信號的二值化融合在農(nóng)用車檢測中的應(yīng)用

摘要：以軸重信號的二值化處理和轉(zhuǎn)換過程為例，說明了多通道信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并編碼后可實(shí)現(xiàn)在同一線路的融合傳輸。重點(diǎn)闡述了如何降低測試誤差以及器件選取的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐意義。結(jié)果表明，方法應(yīng)用在農(nóng)用車檢測線中可簡化工程布線、方便線路維修等，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：信號檢測；二值化；信號融合

中圖分類號：ＴＰ３６８．１文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）21－4485-03

Ｂｉｎａｒｙ Ｓｉｇｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｆａｒｍ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ

XIE Hong1，LIU Jian2，ＦＡＮＧ Ｙｉｎｇ3

（1. College of Computer Science and Technology， Shandong University of Technology， Zibo 255049，Shandong，China；

2. Zhangdian Teacher’s In-service Training School， Zibo 255000，Shandong，China；

3. School of Computer and Information Technology， Ｓｈａｎｇｑｉｕ ４７６０００， Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｂｉｎａｒｙ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ， ｉｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｌｉｎｅ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｉｎｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｃｏｄｉｎｇ． Hｏｗ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｒｒｏｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ were explaimed highlightly． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｕｌｄ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ， ｗｈｉｃｈ ｈａd ａ ｇｏｏｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ； ｂｉｎａｒｉｚｅ； ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ

“一點(diǎn)一線”（即信號分線直接傳輸）仍是目前的車輛檢測中最常采用的信號連接方式，但其缺點(diǎn)是布線多、不易維修，如何改進(jìn)這種信號傳輸方式，有人提出利用信號編碼技術(shù)對現(xiàn)場采集的多路傳感器信號進(jìn)行二值化處理［１］，其優(yōu)點(diǎn)是兼容性、通用性強(qiáng)且成本低，但在測試方法和電路原件的選取上仍需進(jìn)一步改進(jìn)。本文認(rèn)為融合多通道信號為一路基帶信號后再進(jìn)行基帶或頻帶傳輸，可用于農(nóng)用車性能檢測中，解決布線和維修中的一系列問題；二值化信號融合中的電路原件選取和誤差測試新方法研究是該系統(tǒng)需要解決的主要問題。

１信號二值化處理必要性和方法

速度、制動力、側(cè)滑、位移、軸重和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等是農(nóng)用車檢測的主要測試項(xiàng)目，由于需要的傳感器數(shù)目多且輸出信號的種類（脈沖信號、模擬信號和數(shù)字信號等）差別大，必須先對其進(jìn)行二值化處理，使所有信號統(tǒng)一變換成一組具有一定寬度的在時(shí)間上離散的二值化脈沖信號，然后可利用數(shù)字信號編碼技術(shù)進(jìn)行信號處理和變換，從而使一條信號線可傳輸多路傳感器信號。

為了實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由現(xiàn)場傳感器、信號處理與變換、下位機(jī)、上位機(jī)和無線傳輸?shù)饶K組成。下面以軸重信號為例，詳細(xì)說明信號的二值化處理和變換過程。

２軸重信號的處理和變換方法

２．１信號處理方法

Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換和Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換是對模擬信號二值化處理的常用方法。雖然采樣速度低，但Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換抗干擾性好且便于遠(yuǎn)距離傳輸，與軸重傳感器的輸出信號較弱，工作現(xiàn)場又存在干擾信號的現(xiàn)狀比較符合，因此課題采用Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換技術(shù)對軸重傳感器信號進(jìn)行二值化處理。

針對軸重傳感器輸出信號弱（滿量程時(shí)僅為１５ ｍＶ左右）的問題，需要進(jìn)行信號放大處理，但同時(shí)放大的干擾信號會嚴(yán)重影響檢測的準(zhǔn)確性。因此放大電路的設(shè)計(jì)擬采用兩級電路構(gòu)成：第一級采用具有高輸入阻抗和高共模抑制比的測量放大器，第二級采用二階有源低通濾波器。需進(jìn)一步說明的是：低通濾波電路往往在通頻帶附近的范圍內(nèi)下降較多，為避免這種不理想的截止特性，可在設(shè)計(jì)中采用具有補(bǔ)償特性的Ｓａｌｌｅｎ－ｋｅｙ二階有源低通濾波電路（圖１）。

電路中各參數(shù)計(jì)算過程如下：

幅頻特性為：

ｋ（ω）＝■（１）

式中：Ｐ＝ｊω（２）

kｐ為濾波器的增益：kｐ＝１＋■（３）

ω０為濾波器固有角頻率：ω０＝（R1R2C1C2）■ （４）

β為阻尼系數(shù)：

β＝■■■（５）

當(dāng)β＜■時(shí)即可使幅頻特性在ω＝ω０點(diǎn)，即在截止頻率附近獲得共振峰Ｋ（ωｐ）。由于幅頻特性的提升是利用電路中的正反饋，因此提升的太大則將造成電路的穩(wěn)定性變差。為了保證電路的穩(wěn)定性，一般取提升峰值與通帶內(nèi)幅值之比■為１．１～２．５即可。共振峰峰值的計(jì)算如下：

