提高动态地磅称重精度的算法设计与实现

为了提高动态地磅的称重精度，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地磅的称重结果的分析，证明此算法对于提高动态称重精度具有良好的效果。

1.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,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:动态地磅),为治理车辆超载超限运输提供了强有 力的技术手段。

动态地磅采用动态称重(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 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,成了动态地磅的技术难 点和关键。

2.设备组成及工作原理

CW动态地磅主要由动态轴重衡、轮轴识别器、 车辆分离器、称重控制仪表及上位机组成,如图1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;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。

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。

3.动态称重信号分析

汽车动态称重过程中的运动状态是相当复杂的,当 车辆通过动态地磅时,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;三是由车辆与地表稱合而产生的振动。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,动态地磅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900mm,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25ms,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(％?^的采集数据进 行滤波处理。

4.数字滤波的原理及实现

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动态地磅采用了高效的有限冲激响应(FIR)

数字滤波方法，FIR滤波器是非递归的，它总是稳定的， 更市要的是它在满足幅频响应要求的同时，可以疢甩严 格的线性相位特件，汴具有池波效垠好滤波每数伐改h 便而且荇易实现等优点|41。凡计算职理?1厶示为：

式(1)中:x(n>为最近时刻(t=nT)的采集丨.)马.T为采 样岡期《

x(n k)为延时广k个采样冏_采柒倍y,

_为第k个延时节的加权值，即滤波器系数* y(n>为最近时刻OnT)滤波后的输出倍号《

N为滤波器的阶数，也称滤波器的抽头ft.为丈枯数， 押想滤波器的牮位冲击响卩V:址非因果.无限氏的. 物理上无法实现》为了设计出频响特性类似丨观想顿 响的滤波器.采)1丨窗敉菽取(或加留)行Hi长的一段理 想冲m响应来得到物埋上可实现的线性相位、w采的 FIR滤波器?其系统函数可表示为：

由于FIR滤波器具存线性相位，所以h(n>具行对称 性质，即：

利帀这W性，可以对串行结构进行改进.得到乘 法次敗少的结构.如图3所示(阁中m二(N 1) 2).首先 进行加法运Vf.然后对加法运算的结果进行串行乘累加 运疗.改进/5的结构完成一次滤波仅满要(N+D/2次乘 法运W.. W昼申行或终联结构所觅次钕的半，极大地 提尚了处理速度。

高阶FIR滤波器拽有电好的性能，N越大、滤波器的运算量越大，浈波后信号的时延也越尺，因而必须 折中考虎N的大小,基本原则是滤波器卷枳运算的时间 应小十信兮的采样周期，以满足实时件:的要求.通过反复实验，CW动态地磅采用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， 为厂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家集和往枳运茛。在较低性能微控制器系统 屮，由于微控制器资诹的限制,无法砷足实叫人《浮点 运算的要求，通常只能采用专门的硬件来变现。随着微 控制器技术的发展，新型ARM微控制器A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)JIM。

CW动态地磅的称?控制仪衣选用r NXP公司的 32位ARM做控制器LPC3220.它是—种高性能、低功耗 的微拧制器，采用了带矢W:浮点协处现器的AKM926EJ S CPU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-次卷枳运算时间约为1 us |61. AD转换器选用了漶州仪器(T1)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T1最新一代逐次通过寄存器)技术，内部矩成了四通道多 路从明器，输人运锌放人器.6ppmC参考以及参考 级冲器.拙有4个全差分输入通迈，16位转换精度和I MSPS矜换速宇.完成-次转换只有4us，具有业界一流 的AC和DC性能和超低信进漂移,能确保信号测量的与 可重复性。议表采样速率为50kHz,每隔20us 0动转换-次.听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。当个:辆以20km/h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100mm.则轮胎完全压上称重乎台的称車时间约为 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，噪声被贫 效的抑制.就可以计算出今:辆的真实重量。

5.算法的改进和优化

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,使动态地磅的技术指标 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12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(Rectangular)窗、汉宁 (Hanning)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0.25,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0.1左右,部 分噪点峰值达到了 0.15,而此时的轴重信号为1,这将严 重影响动态称重精度。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0.01的范围内,这 就大大改善了信噪比,提高了动态称重精度。

为了检验采用优化算法的动态地磅的技术性能, 广东省计量科学研究院按照JJG 907-2006《动态公路 车辆自动衡器》国家检定规程的要求对CW动态地磅进行了检定,其中三轴参考车辆采用了一辆三轴泥头车,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 化算法的动态地磅在20km/h速度以内整车称重精度 优于士 1%,达到了较高的准确度水平。

7.结束语

动态地磅是公路车辆超载超限检测和计重收费 的重要技术装备,但其动态称重精度和稳定性一直是制 约设备广泛应用的重要原因,本设计采用FIR滤波优化 算法,对动态称重信号进行处理,有效地去除了噪声干 扰,应用该技术后CW动态地磅的称重精度和稳定性大幅提高,取得了非常明显的效果,现已投入批量生产。