛超限動(dòng)態(tài)檢測(cè)與計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)(簡(jiǎn) 稱:動(dòng)態(tài)地磅),為治理車輛超載超限運(yùn)輸提供了強(qiáng)有 力的技術(shù)手段。

動(dòng)態(tài)地磅采用動(dòng)態(tài)稱重(WIM)技術(shù),即在車輛行 駛的狀態(tài)下進(jìn)行稱重。與靜態(tài)稱重相比,其主要特點(diǎn)是 節(jié)省時(shí)間,效率高,不會(huì)對(duì)正常交通造成影響。但設(shè)備 工作環(huán)境惡劣、稱重時(shí)間短,沖擊力大、干擾因素多, 嚴(yán)重影響動(dòng)態(tài)稱重精度。因此,如何克服外界隨機(jī)干擾 的影響,準(zhǔn)確稱量車輛重量,成了動(dòng)態(tài)地磅的技術(shù)難 點(diǎn)和關(guān)鍵。

2.設(shè)備組成及工作原理

CW動(dòng)態(tài)地磅主要由動(dòng)態(tài)軸重衡、輪軸識(shí)別器、 車輛分離器、稱重控制儀表及上位機(jī)組成,如圖1所示。 動(dòng)態(tài)軸重衡以稱量軸載的方式對(duì)車輛的各軸或軸組依 次進(jìn)行稱量,確定車輛總重量;輪軸識(shí)別器由一組壓力傳 感器組成,當(dāng)車輛輪胎壓過時(shí),將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為輪胎 數(shù)量信號(hào);車輛分離器通過紅外光的同步掃描來提供車 輛的開始和結(jié)束信號(hào),保證稱重?cái)?shù)據(jù)和車輛之間的對(duì)應(yīng) 關(guān)系;稱重控制儀表檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài),采集各種傳感 器信號(hào),處理數(shù)據(jù);上位機(jī)管理視頻音頻、智能路閘、聲光報(bào)警器和大屏幕顯示器等設(shè)備,接收和處理儀表上傳 的車輛信息，自動(dòng)判斷是否超載超限,生成和打印各種 報(bào)表,并與控制中心通訊。

當(dāng)車輛進(jìn)入稱重檢測(cè)車道時(shí),車輛分離器首先識(shí)別 車輛并啟動(dòng)稱重程序,車軸通過動(dòng)態(tài)軸重衡,得到該軸 的軸載信息,然后,相應(yīng)的軸通過輪軸識(shí)別器,得到該軸 是單輪還是雙輪的信息,車輛各軸的軸載和輪軸類型信 息被稱重控制儀表依次處理,當(dāng)車輛分離器檢測(cè)到車輛 尾部通過后給出收尾信號(hào)，儀表將稱重時(shí)間、超限標(biāo) 志、速度、速度變化、軸數(shù)、軸組數(shù)、每軸軸載、每軸 軸型、相鄰軸軸距等信息組合成車輛稱重信息數(shù)據(jù)包 并進(jìn)行傳輸。上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，計(jì)算整車重 量,控制視頻設(shè)備對(duì)車輛進(jìn)行拍照,并按控制中心下發(fā) 的計(jì)重收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的收費(fèi)計(jì)算,同時(shí)通過大屏幕 顯示器顯示車型、車重、超載率、收費(fèi)金額等數(shù)據(jù)供 司機(jī)查看。如果車輛超載超限，將驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器報(bào) 警。車輛完成交費(fèi)后,收費(fèi)員控制擋車欄桿開啟，車輛 得以通行。

3.動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)分析

汽車動(dòng)態(tài)稱重過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的,當(dāng) 車輛通過動(dòng)態(tài)地磅時(shí),傳感器受到的作用力包括兩部 分,一是車輛的穩(wěn)態(tài)載荷，即由于車輛在當(dāng)前輪軸上分 擔(dān)的重量引起的載荷;二是車輛的動(dòng)態(tài)載荷,或者稱為瞬 態(tài)載荷。動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生的因素很多，主要有三類,一是 由車輛自身的各種因素引起的振動(dòng);二是由路面不平造 成的振動(dòng);三是由車輛與地表稱合而產(chǎn)生的振動(dòng)。動(dòng) 態(tài)載荷在稱重過程中是作為噪聲出現(xiàn)的，是影響稱量 精度的主要因素,要想把所測(cè)量的真實(shí)靜態(tài)軸載信號(hào) 比較準(zhǔn)確地反映出來,就必須最大限度地消除隨機(jī)噪 聲干擾。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)顯示:動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)的信噪比很低干擾 噪聲的幅值可達(dá)真實(shí)軸重的20%甚至更多。成分也非 常復(fù)雜,既有共模干擾,也有串模干擾,頻率分布從幾十 赫茲到幾千赫茲。采用差動(dòng)放大器能有效地消除共 模干擾,采用模擬RC低通濾波器可有效降低串模干 擾,但必須折中考慮濾波參數(shù)的大小,參數(shù)越大,消除 干擾噪聲的效果越好,但輸出信號(hào)的延遲也越大,這對(duì) 車輛動(dòng)態(tài)稱重來說是不允許的;參數(shù)越小,實(shí)時(shí)性越好, 但消除干擾噪聲的效果也越差。這樣濾波后的信號(hào)仍 然含有相當(dāng)一部分的干擾信號(hào),必須采用數(shù)字濾波的方 法加以消除。因此,動(dòng)態(tài)地磅的稱重精度很大程度上 取決于數(shù)字信號(hào)處理方法,優(yōu)良的數(shù)字濾波算法顯得尤 為重要。