由幅頻特性表達(dá)式（１）可知，幅頻特性是角頻率ω的函數(shù)。因此為求得共振峰點(diǎn)的角頻率，可令kω=0

即ｄω＝1-■+2β■=0

于是有：■■+2β2-1=0

從而求解得到振峰點(diǎn)的角頻率ωｐ＝ω０■

在ωｐ點(diǎn)對應(yīng)的最大峰值Ｋ（ωｐ）為：

ｋ（ωｐ）＝■

由于軸重傳感器的工作頻率很低，因此低通濾波器的截止頻率取ｆ０＝２０Ｈｚ，取阻尼系數(shù)β＝０．４。取濾波增量ｋｐ＝５，Ｃ１＝０．５ μｆ，Ｃ２＝１ μｆ

因?yàn)椋茫保茫玻兀埃剑拨校妫埃拢耄鸲紴槎ㄖ担耄ǎ矗ⅲǎ担┦角蠼饬⒓纯梢缘玫剑耄薄郑矗常耄耄病郑保担?/p>

為使運(yùn)放的同相輸入阻抗和反相輸入阻抗盡可能一致。使：

Ｒ１＋Ｒ２＝Ｒ３／Ｒｆ（６）

由于：ｋｐ=1+■（７）

將（６）、（７）聯(lián)立求解得：Ｒｆ≈１００ ｋ，Ｒ≈２５ ｋ

２．２信號轉(zhuǎn)換方法

常用的Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換技術(shù)［2-4］有定時(shí)復(fù)原型、電壓反饋性、穩(wěn)壓比較型和電荷平衡型，為簡化電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用了電荷平衡型Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換。

工作原理可簡要描述為：開始時(shí)積分器在輸入模擬電壓作用下，積分器進(jìn)入第一階段反向定值積分，并在積分電容上得到定量的電荷。當(dāng)積分到比較器的給定值時(shí)，比較器反轉(zhuǎn)，并控制定時(shí)、定值電路輸出一個(gè)與輸入模擬電壓方向相反、寬度和幅值都較為精確定值的脈沖，積分方向與第一階段相反，進(jìn)入第二階段積分，并從積分電容上放出一定量的電荷。由于第二階段是定時(shí)、定值積分，因此定時(shí)時(shí)間到后，積分器自動轉(zhuǎn)入對輸入模擬電壓的積分，至此，一個(gè)積分周期結(jié)束。隨著上述過程的重復(fù)，于是在積分器的輸出端得到連續(xù)輸出的鋸齒波，同時(shí)也在定時(shí)、定值電路的輸出端得到與鋸齒波頻率相同的脈沖序列。

３誤差分析

由于軸重信號為模擬信號，經(jīng)過放大、濾波和二值化變換后，將產(chǎn)生一定的非線性誤差。為保證系統(tǒng)的測試精度，有必要對其進(jìn)行測試精度和誤差分析，以確定這些誤差對系統(tǒng)測試精度的影響。文獻(xiàn)［１］用靜態(tài)方式進(jìn)行測試，經(jīng)Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換后，當(dāng)輸入信號大于１６ ｍV后非線性誤差有逐漸增大的趨勢，誤差產(chǎn)生的主要原因由定時(shí)器所引起。文獻(xiàn)［１］的定時(shí)器電路中采用的是普通的定時(shí)元件，尤其電容器采用的是瓷片電容，穩(wěn)壓性較差，本課題用高精度的聚苯乙烯電容。另外由于Ｖ／Ｆ轉(zhuǎn)換采用的是電荷平衡型，若積分電容有泄漏電流時(shí)將不能保證一個(gè)積分周期中的電荷平衡。因此積分電容也選用高精度的聚苯乙烯積分電容。

從表１中可看出，當(dāng)改用聚苯乙烯電容后，軸重傳感器信號的轉(zhuǎn)換結(jié)果的相對誤差比文獻(xiàn)［１］得到了較明顯的改善。

４信號編碼

數(shù)字通信中所采用的線路編碼技術(shù)多種多樣［5，6］。本課題對傳輸碼的要求是：①傳輸碼為單極性碼，碼元應(yīng)攜帶定時(shí)信息；②無直流分量，能自動適應(yīng)信道相位或極性。相應(yīng)選取的編碼型為差分雙相碼，因?yàn)樵摯a型在碼元周期中間存在電平跳變，可將其提取出來作為定時(shí)信息；不怕信道相位反轉(zhuǎn)是該碼型的最大特點(diǎn)。需另說明的是：差分雙向碼的碼元脈沖為Ｔ／２（Ｔ為碼元的寬度），比非歸零碼的信號帶寬要增加一倍，而研究傳輸?shù)默F(xiàn)場信號變化速率不是太高（不超過１０ ｋＨｚ），因此完全可以采用該碼型作為信道線路傳輸碼。

由現(xiàn)場信號到信道傳輸碼變換全部硬件電路的組成結(jié)構(gòu)框圖［４］如圖２所示。

５小結(jié)

針對傳統(tǒng)農(nóng)用車檢測中信號繁多的現(xiàn)狀，采納了信號的二值化處理和轉(zhuǎn)化思路，應(yīng)用于信號的傳輸和編碼中，對電路器件和靜態(tài)檢測方法進(jìn)行了改進(jìn)。通過對軸重信號的針對性實(shí)驗(yàn)表明，原件采用具有理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，技術(shù)上可行，二值化后的數(shù)字信號進(jìn)一步編碼后可在同一條線路融合傳輸多路信號，其應(yīng)用勢必大大消減信號傳輸線路的數(shù)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高兼容性和通用性、降低硬件成本的最終目的。

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