０引言
在农业、食品等行业中，传统的单秤称量结构简单、功能单一，不能实现个性化的定量称量。组合秤的出现则加快了定量称量这一过程的速度，提高了生产效率。然而设备工作过程中一直伴随重物的下落冲击、料斗的开关闭合等动作，对称重过程有一定的振动干扰，另外设备工作时间过长后，称重传感器会出现温漂零漂等现象，导致称重信号中含有噪声［１］。
为解决噪声问题，工业上对称重模块进行了部分优化，其中硬件方面多采用高位数ＡＤ转换芯片，并在参考电压引脚端接入高精度稳压芯片，或者采用更高频率的ＭＣＵ芯片。这些方法增大了模块制作成本，不利于生产推广［２］。软件滤波方面多采用去极值平均法对称重数据进行处理，而由于该方法是基于含噪信号进行处理，计算出的重量难免会有因此，必须要对硬件进行低成本优化，同时采用更复杂算法将噪声滤除，确保参与计算的数据是去除噪声后的有用数据［３］。
目前常用的信号去噪方法多为傅里叶变换、卡尔曼滤波等分析算法，然而上述算法对平稳信号的过滤较为有效，当信号波动较大时，传统去噪算法的函数很难与之匹配［４］。重物撞击瞬间，重量数值在极短时间内发生突变，傅里叶变换就要分解出很多正弦波形去拟合，效果不佳，时间也比较长因此需要采用能够滤除动态噪声的滤波算法：胥馨尹等［５］采用ＱＲＤ－ＬＳＬ自适应滤波算法，对整体结构的震动效果进行了控制，但无法控制滤波器的阶数以应对不同环境，无法滤除硬件电路温漂零漂产生的噪声信号。郁洋等［６］提出了一种基于小波滤波的滤波算法，能够有效滤除称量系统的噪声，但具体实现与应用仍有待考究。张西良等［７］用离散小波变换处理动态称量信号，并对快速傅里叶变换和离散小波变换的滤波效果进行了对比分析，确定了离散小波变换进行滤波处理的有效性。
小波变换方法是一种时域和频域窗口形态都可改变的时频分析方法，在高频阶段具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，尤其适合处理含噪信号中的高频噪声。本文针对工业上组合秤的称重精度问题，开发了一款全新的基于小波去噪方法的组合秤称重模块，并在现场对该模块的称重性能进行了检验分析。
１称重模块工作原理
目前市面上流行的组合秤主要由线振器、料斗、称重模块、主控模块、电机模块及挡板构成。工作流程为：加料机将物料放在线振器上方的平台上，通过线振器的振动将物料均匀运送到多个料斗，电机模块控制料斗开合，称重模块进行称重处理及数据传输，主控模块负责对称重模块传来的各斗重量进行组合，当组合出目标重量时，选中对应料斗进行放料，物料通过挡板进入包装机内，然后不断循环整个过程［８］。其中，称重模块是组合秤的核心部分，既要保证称量精度与速度，又要配合主控模块完成一定的业务逻辑。称重模块主要由压力传感器、放大电路、ＡＤ转换芯片、ＭＣＵ单片机及电源模块构成。工作原理如图１所示。
首先，压力传感器将压力信号转换为电压信号。放大电路负责将该电压放大至ＡＤ转换芯片适配范围进行输出，ＡＤ转换芯片根据基准电压与输入电压的比例，将电压信号转换为数字信号，通过如ＳＰＩ等协议传输给ＭＣＵ。ＭＣＵ可对该数据进行处理或包装后进行传输。