數(shù)字濾波基于一定長度的數(shù)據(jù),為了獲得盡可能多 的稱重?cái)?shù)據(jù),一般采用以下兩種方法:一是選用高速AD 轉(zhuǎn)換器,提高采集頻率;二是增加稱重平臺(tái)的寬度(沿車 輛通過的方向),增加稱重時(shí)間,但受到車輛軸組的軸間 距及輪胎著地長度的限制,最大不應(yīng)超過900mm,否則, 可能無法保證正確分離每軸稱重信息。由于稱重平臺(tái) 的寬度較窄,車輛正常通過時(shí)車速可以近似勻速處理, 其信號(hào)波形如圖2所示。車輛剛進(jìn)入稱重平臺(tái)時(shí),由于 傳感器應(yīng)變片突然受力還無法回至平衡,此時(shí)的輸出峰 值將高于真實(shí)的軸重值,根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),這段傳感器的 反應(yīng)時(shí)間(t。) 一般為25ms,這段時(shí)間的數(shù)據(jù)在實(shí)際測(cè)量 中可以不予考慮,只要對(duì)后續(xù)時(shí)間(％?^的采集數(shù)據(jù)進(jìn) 行濾波處理。

4.數(shù)字濾波的原理及實(shí)現(xiàn)

數(shù)字濾波器是一種用來過濾時(shí)間離散信號(hào)的數(shù)字 系統(tǒng),通過對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理來達(dá)到頻域?yàn)V波的 目的。常用的數(shù)字濾波方法有限幅濾波、中值濾波、算 術(shù)平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動(dòng)平均濾波、低通濾波 和復(fù)合濾波等。這些簡(jiǎn)單的濾波方法對(duì)于緩慢變化的 信號(hào)具有很好的濾波效果,但對(duì)于車輛動(dòng)態(tài)稱重這種變 化比較快的信號(hào)的濾波就無能為力了。通過反復(fù)對(duì)比 試驗(yàn),CW動(dòng)態(tài)地磅采用了高效的有限沖激響應(yīng)(FIR)

數(shù)字濾波方法，FIR濾波器是非遞歸的，它總是穩(wěn)定的， 更市要的是它在滿足幅頻響應(yīng)要求的同時(shí)，可以疢甩嚴(yán) 格的線性相位特件，汴具有池波效垠好濾波每數(shù)伐改h 便而且荇易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)|41。凡計(jì)算職理?1厶示為：

式(1)中:x(n>為最近時(shí)刻(t=nT)的采集丨.)馬.T為采 樣岡期《

x(n k)為延時(shí)廣k個(gè)采樣冏_采柒倍y,

_為第k個(gè)延時(shí)節(jié)的加權(quán)值，即濾波器系數(shù)* y(n>為最近時(shí)刻OnT)濾波后的輸出倍號(hào)《

N為濾波器的階數(shù)，也稱濾波器的抽頭ft.為丈枯數(shù)， 押想濾波器的牮位沖擊響卩V:址非因果.無限氏的. 物理上無法實(shí)現(xiàn)》為了設(shè)計(jì)出頻響特性類似丨觀想頓 響的濾波器.采)1丨窗敉菽取(或加留)行Hi長的一段理 想沖m響應(yīng)來得到物埋上可實(shí)現(xiàn)的線性相位、w采的 FIR濾波器?其系統(tǒng)函數(shù)可表示為：

由于FIR濾波器具存線性相位，所以h(n>具行對(duì)稱 性質(zhì)，即：

利帀這W性，可以對(duì)串行結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).得到乘 法次敗少的結(jié)構(gòu).如圖3所示(閣中m二(N 1) 2).首先 進(jìn)行加法運(yùn)Vf.然后對(duì)加法運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行串行乘累加 運(yùn)療.改進(jìn)/5的結(jié)構(gòu)完成一次濾波僅滿要(N+D/2次乘 法運(yùn)W.. W晝申行或終聯(lián)結(jié)構(gòu)所覓次釹的半，極大地 提尚了處理速度。

