０引言
在農業、食品等行業中，傳統的單秤稱量結構簡單、功能單一，不能實現個性化的定量稱量。組合秤的出現則加快了定量稱量這一過程的速度，提高了生產效率。然而設備工作過程中一直伴隨重物的下落衝擊、料鬥的開關閉合等動作，對稱重過程有一定的振動幹擾，另外設備工作時間過長後，稱重傳感器會出現溫漂零漂等現象，導致稱重信號中含有噪聲［１］。
為解決噪聲問題，工業上對稱重模塊進行了部分優化，其中硬件方麵多采用高位數ＡＤ轉換芯片，並在參考電壓引腳端接入高精度穩壓芯片，或者采用更高頻率的ＭＣＵ芯片。這些方法增大了模塊製作成本，不利於生產推廣［２］。軟件濾波方麵多采用去極值平均法對稱重數據進行處理，而由於該方法是基於含噪信號進行處理，計算出的重量難免會有因此，必須要對硬件進行低成本優化，同時采用更複雜算法將噪聲濾除，確保參與計算的數據是去除噪聲後的有用數據［３］。
目前常用的信號去噪方法多為傅裏葉變換、卡爾曼濾波等分析算法，然而上述算法對平穩信號的過濾較為有效，當信號波動較大時，傳統去噪算法的函數很難與之匹配［４］。重物撞擊瞬間，重量數值在極短時間內發生突變，傅裏葉變換就要分解出很多正弦波形去擬合，效果不佳，時間也比較長因此需要采用能夠濾除動態噪聲的濾波算法：胥馨尹等［５］采用ＱＲＤ－ＬＳＬ自適應濾波算法，對整體結構的震動效果進行了控製，但無法控製濾波器的階數以應對不同環境，無法濾除硬件電路溫漂零漂產生的噪聲信號。鬱洋等［６］提出了一種基於小波濾波的濾波算法，能夠有效濾除稱量係統的噪聲，但具體實現與應用仍有待考究。張西良等［７］用離散小波變換處理動態稱量信號，並對快速傅裏葉變換和離散小波變換的濾波效果進行了對比分析，確定了離散小波變換進行濾波處理的有效性。
小波變換方法是一種時域和頻域窗口形態都可改變的時頻分析方法，在高頻階段具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，尤其適合處理含噪信號中的高頻噪聲。本文針對工業上組合秤的稱重精度問題，開發了一款全新的基於小波去噪方法的組合秤稱重模塊，並在現場對該模塊的稱重性能進行了檢驗分析。
１稱重模塊工作原理
目前市麵上流行的組合秤主要由線振器、料鬥、稱重模塊、主控模塊、電機模塊及擋板構成。工作流程為：加料機將物料放在線振器上方的平台上，通過線振器的振動將物料均勻運送到多個料鬥，電機模塊控製料鬥開合，稱重模塊進行稱重處理及數據傳輸，主控模塊負責對稱重模塊傳來的各鬥重量進行組合，當組合出目標重量時，選中對應料鬥進行放料，物料通過擋板進入包裝機內，然後不斷循環整個過程［８］。其中，稱重模塊是組合秤的核心部分，既要保證稱量精度與速度，又要配合主控模塊完成一定的業務邏輯。稱重模塊主要由壓力傳感器、放大電路、ＡＤ轉換芯片、ＭＣＵ單片機及電源模塊構成。工作原理如圖１所示。
首先，壓力傳感器將壓力信號轉換為電壓信號。放大電路負責將該電壓放大至ＡＤ轉換芯片適配範圍進行輸出，ＡＤ轉換芯片根據基準電壓與輸入電壓的比例，將電壓信號轉換為數字信號，通過如ＳＰＩ等協議傳輸給ＭＣＵ。ＭＣＵ可對該數據進行處理或包裝後進行傳輸。

