雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置及方法，包括信號調理電路、A/D模塊和微控制器應用系統(tǒng)等。兩路信號采集通道同步采集雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測量板信號和參考板信號；采用相同的數(shù)字濾波器，對兩路采樣信號分別進行數(shù)字濾波；對濾波之后的兩路采樣信號分別進行離散傅里葉變換（DFT）；然后，對兩信號的DFT結果進行頻域差分；對頻域差分結果進行離散傅里葉反變換（IDFT），得到剔除了背景振動噪聲的測產輸出信號；最后，對測產輸出信號進行標度變換，得到谷物產量信息。本發(fā)明可有效消除隨機噪聲和背景振動噪聲對測產傳感器輸出信號的影響，提高傳感器測產精度，可應用于聯(lián)合收割機谷物產量在線監(jiān)測。
【專利說明】雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置及方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及聯(lián)合收割機谷物測產【技術領域】，尤其是用于雙板差分沖量式谷物流量傳感器的信號處理裝置及方法。
【背景技術】
[0003]精細農業(yè)通過獲取農田內作物產量和影響作物生長的環(huán)境因素的空間差異性信息，可對農田內各小區(qū)域因地制宜、按需實施定位變量農作，以提高農業(yè)投入的有效利用率，是大田農業(yè)的重要發(fā)展方向。聯(lián)合收割機谷物測產是實踐精細農業(yè)的核心內容之一。在各類測產裝置中，沖量式谷物流量傳感器因其安裝方便、造價低廉、工作可靠且安全無污染等特點而成為國內外的研究熱點。
[0004]沖量式谷物流量傳感器的主要部件是彈性受力板和應變感應裝置。從聯(lián)合收割機谷物升運器出口拋灑出來的具有一定沖量(速度和質量)的谷物籽粒沖擊到彈性受力板上，使應變感應裝置產生應變，經電橋等轉換為電壓輸出信號。由于彈性受力板固定在聯(lián)合收割機谷物升運器出口的機架上，聯(lián)合收割機工作過程中產生的機體振動通過谷物升運器傳遞到彈性受力板上，從而使沖量式谷物流量傳感器的輸出信號中含有大量的背景振動噪聲，對其測產精度影響很大。
[0005]國內外學者對沖量式谷物流量傳感器背景振動噪聲的剔除方法進行了大量研究。其中，文獻“聯(lián)合收割機產量傳感器的信號處理”(張鳳傳，張啟俊，等.中國農機化，2004(4):44-47)提出了一種積分 抑噪電路用于減少機體振動對沖量式產量傳感器的影響。文獻“懸臂梁沖量式谷物流量傳感器阻尼設計”(周俊，周圍祥，等.農業(yè)機械學報，2005，(11)121-123)提出了一種彈性阻尼消振方法用于減少聯(lián)合收獲機機體振動噪聲的影響。文獻“平行梁沖量式谷物流量傳感器信號處理方法”(周俊，劉成良，等.農業(yè)工程學報，2008，24(I) 183-187)提出了一種自適應陷波濾波的方法，用于消除聯(lián)合收獲機工作環(huán)境中存在的非穩(wěn)定低頻振動干擾，以增加測產傳感器的測量精度。以上方法都取得了一定的降噪效果，在一定程度上提高了沖量式谷物流量傳感器的測產精度，但在田間變化工況下的濾波效果還有待于進一步提高。文獻“雙板差分沖量式谷物流量傳感器設計”(胡均萬，羅錫文，等.農業(yè)機械學報，2009,40 (4)69-72)公開了一種雙板差分沖量式谷物流量傳感器,測量板與參考板結構相同且相互平行布置，振動模態(tài)基本相同，參考板專用于感應機體振動，測量板則同時承受機體振動和谷物沖擊，并通過時域差分從測量板輸出信號中消除參考板感應到的機體振動噪聲。該方法能夠較好地分離出背景噪聲信號，但由于測量板信號與參考板信號的同步性難以保證，制約了傳感器測產精度和穩(wěn)定性的進一步提高。

【發(fā)明內容】

[0006]針對現(xiàn)有沖量式谷物流量傳感器受聯(lián)合收割機背景振動噪聲影響較大，測產精度難以提高的問題，本發(fā)明提供雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置及方法。通過測量板信號和參考板信號的同步采集、數(shù)字濾波和頻域差分等方法從測量板采樣信號中剔除參考板感應到的機體振動噪聲，以提高測產精度及其穩(wěn)定性。
[0007]為了解決以上技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案:
雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置，包含信號調理電路、A/D模塊、微控制器應用系統(tǒng)和鍵盤顯示模塊出)，信號調理電路中包含應變電橋、放大器和抗混疊濾波器，其特征在于:微控制器應用系統(tǒng)采用DSP模塊(5)，雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測量板信號輸入到信號調理電路A(I)，信號調理電路A(I)的輸出信號連接至A/D模塊A(3)，雙板差分沖量式谷物流量傳感器的參考板信號輸入到信號調理電路B(2)，信號調理電路B(2)的輸出信號連接至A/D模塊B(4)，信號調理電路A(I)與信號調理電路B(2)的電路結構和參數(shù)完全相同，A/D模塊A (3)與八/1)模塊8(4)的電路結構和參數(shù)完全相同且在DSP模塊(5)的控制下同步采樣，采樣輸出信號都連接至DSP模塊(5)，DSP模塊(5)的處理結果輸送到鍵盤顯示模塊(6)顯示，并可接收鍵盤顯示模塊(6)輸送來的設置參數(shù)。