高階FIR濾波器拽有電好的性能，N越大、濾波器的運(yùn)算量越大，湞波后信號(hào)的時(shí)延也越尺，因而必須 折中考虎N的大小,基本原則是濾波器卷枳運(yùn)算的時(shí)間 應(yīng)小十信兮的采樣周期，以滿足實(shí)時(shí)件:的要求.通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，CW動(dòng)態(tài)地磅采用19階的FIR濾波算法，實(shí) 現(xiàn)一次FIR卷積運(yùn)算需要執(zhí)行10次乘法和18次加法， 為廠實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理.需要在一個(gè)儀表采樣周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)家集和往枳運(yùn)茛。在較低性能微控制器系統(tǒng) 屮，由于微控制器資諏的限制,無法砷足實(shí)叫人《浮點(diǎn) 運(yùn)算的要求，通常只能采用專門的硬件來變現(xiàn)。隨著微 控制器技術(shù)的發(fā)展，新型ARM微控制器A有非常卓越 的性能.極高的性價(jià)比,完全具備用軟件實(shí)現(xiàn)FIR濾波 的能)JIM。

CW動(dòng)態(tài)地磅的稱?控制儀衣選用r NXP公司的 32位ARM做控制器LPC3220.它是—種高性能、低功耗 的微擰制器，采用了帶矢W:浮點(diǎn)協(xié)處現(xiàn)器的AKM926EJ S CPU內(nèi)核,工作頻率高達(dá)266MHz,具備復(fù)雜數(shù)據(jù)的快 速處理能力，用C語言完成-次卷枳運(yùn)算時(shí)間約為1 us |61. AD轉(zhuǎn)換器選用了漶州儀器(T1)為高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用 推出的超高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8254,它采用T1最新一代逐次通過寄存器)技術(shù)，內(nèi)部矩成了四通道多 路從明器，輸人運(yùn)鋅放人器.6ppmC參考以及參考 級(jí)沖器.拙有4個(gè)全差分輸入通邁，16位轉(zhuǎn)換精度和I MSPS矜換速宇.完成-次轉(zhuǎn)換只有4us，具有業(yè)界一流 的AC和DC性能和超低信進(jìn)漂移,能確保信號(hào)測(cè)量的與 可重復(fù)性。議表采樣速率為50kHz,每隔20us 0動(dòng)轉(zhuǎn)換-次.聽以有足夠的時(shí)間完成AD轉(zhuǎn)換和卷積運(yùn)算，圖4是儀表的功能框。當(dāng)個(gè):輛以20km/h速度 通過900mm寬的稱重平臺(tái)時(shí).假定輪胎與地面的接觸長 度為100mm.則輪胎完全壓上稱重乎臺(tái)的稱車時(shí)間約為 126ms,除去前25ms傳感器的反應(yīng)時(shí)間，可以采集大約 5050個(gè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過FIR數(shù)字濾波后，噪聲被貧 效的抑制.就可以計(jì)算出今:輛的真實(shí)重量。

5.算法的改進(jìn)和優(yōu)化

當(dāng)輸入信號(hào)的干擾較小時(shí),FIR濾波基本算法有很 好的濾波效果。但動(dòng)態(tài)汽車衡安裝在戶外，日曬雨淋, 環(huán)境異常嚴(yán)酷,電磁干擾、溫度影響、沖擊和震動(dòng)都比 較嚴(yán)重,稱重信號(hào)會(huì)變得有毛刺甚至很嚴(yán)重,基本算法 無法剔除這些外界干擾因素造成的噪聲。經(jīng)過大量的 實(shí)驗(yàn)和調(diào)試,我們對(duì)FIR濾波基本算法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu) 化,極大地改善了濾波性能,使動(dòng)態(tài)地磅的技術(shù)指標(biāo) 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

（1）在FIR濾波之前對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行一次過濾,處 理一些異常點(diǎn),具體做法是:先采樣兩個(gè)點(diǎn)，比較這兩個(gè) 點(diǎn)是否異常？異常重新采樣,否則繼續(xù)。那么如何判斷 異常呢？經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn):如果 二個(gè)數(shù)之差的絕對(duì)值超過了第一個(gè)數(shù)的絕對(duì)值10%就 可以認(rèn)為該數(shù)是異常的數(shù),這樣就剔除了汽車高速通過 軸重臺(tái)時(shí)由于顛簸產(chǎn)生的尖峰信號(hào),經(jīng)過這個(gè)環(huán)節(jié)我們 可以得出兩個(gè)正常的數(shù),為后續(xù)處理所用。