實際生產中，一旦整體結構發生振動，傳感器的輸出電壓就會發生跳變，而高精度的ＡＤ轉換芯片隻會如實的將電壓轉換成數字量交給ＭＣＵ處理［９］。當初始數據存在噪聲，執行平均濾波就無法得出實際重量。本模塊采用單片機與ＰＣ端共同控製的思想，在放大電路電壓輸出端加入采集卡，將數據傳輸給ＰＣ端，以ＰＣ端強大的數據處理工具對電壓信號進行小波分析，去除噪聲，得到稱重數據，然後將稱重數據通過ＲＳ－４８５通訊協議發送給ＭＣＵ，由ＭＣＵ對初始數據與ＰＣ端傳輸數據進行平均處理，輸出真實重量［１０］。
２稱重模塊選型及設計
為方便硬件電路的布線及維修，本模塊采用雙麵板設計。其中放大電路與ＡＤ采集電路放在背麵與稱重傳感器連接，通訊電路與控製電路放在正麵與ＰＣ端連接。正反麵板在必要位置進行打孔，通過排針進行連接，實現電源供電或通訊協議傳輸。具體設計如下：
２．１硬件選型及設計
模塊主要由壓力傳感器、放大電路、ＡＤ轉換芯片、ＭＣＵ單片機及電源模塊構成。
其中壓力傳感器是稱重數據的來源，必須要保證足夠的精準度。考慮到自製壓力傳感器的線性度低，不同重量下的補償度不一致等問題，本模塊選用市麵上的德國ＨＢＭ稱重傳感器，型號為ＳＰ５Ｃ３，其靈敏度能達到２ｍＶ±１０％／Ｖ，且能根據重物重量０～５０ｋｇ輸出０～１０ｍＶ的電壓。
放大電路選用由ＯＰＡ２２７７及ＴＬＣ２２７２兩個運放電路組成的推挽放大電路。在輸入端加入１５０Ｒ／１００ＭＨｚ磁珠，抑製信號線上的高頻噪聲和尖峰幹擾，防止靜電擊穿。經過串聯放大，輸出端ＡＩＮ＋達到０～２．５Ｖ，滿足ＡＤ轉換芯片需要。輸出電壓接到ＡＤ轉換芯片輸入端，同時經過采集卡將該電壓傳輸給ＰＣ端。
ＡＤ轉換芯片負責將電壓信號轉換為數字信號，是單片機的數據來源，必須要保證較高的精準度。本文選用美國ＣｉｒｒｕｓＬｏｇｉｃ公司推出的２４位模數轉換器ＣＳ５５３２－ＢＳＺ。該芯片可通過編程配置增益放大倍數１～３２不等，轉換速率範圍為７．５Ｈｚ～３．８４ｋＨｚ，具有極佳的動態特性。芯片內部有一個完整的自校正係統，解決了Ａ／Ｄ轉換器本身的零點增益和漂移誤差，方便調試者進行其他方麵的優化濾波［１１］。
ＭＣＵ是業務邏輯核心，負責數據的處理與傳輸。由於稱重模塊對定時器的數量要求不高，外圍電路少，不需要太多引腳，模塊采用ｓｔｍ３２１０３ｃ８ｔ６芯片，其中串口２連接ＲＳ－４８５芯片進行傳輸通信，串口３連接串口轉ＵＳＢ接口，將數據打印到監視窗口方便調試，引腳ＰＡ３～ＰＡ７用於電路板正反麵之間的ＳＰＩ通信，ＰＢ１２～ＰＢ１５負責撥碼開關的初始化及數值采集，來選擇本稱重模塊的傳輸編號。其餘引腳負責連接穩壓器、電源，控製ＬＥＤ燈的通斷進行狀態顯示等工作。
由於ＡＤ轉換芯片需要精準的參考電壓，模塊選擇雙電源獨立供電方式。模塊外接１２Ｖ獨立電源，連接至兩片ＬＰ２９５０ＣＤＴ－５．０Ｖ低壓差線性穩壓器，其中一片給ＡＤ轉換芯片做基準電壓，另一片通過ＡＭＳ１１１７－３．３Ｖ穩壓器輸出３．３Ｖ電壓給ＭＣＵ供電。由於雙點接地需要加入隔離電路，為避免增加成本，便將ＭＣＵ地端與ＡＤ轉換芯片地端連接，中間加入０Ω電阻進行緩衝。
２．２軟件設計
硬件設計完成後，要根據業務需求進行軟件設計。
軟件部分可根據功能劃分為控製邏輯程序和驅動程序。其中，控製邏輯主要涉及與ＰＣ端通信、數據采集、平均處理。驅動程序涉及ＡＤ轉換芯片、ＳＰＩ協議、各串口引腳的初始化。其中控製邏輯流程如圖２所示。

具體實現為，首先執行驅動程序初始化，然後每隔５ｍｓ對ＳＰＩ接口進行一次數據讀取，采集１２次後把數值從小到大排列，去除兩個最大值、兩個最小值，求出剩餘數值的平均值，然後判斷ＰＣ端有沒有數據傳入。如果有數據傳入，則將平均值與傳入值進行平均處理，計算出實際重量，否則重新采集。其次解析主控模塊的邏輯，判斷需要的工作模式，最後將重量數據進行輸出或存儲到ＳＤ卡以備算法的改進［１２］。
驅動程序主要分為３個部分：
１）引腳初始化：上電後首先進行引腳初始化，將不同引
腳設置為推挽輸出等工作模式。
２）ＳＰＩ使能：設置ＳＰＩ為雙線雙向全雙工模式，數據幀大小為８位，設置串行同步時鍾的空閑狀態為高電平，命令ＭＣＵ於串行同步時鍾的第一個跳變沿采樣數據，定義波特率為１１５２００。
３）ＡＤ轉換芯片初始化：首先延時１０００ｍｓ，確保ＡＤ轉換芯片上電正常。然後通過ＳＰＩ協議設置該芯片的時鍾頻率，根據手冊發送１５個“０ＸＦＦ”和１個“０ＸＦＥ”進入命令模式，發送複位指令，讀取反饋數據。若複位成功則開始寫配置寄存器、通道設置寄存器來設置工作模式、轉換速率、增益放大倍數等參數，執行自校準後開始進行連續轉換［１３］。
實際操作中，由於焊接不準確、芯片汙損等原因，偶爾會出現初始化失敗的現象，因此設置初始化程序連續執行兩次。
２．３通訊協議設計
本設計在ＰＣ端進行小波去噪處理，需要通過串口與單片機進行數據通訊。為保證數值傳輸過程的準確可靠，設計一種包含校驗的通訊協議。每一幀數據由開始頭、編碼號、重量數據、ＢＣＣ校驗碼組成，均用十六進製表示。其中開始頭設置為０ＸＡＡ，編碼號可根據實際料鬥個數進行設置，為避免小數的傳輸和換算，重量數據是實際重量的１００倍，占４個字節，單片機接收到後直接除以１００。ＢＣＣ校驗碼是工業上常用的校驗方式，原理是對該幀數據逐位進行異或運算，以檢驗傳輸數據的完整［１４］。

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