[0008]所述A/D模塊A(3)、A/D模塊B(4)和DSP模塊(5)可由數(shù)字信號處理控制器DSP56F803實現(xiàn)，DSP56F803內置有多路轉換開關和A/D轉換器，并具有8個模擬量輸入通道ΑΙΜΑΙΝ7，谷物流量傳感器的測量板信號輸入到信號調理電路A(I)，信號調理電路A(I)的輸出信號連接至采樣/保持器A(7)，采樣/保持器A(7)的輸出信號連接到DSP56F803模塊(9)的AINO引腳，采樣/保持器A (7)的控制端連接至DSP56F803模塊(9)的I/O接口 I，谷物流量傳感器的參考板信號輸入到信號調理電路B (2)，信號調理電路B (2)的輸出信號連接至采樣/保持器B (8)，采樣/保持器B (8)的輸出信號連接到DSP56F803模塊(9)的AINl引腳，采樣/保持器B (8)的控制端連接至DSP56F803模塊(9)的I/O接口2，采樣/保持器A (7)和采樣/保持器B (8)同步動作，鍵盤顯示模塊(6)與DSP56F803模塊(9)中的鍵盤/顯示接口連接。
[0009]根據(jù)所述的雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置的信號處理方法，雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測量板信號和參考板信號分別擁有各自獨立的信號采集通道，兩信號采集通道的電路結構和參數(shù)完全相同，且同步采樣，其特征在于信號處理過程包含以下步驟:
第一步，同步采集雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測量板信號和參考板信號，得到測量板采樣信號和參考板采樣信號；
第二步，采用相同的數(shù)字濾波器，對測量板采樣信號和參考板采樣信號分別進行數(shù)字濾波，以濾除或衰減兩采樣信號中的隨機噪聲；
第三步，對濾波處理之后的測量板采樣信號和參考板采樣信號分別進行離散傅里葉變換即DFT ；
第四步，對兩信號的DFT結果進行頻域差分，相同頻率點的幅值對應相減；
第五步，對頻域差分結果進行離散傅里葉反變換即IDFT，得到剔除了背景振動噪聲的測產輸出信號；
第六步，對測產輸出信號進行標度變換，得到谷物產量信息。
[0010]所述數(shù)字濾波器可以選用低通濾波器、中值濾波器或算術均值濾波器。
[0011]本發(fā)明具有有益效果。本發(fā)明采用的頻域差分處理方法不受測量板信號與參考板信號同步性的影響，可顯著提高雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測產精度和穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置結構示意圖； 圖2是雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置實施例一圖；
圖3是雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理方法流程示意圖。
[0013]圖中:1.信號調理電路A，2.信號調理電路8，3^/1)模塊4，4^/1)模塊8，5.05?模塊，6.鍵盤顯示模塊，7.采樣/保持電路A，8.采樣/保持電路B，9.DSP56F803模塊。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和具體實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步詳細說明。
[0015]如圖1所示，雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置包含信號調理電路、A/D模塊、微控制器應用系統(tǒng)和鍵盤顯示模塊6。信號調理電路中包含應變電橋、放大器和抗混疊濾波器。其中，微控制器應用系統(tǒng)采用DSP模塊5。雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測量板信號輸入到信號調理電路Al，信號調理電路Al的輸出信號連接至A/D模塊A3，轉換為數(shù)字量信號。雙板差分沖量式谷物流量傳感器的參考板信號輸入到信號調理電路B2，信號調理電路B2的輸出信號連接至A/D模塊B4，轉換為數(shù)字量輸出信號。信號調理電路Al與信號調理電路B2的電路結構和參數(shù)完全相同。A/D模塊A3與A/D模塊B4的電路結構和參數(shù)完全相同，且在DSP模塊5的控制下同步采樣，以保證采樣信號的同步性，采樣輸出信號都連接至DSP模塊5。DSP模塊5的處理結果輸送到鍵盤顯示模塊6顯示，并可接收鍵盤顯示模塊6輸送來的設置參數(shù)。
[0016]如圖2所示，為雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置的一個實施例。其中，DSP56F803模塊9內置有多路轉換開關和A/D轉換器，并具有8個模擬量輸入通道ΑΙΜiΑΙΝ7。谷物流量傳感器的測量板信號輸入到信號調理電路Al，信號調理電路Al的輸出信號連接至采樣/保持器A7，采樣/保持器A7的輸出信號連接到DSP56F803模塊9的AINO引腳，采樣/保持器A7的控制端連接至DSP56F803模塊9的I/O接口 I。谷物流量傳感器的參考板信號輸入到信號調理電路B2，信號調理電路B2的輸出信號連接至采樣/保持器B8，采樣/保持器B8的輸出信號連接到DSP56F803模塊9的AINl引腳，采樣/保持器B8的控制端連接至DSP56F803模塊9的I/O接口 2。采樣/保持器A7和采樣/保持器B8在DSP56F803模塊9的控制下同步動作，然后由DSP56F803模塊9內的A/D轉換器對輸入到其AINO和AINl引腳的模擬量信號進行分時轉換。由于AINO和AINl引腳上的信號同時進入的保持狀態(tài)，所以仍屬于同步采樣。鍵盤顯示模塊6與DSP56F803模塊9中的鍵盤/顯示接口連接。