（2）在后續(xù)每次采樣后都把這次數(shù)與上次數(shù)比較。 如第三次采樣的數(shù)與在第一步中得到的正常的第二個(gè) 數(shù)進(jìn)行比較,如果二個(gè)數(shù)之差的絕對(duì)值超過了第二個(gè)數(shù) 的絕對(duì)值10 %,我們就把第二個(gè)數(shù)代替第三個(gè)數(shù),這樣 一方面消除了異常數(shù)的影響;另一方面又不影響采樣頻 率和數(shù)據(jù)數(shù)量。

（3）經(jīng)過前次處理毫無疑問稱重信號(hào)平滑多了,測(cè) 量準(zhǔn)確度也有所提高,為了取得更好的濾波效果,采用 了 FIR 二次濾波。也就是把濾波后結(jié)果又作為輸入信 號(hào),再次進(jìn)行FIR濾波。

（4）為了進(jìn)一步降低尖峰脈沖的影響,改善信號(hào)的 平滑性,又將經(jīng)過二次FIR濾波的輸出數(shù)據(jù)每12個(gè)一 組,去掉一個(gè)最大和最小數(shù),再對(duì)10個(gè)數(shù)求平均值。

6.實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

濾波器的各種重要指標(biāo)都是由窗函數(shù)決定,為了改 善濾波器的性能,窗函數(shù)譜的主瓣應(yīng)盡可能窄，旁瓣峰 值衰減應(yīng)盡可能大,以使濾波器有較陡的過渡帶而肩峰 和余振小。但兩者是相互矛盾的,實(shí)際應(yīng)用中要折衷處 理,兼顧各項(xiàng)指標(biāo)。通過對(duì)矩形(Rectangular)窗、漢寧 (Hanning)窗、海明(Hamming)窗、布萊克曼(Blackman) 窗以及凱塞(Kaiser)窗等幾種常用窗函數(shù)的分析和比較, 本算法選用加海明窗的理想低通濾波器,其歸一化截止 頻率為0.25,如圖5所示。儀表采集的車輛動(dòng)態(tài)稱重信 號(hào)為含有多種噪聲成分的直流信號(hào),其波形如圖6所示。 原始數(shù)據(jù)經(jīng)過優(yōu)化算法處理后其波形如圖7所示。從實(shí) 驗(yàn)結(jié)果可以看出,濾波之前的噪聲的峰值在0.1左右,部 分噪點(diǎn)峰值達(dá)到了 0.15,而此時(shí)的軸重信號(hào)為1,這將嚴(yán) 重影響動(dòng)態(tài)稱重精度。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過FIR濾波優(yōu)化算 法處理后信號(hào)得到了明顯的改善,可以得到非常平穩(wěn)的 重量信號(hào),噪聲信號(hào)的峰值被抑制在0.01的范圍內(nèi),這 就大大改善了信噪比,提高了動(dòng)態(tài)稱重精度。

為了檢驗(yàn)采用優(yōu)化算法的動(dòng)態(tài)地磅的技術(shù)性能, 廣東省計(jì)量科學(xué)研究院按照JJG 907-2006《動(dòng)態(tài)公路 車輛自動(dòng)衡器》國家檢定規(guī)程的要求對(duì)CW動(dòng)態(tài)地磅進(jìn)行了檢定,其中三軸參考車輛采用了一輛三軸泥頭車,前軸為單輪單軸,后軸為雙輪雙軸,加載10t標(biāo)準(zhǔn)砝 碼，在靜態(tài)情況下稱得汽車前軸重量是5620kg,后軸重 量是18340Kg。表1是部分檢定數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)表明采用優(yōu) 化算法的動(dòng)態(tài)地磅在20km/h速度以內(nèi)整車稱重精度 優(yōu)于士 1%,達(dá)到了較高的準(zhǔn)確度水平。

7.結(jié)束語

動(dòng)態(tài)地磅是公路車輛超載超限檢測(cè)和計(jì)重收費(fèi) 的重要技術(shù)裝備,但其動(dòng)態(tài)稱重精度和穩(wěn)定性一直是制 約設(shè)備廣泛應(yīng)用的重要原因,本設(shè)計(jì)采用FIR濾波優(yōu)化 算法,對(duì)動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)進(jìn)行處理,有效地去除了噪聲干 擾,應(yīng)用該技術(shù)后CW動(dòng)態(tài)地磅的稱重精度和穩(wěn)定性大幅提高,取得了非常明顯的效果,現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)。