实际生产中，一旦整体结构发生振动，传感器的输出电压就会发生跳变，而高精度的ＡＤ转换芯片只会如实的将电压转换成数字量交给ＭＣＵ处理［９］。当初始数据存在噪声，执行平均滤波就无法得出实际重量。本模块采用单片机与ＰＣ端共同控制的思想，在放大电路电压输出端加入采集卡，将数据传输给ＰＣ端，以ＰＣ端强大的数据处理工具对电压信号进行小波分析，去除噪声，得到称重数据，然后将称重数据通过ＲＳ－４８５通讯协议发送给ＭＣＵ，由ＭＣＵ对初始数据与ＰＣ端传输数据进行平均处理，输出真实重量［１０］。
２称重模块选型及设计
为方便硬件电路的布线及维修，本模块采用双面板设计。其中放大电路与ＡＤ采集电路放在背面与称重传感器连接，通讯电路与控制电路放在正面与ＰＣ端连接。正反面板在必要位置进行打孔，通过排针进行连接，实现电源供电或通讯协议传输。具体设计如下：
２．１硬件选型及设计
模块主要由压力传感器、放大电路、ＡＤ转换芯片、ＭＣＵ单片机及电源模块构成。
其中压力传感器是称重数据的来源，必须要保证足够的精准度。考虑到自制压力传感器的线性度低，不同重量下的补偿度不一致等问题，本模块选用市面上的德国ＨＢＭ称重传感器，型号为ＳＰ５Ｃ３，其灵敏度能达到２ｍＶ±１０％／Ｖ，且能根据重物重量０～５０ｋｇ输出０～１０ｍＶ的电压。
放大电路选用由ＯＰＡ２２７７及ＴＬＣ２２７２两个运放电路组成的推挽放大电路。在输入端加入１５０Ｒ／１００ＭＨｚ磁珠，抑制信号线上的高频噪声和尖峰干扰，防止静电击穿。经过串联放大，输出端ＡＩＮ＋达到０～２．５Ｖ，满足ＡＤ转换芯片需要。输出电压接到ＡＤ转换芯片输入端，同时经过采集卡将该电压传输给ＰＣ端。
ＡＤ转换芯片负责将电压信号转换为数字信号，是单片机的数据来源，必须要保证较高的精准度。本文选用美国ＣｉｒｒｕｓＬｏｇｉｃ公司推出的２４位模数转换器ＣＳ５５３２－ＢＳＺ。该芯片可通过编程配置增益放大倍数１～３２不等，转换速率范围为７．５Ｈｚ～３．８４ｋＨｚ，具有极佳的动态特性。芯片内部有一个完整的自校正系统，解决了Ａ／Ｄ转换器本身的零点增益和漂移误差，方便调试者进行其他方面的优化滤波［１１］。
ＭＣＵ是业务逻辑核心，负责数据的处理与传输。由于称重模块对定时器的数量要求不高，外围电路少，不需要太多引脚，模块采用ｓｔｍ３２１０３ｃ８ｔ６芯片，其中串口２连接ＲＳ－４８５芯片进行传输通信，串口３连接串口转ＵＳＢ接口，将数据打印到监视窗口方便调试，引脚ＰＡ３～ＰＡ７用于电路板正反面之间的ＳＰＩ通信，ＰＢ１２～ＰＢ１５负责拨码开关的初始化及数值采集，来选择本称重模块的传输编号。其余引脚负责连接稳压器、电源，控制ＬＥＤ灯的通断进行状态显示等工作。
由于ＡＤ转换芯片需要精准的参考电压，模块选择双电源独立供电方式。模块外接１２Ｖ独立电源，连接至两片ＬＰ２９５０ＣＤＴ－５．０Ｖ低压差线性稳压器，其中一片给ＡＤ转换芯片做基准电压，另一片通过ＡＭＳ１１１７－３．３Ｖ稳压器输出３．３Ｖ电压给ＭＣＵ供电。由于双点接地需要加入隔离电路，为避免增加成本，便将ＭＣＵ地端与ＡＤ转换芯片地端连接，中间加入０Ω电阻进行缓冲。
２．２软件设计
硬件设计完成后，要根据业务需求进行软件设计。
软件部分可根据功能划分为控制逻辑程序和驱动程序。其中，控制逻辑主要涉及与ＰＣ端通信、数据采集、平均处理。驱动程序涉及ＡＤ转换芯片、ＳＰＩ协议、各串口引脚的初始化。其中控制逻辑流程如图２所示。

具体实现为，首先执行驱动程序初始化，然后每隔５ｍｓ对ＳＰＩ接口进行一次数据读取，采集１２次后把数值从小到大排列，去除两个最大值、两个最小值，求出剩余数值的平均值，然后判断ＰＣ端有没有数据传入。如果有数据传入，则将平均值与传入值进行平均处理，计算出实际重量，否则重新采集。其次解析主控模块的逻辑，判断需要的工作模式，最后将重量数据进行输出或存储到ＳＤ卡以备算法的改进［１２］。
驱动程序主要分为３个部分：
１）引脚初始化：上电后首先进行引脚初始化，将不同引
脚设置为推挽输出等工作模式。
２）ＳＰＩ使能：设置ＳＰＩ为双线双向全双工模式，数据帧大小为８位，设置串行同步时钟的空闲状态为高电平，命令ＭＣＵ于串行同步时钟的第一个跳变沿采样数据，定义波特率为１１５２００。
３）ＡＤ转换芯片初始化：首先延时１０００ｍｓ，确保ＡＤ转换芯片上电正常。然后通过ＳＰＩ协议设置该芯片的时钟频率，根据手册发送１５个“０ＸＦＦ”和１个“０ＸＦＥ”进入命令模式，发送复位指令，读取反馈数据。若复位成功则开始写配置寄存器、通道设置寄存器来设置工作模式、转换速率、增益放大倍数等参数，执行自校准后开始进行连续转换［１３］。
实际操作中，由于焊接不准确、芯片污损等原因，偶尔会出现初始化失败的现象，因此设置初始化程序连续执行两次。
２．３通讯协议设计
本设计在ＰＣ端进行小波去噪处理，需要通过串口与单片机进行数据通讯。为保证数值传输过程的准确可靠，设计一种包含校验的通讯协议。每一帧数据由开始头、编码号、重量数据、ＢＣＣ校验码组成，均用十六进制表示。其中开始头设置为０ＸＡＡ，编码号可根据实际料斗个数进行设置，为避免小数的传输和换算，重量数据是实际重量的１００倍，占４个字节，单片机接收到后直接除以１００。ＢＣＣ校验码是工业上常用的校验方式，原理是对该帧数据逐位进行异或运算，以检验传输数据的完整［１４］。

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