為了提高動態地磅的稱重精度，采用有限沖擊響應(FIR)數字濾波算法濾除車輛動態稱重過程中產生的隨機干擾噪聲。鑒 于稱重信號的信噪比較低和干擾噪聲的復雜性，對基本算法進行了改進和優化，基于ARM微控制器平臺實現了這一算法。通 過對應用該算法的動態地磅的稱重結果的分析，證明此算法對于提高動態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,也是引發交通事故的一個重要因素,給國家和人民 生命財產造成嚴重的危害。需要采用先進的技術手 段,從根本上解決車輛超載超限運輸問題,為此,公司結合自己多年動態稱重設備的研發、制 造、應用經驗進行技術創新,依據交通部車輛軸類型 及軸載質量標準，成功開發出符合我國車輛管理規范 要求的CW公路車輛超限動態檢測與計重收費系統(簡 稱:動態地磅),為治理車輛超載超限運輸提供了強有 力的技術手段。

動態地磅采用動態稱重(WIM)技術,即在車輛行 駛的狀態下進行稱重。與靜態稱重相比,其主要特點是 節省時間,效率高,不會對正常交通造成影響。但設備 工作環境惡劣、稱重時間短,沖擊力大、干擾因素多, 嚴重影響動態稱重精度。因此,如何克服外界隨機干擾 的影響,準確稱量車輛重量,成了動態地磅的技術難 點和關鍵。

2.設備組成及工作原理

CW動態地磅主要由動態軸重衡、輪軸識別器、 車輛分離器、稱重控制儀表及上位機組成,如圖1所示。 動態軸重衡以稱量軸載的方式對車輛的各軸或軸組依 次進行稱量,確定車輛總重量;輪軸識別器由一組壓力傳 感器組成,當車輛輪胎壓過時,將壓力信號轉換為輪胎 數量信號;車輛分離器通過紅外光的同步掃描來提供車 輛的開始和結束信號,保證稱重數據和車輛之間的對應 關系;稱重控制儀表檢測設備的工作狀態,采集各種傳感 器信號,處理數據;上位機管理視頻音頻、智能路閘、聲光報警器和大屏幕顯示器等設備,接收和處理儀表上傳 的車輛信息，自動判斷是否超載超限,生成和打印各種 報表,并與控制中心通訊。

當車輛進入稱重檢測車道時,車輛分離器首先識別 車輛并啟動稱重程序,車軸通過動態軸重衡,得到該軸 的軸載信息,然后,相應的軸通過輪軸識別器,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,當車輛分離器檢測到車輛 尾部通過后給出收尾信號，儀表將稱重時間、超限標 志、速度、速度變化、軸數、軸組數、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據包 并進行傳輸。上位機對數據包進行處理，計算整車重 量,控制視頻設備對車輛進行拍照,并按控制中心下發 的計重收費標準進行相應的收費計算,同時通過大屏幕 顯示器顯示車型、車重、超載率、收費金額等數據供 司機查看。如果車輛超載超限，將驅動聲光報警器報 警。車輛完成交費后,收費員控制擋車欄桿開啟，車輛 得以通行。

3.動態稱重信號分析

汽車動態稱重過程中的運動狀態是相當復雜的,當 車輛通過動態地磅時,傳感器受到的作用力包括兩部 分,一是車輛的穩態載荷，即由于車輛在當前輪軸上分 擔的重量引起的載荷;二是車輛的動態載荷,或者稱為瞬 態載荷。動態載荷產生的因素很多，主要有三類,一是 由車輛自身的各種因素引起的振動;二是由路面不平造 成的振動;三是由車輛與地表稱合而產生的振動。動 態載荷在稱重過程中是作為噪聲出現的，是影響稱量 精度的主要因素,要想把所測量的真實靜態軸載信號 比較準確地反映出來,就必須最大限度地消除隨機噪 聲干擾。

相關實驗顯示:動態稱重信號的信噪比很低干擾 噪聲的幅值可達真實軸重的20%甚至更多。成分也非 常復雜,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的大小,參數越大,消除 干擾噪聲的效果越好,但輸出信號的延遲也越大,這對 車輛動態稱重來說是不允許的;參數越小,實時性越好, 但消除干擾噪聲的效果也越差。這樣濾波后的信號仍 然含有相當一部分的干擾信號,必須采用數字濾波的方 法加以消除。因此,動態地磅的稱重精度很大程度上 取決于數字信號處理方法,優良的數字濾波算法顯得尤 為重要。