[0017]如圖3所示，雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理方法包含以下步驟:同步采集雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測量板信號和參考板信號，得到測量板采樣信號和參考板采樣信號；采用相同的數(shù)字濾波器對測量板采樣信號和參考板采樣信號分別進行數(shù)字濾波，以濾除或衰減兩采樣信號中的隨機噪聲，數(shù)字濾波器可以選用低通濾波器、中值濾波器或算數(shù)均值濾波器等；對濾波處理之后的測量板采樣信號和參考板采樣信號分別進行離散傅里葉變換(DFT);對兩信號的DFT結果進行頻域差分，相同頻率點的幅值對應相減；對頻域差分結果進行離散傅里葉反變換(IDFT)，得到剔除了背景振動噪聲的測產輸出信號；對測產輸出信號進行標度變換，得到谷物產量信息。
[0018] 最后應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍之內。
【權利要求】
1.雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置，包含信號調理電路、A/D模塊、微控制器應用系統(tǒng)和鍵盤顯示模塊(6)，信號調理電路中包含應變電橋、放大器和抗混疊濾波器，其特征在于:微控制器應用系統(tǒng)采用DSP模塊(5)，雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測量板信號輸入到信號調理電路A(l)，信號調理電路A(I)的輸出信號連接至A/D模塊A(3)，雙板差分沖量式谷物流量傳感器的參考板信號輸入到信號調理電路B(2)，信號調理電路B(2)的輸出信號連接至A/D模塊B(4)，信號調理電路A(I)與信號調理電路B(2)的電路結構和參數(shù)完全相同，A/D模塊A(3)與A/D模塊B(4)的電路結構和參數(shù)完全相同且在DSP模塊(5)的控制下同步采樣，采樣輸出信號都連接至DSP模塊(5)，DSP模塊(5)的處理結果輸送到鍵盤顯示模塊(6)顯示，并可接收鍵盤顯示模塊(6)輸送來的設置參數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置，其特征在于:所述4/1)模塊4(3)4/1)模塊8(4)和DSP模塊(5)可由數(shù)字信號處理控制器DSP56F803實現(xiàn)，DSP56F803內置有多路轉換開關和A/D轉換器，并具有8個模擬量輸入通道ΑΙΜΑΙΝ7，谷物流量傳感器的測量板信號輸入到信號調理電路A(I)，信號調理電路A(I)的輸出信號連接至采樣/保持器A (7)，采樣/保持器A (7)的輸出信號連接到DSP56F803模塊(9)的AINO引腳，采樣/保持器A (7)的控制端連接至DSP56F803模塊(9)的I/O接口 1，谷物流量傳感器的參考板信號輸入到信號調理電路B(2)，信號調理電路B(2)的輸出信號連接至采樣/保持器B (8)，采樣/保持器B (8)的輸出信號連接到DSP56F803模塊(9)的AINl引腳，采樣/保持器B (8)的控制端連接至DSP56F803模塊(9)的I/O接口 2，采樣/保持器A (7)和采樣/保持器B (8)同步動作，鍵盤顯示模塊(6)與DSP56F803模塊(9)中的鍵盤/顯示接口連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理裝置的信號處理方法，雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測量板信號和參考板信號分別擁有各自獨立的信號采集通道，兩信號采集通道的電路結構和參數(shù)完全相同，且同步采樣，其特征在于信號處理過程包含以下步驟: 第一步，同步采集雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測量板信號和參考板信號，得到測量板采樣信號和參考板采樣信號； 第二步，采用相同的數(shù)字濾波器，對測量板采樣信號和參考板采樣信號分別進行數(shù)字濾波，以濾除或衰減兩采樣信號中的隨機噪聲； 第三步，對濾波處理之后的測量板采樣信號和參考板采樣信號分別進行離散傅里葉變換即DFT ； 第四步，對兩信號的DFT結果進行頻域差分，相同頻率點的幅值對應相減； 第五步，對頻域差分結果進行離散傅里葉反變換即IDFT，得到剔除了背景振動噪聲的測產輸出信號； 第六步，對測產輸出信號進行標度變換，得到谷物產量信息。
4.根據(jù)權利要求3所述的雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號處理方法，其特征在于:所述數(shù)字濾波器可以選用低通濾波器、中值濾波器或算術均值濾波器。
【文檔編號】G01F1/80GK103630176SQ201310686447
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權日:2013年12月17日
【發(fā)明者】魏新華, 張進敏 申請人:江蘇大學