一种低转换速率下的电子天平滤波处理方案

1　引言

为降低成本提高测量精度与可靠性,国内目前基于电阻应变式称重传感器的电子天平大多采用低价格单片机配合Σ-Δ型模数转换芯片的硬件电路方案,该方案所需元器件少、内码测量精度高且成本较低[1]。目前通用的Σ-Δ型模数转换芯片主要有CS5530/32、HX711、AD1230、CS1240等,它们具有价格相对较低廉、转换输出位数高等优点,但也存在模数转换速率较低等问题。这些芯片的转换速度一般在每秒10次左右,其内码输出精度在实际使用时如不进行滤波处理往往难于达到产品最终的精度要求。由于多种原因,电子天平内使用的CPU往往是计算能力及资源相当有限的低价格单片机,故难于采用各种运算量大、内存资源要求高或收敛速度在几十点以上的滤波算法,如BUTTERWORTH、小波变换、BP神经网络等[2~4],而针对单片机的一些常规算法[5~7],难以同时实现测量精度及反应速度的要求。本文根据电子天平测量不确定度的分析及实际使用要求[8~9],提出一种采用变长缓冲区及积分阈值比较滤波算法。该算法通过在重量稳定及变化过程中采用不同长度的缓冲区进行均值滤波处理以提高测量示值反应速度,通过对变化量进行积分并与阈值比较的方法来减少示值变化范围并提高抗环境抖动能力。

2　采用变长缓冲区的均值滤波算法

2.1　常规均值滤波算法及其特性

在大多数高精度测量要求下的电子天平里,由于噪声及芯片自身原因,一次模数转换所获得的内码精度往往难于达到最终测量的要求。为提高测量精度,一种通用的低运算量的办法是采用数字式均值处理方法,即设置一个内码队列缓冲区保存每次测得的转换结果,每次数据更新后对整个缓冲区进行均值滤波。均值滤波所需的运算量少,对高斯分布零均值白噪声及周期性干扰信号的滤波效果好,滤波结果的信噪改善比SNIR与缓冲区长度N有关。平均次数为N的均值滤波计算公式见式

(1),对高斯分布零均值白噪声,其信噪改善比SNIR见式(2),式中SNRi、SNRo分别为处理之前及之后的信噪比,N为均值单元数。从式中可见,通过增加平均次数N可以提高SNIR即改善最终测量精度。

N的取值取决于系统的要求,它影响最终测量精度及灵敏度。N取值越大,则滤波效果越好,但灵敏度即示值反应速度降低,且增加对系统存储资源的需要量。采用均值滤波,精度要求与反应速度、系统资源对缓冲区长度的要求是一个矛盾。采用一个固定的均值长度难于同时实现反应速度及测量精度要求。

2.2　变长缓冲区的实用均值滤波算法

为了实现提高测量精度要求的同时加快示值反应速度,需要对均值滤波算法进行改造。通过对电子天平测量过程进行分析,当天平托盘上的待测物体放置稳定时要求测量精度能足够高;而当托盘上重量被取下或放上,即重量发生改变时要求灵敏度即示值反应速度足够快。根据这些要求,本文提出的算法采用可变计算长度的缓冲区均值处理来实现过程适应。具体办法是不断检查前后两次转换值,若发现两者相差较大,表示发生重量测量变化,此时保证高精度要求已无意义,则迅速减少缓冲区长度以提高测量灵敏度;而当重量趋于稳定时即前后两次测量的重量差值小于某个阈值时,则逐渐加长缓冲区长度以提高测量精度。