數字濾波基于一定長度的數據,為了獲得盡可能多 的稱重數據,一般采用以下兩種方法:一是選用高速AD 轉換器,提高采集頻率;二是增加稱重平臺的寬度(沿車 輛通過的方向),增加稱重時間,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 的寬度較窄,車輛正常通過時車速可以近似勻速處理, 其信號波形如圖2所示。車輛剛進入稱重平臺時,由于 傳感器應變片突然受力還無法回至平衡,此時的輸出峰 值將高于真實的軸重值,根據應用經驗,這段傳感器的 反應時間(t。) 一般為25ms,這段時間的數據在實際測量 中可以不予考慮,只要對后續時間(％?^的采集數據進 行濾波處理。

4.數字濾波的原理及實現

數字濾波器是一種用來過濾時間離散信號的數字 系統,通過對采樣數據進行數學處理來達到頻域濾波的 目的。常用的數字濾波方法有限幅濾波、中值濾波、算 術平均濾波、加權平均濾波、滑動平均濾波、低通濾波 和復合濾波等。這些簡單的濾波方法對于緩慢變化的 信號具有很好的濾波效果,但對于車輛動態稱重這種變 化比較快的信號的濾波就無能為力了。通過反復對比 試驗,CW動態地磅采用了高效的有限沖激響應(FIR)

數字濾波方法，FIR濾波器是非遞歸的，它總是穩定的， 更市要的是它在滿足幅頻響應要求的同時，可以疢甩嚴 格的線性相位特件，汴具有池波效垠好濾波每數伐改h 便而且荇易實現等優點|41。凡計算職理?1厶示為：

式(1)中:x(n>為最近時刻(t=nT)的采集丨.)馬.T為采 樣岡期《

x(n k)為延時廣k個采樣冏_采柒倍y,

_為第k個延時節的加權值，即濾波器系數* y(n>為最近時刻OnT)濾波后的輸出倍號《

N為濾波器的階數，也稱濾波器的抽頭ft.為丈枯數， 押想濾波器的牮位沖擊響卩V:址非因果.無限氏的. 物理上無法實現》為了設計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響應來得到物埋上可實現的線性相位、w采的 FIR濾波器?其系統函數可表示為：

由于FIR濾波器具存線性相位，所以h(n>具行對稱 性質，即：

利帀這W性，可以對串行結構進行改進.得到乘 法次敗少的結構.如圖3所示(閣中m二(N 1) 2).首先 進行加法運Vf.然后對加法運算的結果進行串行乘累加 運療.改進/5的結構完成一次濾波僅滿要(N+D/2次乘 法運W.. W晝申行或終聯結構所覓次釹的半，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、濾波器的運算量越大，湞波后信號的時延也越尺，因而必須 折中考虎N的大小,基本原則是濾波器卷枳運算的時間 應小十信兮的采樣周期，以滿足實時件:的要求.通過反復實驗，CW動態地磅采用19階的FIR濾波算法，實 現一次FIR卷積運算需要執行10次乘法和18次加法， 為廠實現數據的實時處理.需要在一個儀表采樣周期內完成數據家集和往枳運茛。在較低性能微控制器系統 屮，由于微控制器資諏的限制,無法砷足實叫人《浮點 運算的要求，通常只能采用專門的硬件來變現。隨著微 控制器技術的發展，新型ARM微控制器A有非常卓越 的性能.極高的性價比,完全具備用軟件實現FIR濾波 的能)JIM。

