Основные алгоритмы цифровой обработки информации, применяемые при работе платформенных весов в статике и в динамике

УДК 519.81                                                                        Е.В. Григоров, И.В. Лысенко

Основные алгоритмы цифровой обработки информации, применяемые при работе платформенных весов в статике и в динамике

ООО «Пульсар-92»

Постановка проблемы и цель статьи

          В настоящее время широкое распространение получили электронные тензометрические весы. Они применяются для взвешивания грузов как в статическом положении, так и в динамике (в движении). Настоящая статья предназначена для краткого ознакомления заинтересованного читателя со структурами измерительных схем электронных весов, проблемами, возникающими при их построении и алгоритмами цифровой обработки информации, применяемыми в программном обеспечении весов.

Измерительные схемы электронных весов

          Платформенные тензометрические весы состоят из следующих основных узлов:

·  грузоприёмного устройства в виде платформы, опирающейся на четыре тензометрических датчика силы;

·  аналого-цифрового преобразователя (АЦП), преобразующего сигнал от датчиков в цифровую форму;

·  микроконтроллера, управляющего АЦП и обрабатывающего цифровые данные;

·  индикатора, отображающего результаты взвешивания в наглядной форме.

          Возможны несколько вариантов построения измерительной схемы весов: одноканальная, многоканальная, схема с коммутацией каналов, а также комбинированные схемы. В одноканальной схеме (Рис.1) сигналы датчиков суммируются путём их параллельного включения, затем преобразуются в цифровую форму одноканальным АЦП. К достоинствам такой схемы относятся высокая скорость работы, низкий уровень шумов и простота реализации. К недостаткам можно отнести невозможность работы с каждым датчиком в отдельности (для определения центра тяжести груза или диагностики неисправностей) и необходимость использования для регулировки аналоговых подстроечных элементов (потенциометров).

Рис. 1

В многоканальной схеме (Рис.2) сигнал каждого датчика преобразуется отдельным АЦП, и суммирование происходит уже в цифровой форме в микроконтроллере. Эта схема так же, как и предыдущая, имеет высокую скорость работы и достаточно низкий уровень шума. К тому же появляется возможность работы с каждым датчиком в отдельности: измерение уровня сигнала, регулировка коэффициента преобразования, диагностика и т.д. Недостатки – сложность и повышенная стоимость.

В схеме с коммутацией каналов (Рис.3) датчики подключаются к одноканальному АЦП через электронный коммутатор. Измерение по каждому каналу происходит поочерёдно путём последовательного подключения входа АЦП к каждому датчику. Эта схема проще и дешевле предыдущей, она позволяет работать с каждым датчиком в отдельности, но имеет и свои недостатки. Это низкая скорость работы, неодновременность измерения по каналам, высокий уровень шумов и повышенная чувствительность к помехам с частотой переключения коммутатора.

Далее будет рассмотрена последняя схема, как наиболее перспективная для применения в статодинамических весах. Для повышения скорости работы этой схемы применяются быстродействующие АЦП. Другие недостатки устраняются или ослабляются применением специальных алгоритмов обработки данных, поступающих от АЦП.

Рис. 2

Рис. 3

Перед рассмотрением этих алгоритмов представим сам процесс взвешивания. Упрощённо он изображён на Рис.4:

Рис. 4

Здесь цифрами обозначены:

1 – помещение груза (заезд транспортного средства) на платформу.

2 – взвешивание (считывание показаний).

          3 – снятие груза (съезд транспортного средства) с платформы.

Взвешивание в статике и в динамике отличается только 2-й фазой. При взвешивании в статике груз находится на платформе в относительной неподвижности (возможны небольшие колебания). При взвешивании в динамике груз перемещается от одного края платформы к другому.

          Микроконтроллеру, обрабатывающему сигналы датчиков необходимо решить следующие задачи. При взвешивании в статике:

-  быстро выдать новые данные о весе груза, помещённого на платформу (фаза 1);

-  устранить шумы и колебания веса в процессе взвешивания, точно измерить вес груза (фаза 2);

-  быстро возвратиться к нулю после снятия груза с платформы (фаза 3).

При взвешивании в динамике:

-  надёжно идентифицировать заезд транспортного средства (оси или колеса) на платформу, исключить лишние выбросы и провалы (фаза 1);

-  как можно более точно измерить вес груза независимо от его скорости и направления движения по платформе (фаза 2);

-  надёжно идентифицировать съезд транспортного средства (оси или колеса) с платформы (фаза 3).

Для повышения точности измерений применяется передискретизация по уровню (повышение разрядности АЦП). Для устранения шумов и выбросов применяется цифровой фильтр низких частот (ФНЧ). Влияние движения груза по платформе исключается путём интерполяции результатов последовательных измерений на разных каналах к одному моменту времени.

Передискретизация по уровню

          Передискретизация по уровню (статистическое интегрирование) позволяет повысить число двоичных разрядов АЦП и понизить уровень шумов. Её алгоритм достаточно простой: складываются N соседних измерений и выдаются как одно. При этом число двоичных разрядов повышается в log₂N раз и в N раз снижается скорость измерений. Уровень шумов в идеале понижается в ÖN раз. Как ни странно, но обязательным условием работы этого алгоритма является наличие во входном сигнале шума с амплитудой не менее ½ младшего значащего разряда АЦП. Желательно, чтобы этот шум имел симметричное распределение амплитуд и равномерный спектр, так как эти параметры влияют на качество передискретизации.

          Принцип передискретизации используется в работе сигма-дельта-АЦП: входной аналоговый сигнал преобразуется в 1-битный цифровой, который затем передискретизируетя до нужного количества разрядов и фильтруется цифровым ФНЧ.

Цифровая фильтрация