雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)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(hào)處理裝置及方法，包括信號(hào)調(diào)理電路、A/D模塊和微控制器應(yīng)用系統(tǒng)等。兩路信號(hào)采集通道同步采集雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測(cè)量板信號(hào)和參考板信號(hào)；采用相同的數(shù)字濾波器，對(duì)兩路采樣信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)字濾波；對(duì)濾波之后的兩路采樣信號(hào)分別進(jìn)行離散傅里葉變換（DFT）；然后，對(duì)兩信號(hào)的DFT結(jié)果進(jìn)行頻域差分；對(duì)頻域差分結(jié)果進(jìn)行離散傅里葉反變換（IDFT），得到剔除了背景振動(dòng)噪聲的測(cè)產(chǎn)輸出信號(hào)；最后，對(duì)測(cè)產(chǎn)輸出信號(hào)進(jìn)行標(biāo)度變換，得到谷物產(chǎn)量信息。本發(fā)明可有效消除隨機(jī)噪聲和背景振動(dòng)噪聲對(duì)測(cè)產(chǎn)傳感器輸出信號(hào)的影響，提高傳感器測(cè)產(chǎn)精度，可應(yīng)用于聯(lián)合收割機(jī)谷物產(chǎn)量在線監(jiān)測(cè)。
【專利說(shuō)明】雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)處理裝置及方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及聯(lián)合收割機(jī)谷物測(cè)產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是用于雙板差分沖量式谷物流量傳感器的信號(hào)處理裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0003]精細(xì)農(nóng)業(yè)通過(guò)獲取農(nóng)田內(nèi)作物產(chǎn)量和影響作物生長(zhǎng)的環(huán)境因素的空間差異性信息，可對(duì)農(nóng)田內(nèi)各小區(qū)域因地制宜、按需實(shí)施定位變量農(nóng)作，以提高農(nóng)業(yè)投入的有效利用率，是大田農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。聯(lián)合收割機(jī)谷物測(cè)產(chǎn)是實(shí)踐精細(xì)農(nóng)業(yè)的核心內(nèi)容之一。在各類(lèi)測(cè)產(chǎn)裝置中，沖量式谷物流量傳感器因其安裝方便、造價(jià)低廉、工作可靠且安全無(wú)污染等特點(diǎn)而成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
[0004]沖量式谷物流量傳感器的主要部件是彈性受力板和應(yīng)變感應(yīng)裝置。從聯(lián)合收割機(jī)谷物升運(yùn)器出口拋灑出來(lái)的具有一定沖量(速度和質(zhì)量)的谷物籽粒沖擊到彈性受力板上，使應(yīng)變感應(yīng)裝置產(chǎn)生應(yīng)變，經(jīng)電橋等轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號(hào)。由于彈性受力板固定在聯(lián)合收割機(jī)谷物升運(yùn)器出口的機(jī)架上，聯(lián)合收割機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)體振動(dòng)通過(guò)谷物升運(yùn)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(hào)中含有大量的背景振動(dòng)噪聲，對(duì)其測(cè)產(chǎn)精度影響很大。
[0005]國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沖量式谷物流量傳感器背景振動(dòng)噪聲的剔除方法進(jìn)行了大量研究。其中，文獻(xiàn)“聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)量傳感器的信號(hào)處理”(張鳳傳，張啟俊，等.中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2004(4):44-47)提出了一種積分 抑噪電路用于減少機(jī)體振動(dòng)對(duì)沖量式產(chǎn)量傳感器的影響。文獻(xiàn)“懸臂梁沖量式谷物流量傳感器阻尼設(shè)計(jì)”(周俊，周?chē)?，?農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，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(jī)機(jī)體振動(dòng)噪聲的影響。文獻(xiàn)“平行梁沖量式谷物流量傳感器信號(hào)處理方法”(周俊，劉成良，等.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(I) 183-187)提出了一種自適應(yīng)陷波濾波的方法，用于消除聯(lián)合收獲機(jī)工作環(huán)境中存在的非穩(wěn)定低頻振動(dòng)干擾，以增加測(cè)產(chǎn)傳感器的測(cè)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(cè)產(chǎn)精度，但在田間變化工況下的濾波效果還有待于進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)“雙板差分沖量式谷物流量傳感器設(shè)計(jì)”(胡均萬(wàn)，羅錫文，等.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009,40 (4)69-72)公開(kāi)了一種雙板差分沖量式谷物流量傳感器,測(cè)量板與參考板結(jié)構(gòu)相同且相互平行布置，振動(dòng)模態(tài)基本相同，參考板專用于感應(yīng)機(jī)體振動(dòng)，測(cè)量板則同時(shí)承受機(jī)體振動(dòng)和谷物沖擊，并通過(guò)時(shí)域差分從測(cè)量板輸出信號(hào)中消除參考板感應(yīng)到的機(jī)體振動(dòng)噪聲。該方法能夠較好地分離出背景噪聲信號(hào)，但由于測(cè)量板信號(hào)與參考板信號(hào)的同步性難以保證，制約了傳感器測(cè)產(chǎn)精度和穩(wěn)定性的進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有沖量式谷物流量傳感器受聯(lián)合收割機(jī)背景振動(dòng)噪聲影響較大，測(cè)產(chǎn)精度難以提高的問(wèn)題，本發(fā)明提供雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)處理裝置及方法。通過(guò)測(cè)量板信號(hào)和參考板信號(hào)的同步采集、數(shù)字濾波和頻域差分等方法從測(cè)量板采樣信號(hào)中剔除參考板感應(yīng)到的機(jī)體振動(dòng)噪聲，以提高測(cè)產(chǎn)精度及其穩(wěn)定性。