CW動態地磅的稱?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:浮點協處現器的AKM926EJ S CPU內核,工作頻率高達266MHz,具備復雜數據的快 速處理能力，用C語言完成-次卷枳運算時間約為1 us |61. AD轉換器選用了漶州儀器(T1)為高速數據采集應用 推出的超高性能模數轉換器ADS8254,它采用T1最新一代逐次通過寄存器)技術，內部矩成了四通道多 路從明器，輸人運鋅放人器.6ppmC參考以及參考 級沖器.拙有4個全差分輸入通邁，16位轉換精度和I MSPS矜換速宇.完成-次轉換只有4us，具有業界一流 的AC和DC性能和超低信進漂移,能確保信號測量的與 可重復性。議表采樣速率為50kHz,每隔20us 0動轉換-次.聽以有足夠的時間完成AD轉換和卷積運算，圖4是儀表的功能框。當個:輛以20km/h速度 通過900mm寬的稱重平臺時.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的稱車時間約為 126ms,除去前25ms傳感器的反應時間，可以采集大約 5050個數據，這些數據經過FIR數字濾波后，噪聲被貧 效的抑制.就可以計算出今:輛的真實重量。

5.算法的改進和優化

當輸入信號的干擾較小時,FIR濾波基本算法有很 好的濾波效果。但動態汽車衡安裝在戶外，日曬雨淋, 環境異常嚴酷,電磁干擾、溫度影響、沖擊和震動都比 較嚴重,稱重信號會變得有毛刺甚至很嚴重,基本算法 無法剔除這些外界干擾因素造成的噪聲。經過大量的 實驗和調試,我們對FIR濾波基本算法進行了改進和優 化,極大地改善了濾波性能,使動態地磅的技術指標 達到了設計要求。

（1）在FIR濾波之前對采樣數據進行一次過濾,處 理一些異常點,具體做法是:先采樣兩個點，比較這兩個 點是否異常？異常重新采樣,否則繼續。那么如何判斷 異常呢？經過反復的實驗、調試和理論推導發現:如果 二個數之差的絕對值超過了第一個數的絕對值10%就 可以認為該數是異常的數,這樣就剔除了汽車高速通過 軸重臺時由于顛簸產生的尖峰信號,經過這個環節我們 可以得出兩個正常的數,為后續處理所用。

（2）在后續每次采樣后都把這次數與上次數比較。 如第三次采樣的數與在第一步中得到的正常的第二個 數進行比較,如果二個數之差的絕對值超過了第二個數 的絕對值10 %,我們就把第二個數代替第三個數,這樣 一方面消除了異常數的影響;另一方面又不影響采樣頻 率和數據數量。

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

（4）為了進一步降低尖峰脈沖的影響,改善信號的 平滑性,又將經過二次FIR濾波的輸出數據每12個一 組,去掉一個最大和最小數,再對10個數求平均值。

6.實驗及結果分析

濾波器的各種重要指標都是由窗函數決定,為了改 善濾波器的性能,窗函數譜的主瓣應盡可能窄，旁瓣峰 值衰減應盡可能大,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,實際應用中要折衷處 理,兼顧各項指標。通過對矩形(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。儀表采集的車輛動態稱重信 號為含有多種噪聲成分的直流信號,其波形如圖6所示。 原始數據經過優化算法處理后其波形如圖7所示。從實 驗結果可以看出,濾波之前的噪聲的峰值在0.1左右,部 分噪點峰值達到了 0.15,而此時的軸重信號為1,這將嚴 重影響動態稱重精度。采樣數據經過FIR濾波優化算 法處理后信號得到了明顯的改善,可以得到非常平穩的 重量信號,噪聲信號的峰值被抑制在0.01的范圍內,這 就大大改善了信噪比,提高了動態稱重精度。

為了檢驗采用優化算法的動態地磅的技術性能, 廣東省計量科學研究院按照JJG 907-2006《動態公路 車輛自動衡器》國家檢定規程的要求對CW動態地磅進行了檢定,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標準砝 碼，在靜態情況下稱得汽車前軸重量是5620kg,后軸重 量是18340Kg。表1是部分檢定數據,數據表明采用優 化算法的動態地磅在20km/h速度以內整車稱重精度 優于士 1%,達到了較高的準確度水平。

7.結束語

動態地磅是公路車輛超載超限檢測和計重收費 的重要技術裝備,但其動態稱重精度和穩定性一直是制 約設備廣泛應用的重要原因,本設計采用FIR濾波優化 算法,對動態稱重信號進行處理,有效地去除了噪聲干 擾,應用該技術后CW動態地磅的稱重精度和穩定性大幅提高,取得了非常明顯的效果,現已投入批量生產。