[0007]為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)處理裝置，包含信號(hào)調(diào)理電路、A/D模塊、微控制器應(yīng)用系統(tǒng)和鍵盤(pán)顯示模塊出)，信號(hào)調(diào)理電路中包含應(yīng)變電橋、放大器和抗混疊濾波器，其特征在于:微控制器應(yīng)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(cè)量板信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路A(I)，信號(hào)調(diào)理電路A(I)的輸出信號(hào)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(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路B(2)，信號(hào)調(diào)理電路B(2)的輸出信號(hào)連接至A/D模塊B(4)，信號(hào)調(diào)理電路A(I)與信號(hào)調(diào)理電路B(2)的電路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(hào)都連接至DSP模塊(5)，DSP模塊(5)的處理結(jié)果輸送到鍵盤(pán)顯示模塊(6)顯示，并可接收鍵盤(pán)顯示模塊(6)輸送來(lái)的設(shè)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(hào)處理控制器DSP56F803實(shí)現(xiàn)，DSP56F803內(nèi)置有多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器，并具有8個(gè)模擬量輸入通道ΑΙΜΑΙΝ7，谷物流量傳感器的測(cè)量板信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路A(I)，信號(hào)調(diào)理電路A(I)的輸出信號(hào)連接至采樣/保持器A(7)，采樣/保持器A(7)的輸出信號(hào)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(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路B (2)，信號(hào)調(diào)理電路B (2)的輸出信號(hào)連接至采樣/保持器B (8)，采樣/保持器B (8)的輸出信號(hào)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(dòng)作，鍵盤(pán)顯示模塊(6)與DSP56F803模塊(9)中的鍵盤(pán)/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(hào)處理裝置的信號(hào)處理方法，雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測(cè)量板信號(hào)和參考板信號(hào)分別擁有各自獨(dú)立的信號(hào)采集通道，兩信號(hào)采集通道的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同，且同步采樣，其特征在于信號(hào)處理過(guò)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(cè)量板信號(hào)和參考板信號(hào)，得到測(cè)量板采樣信號(hào)和參考板采樣信號(hào)；
第二步，采用相同的數(shù)字濾波器，對(duì)測(cè)量板采樣信號(hào)和參考板采樣信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)字濾波，以濾除或衰減兩采樣信號(hào)中的隨機(jī)噪聲；
第三步，對(duì)濾波處理之后的測(cè)量板采樣信號(hào)和參考板采樣信號(hào)分別進(jìn)行離散傅里葉變換即DFT ；
第四步，對(duì)兩信號(hào)的DFT結(jié)果進(jìn)行頻域差分，相同頻率點(diǎn)的幅值對(duì)應(yīng)相減；
第五步，對(duì)頻域差分結(jié)果進(jìn)行離散傅里葉反變換即IDFT，得到剔除了背景振動(dòng)噪聲的測(cè)產(chǎn)輸出信號(hào)；
第六步，對(duì)測(cè)產(chǎn)輸出信號(hào)進(jìn)行標(biāo)度變換，得到谷物產(chǎn)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(shù)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(cè)量板信號(hào)與參考板信號(hào)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(cè)產(chǎn)精度和穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)處理裝置實(shí)施例一圖；
圖3是雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)處理方法流程示意圖。
[0013]圖中:1.信號(hào)調(diào)理電路A，2.信號(hào)調(diào)理電路8，3^/1)模塊4，4^/1)模塊8，5.05?模塊，6.鍵盤(pán)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(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0015]如圖1所示，雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)處理裝置包含信號(hào)調(diào)理電路、A/D模塊、微控制器應(yīng)用系統(tǒng)和鍵盤(pán)顯示模塊6。信號(hào)調(diào)理電路中包含應(yīng)變電橋、放大器和抗混疊濾波器。其中，微控制器應(yīng)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(cè)量板信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路Al，信號(hào)調(diào)理電路Al的輸出信號(hào)連接至A/D模塊A3，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)。雙板差分沖量式谷物流量傳感器的參考板信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路B2，信號(hào)調(diào)理電路B2的輸出信號(hào)連接至A/D模塊B4，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路Al與信號(hào)調(diào)理電路B2的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同。A/D模塊A3與A/D模塊B4的電路結(jié)構(gòu)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(hào)的同步性，采樣輸出信號(hào)都連接至DSP模塊5。DSP模塊5的處理結(jié)果輸送到鍵盤(pán)顯示模塊6顯示，并可接收鍵盤(pán)顯示模塊6輸送來(lái)的設(shè)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(hào)處理裝置的一個(gè)實(shí)施例。其中，DSP56F803模塊9內(nèi)置有多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器，并具有8個(gè)模擬量輸入通道ΑΙΜiΑΙΝ7。谷物流量傳感器的測(cè)量板信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路Al，信號(hào)調(diào)理電路Al的輸出信號(hào)連接至采樣/保持器A7，采樣/保持器A7的輸出信號(hào)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(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路B2，信號(hào)調(diào)理電路B2的輸出信號(hào)連接至采樣/保持器B8，采樣/保持器B8的輸出信號(hào)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(dòng)作，然后由DSP56F803模塊9內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入到其AINO和AINl引腳的模擬量信號(hào)進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換。由于AINO和AINl引腳上的信號(hào)同時(shí)進(jìn)入的保持狀態(tài)，所以仍屬于同步采樣。鍵盤(pán)顯示模塊6與DSP56F803模塊9中的鍵盤(pán)/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(hào)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(cè)量板信號(hào)和參考板信號(hào)，得到測(cè)量板采樣信號(hào)和參考板采樣信號(hào)；采用相同的數(shù)字濾波器對(duì)測(cè)量板采樣信號(hào)和參考板采樣信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)字濾波，以濾除或衰減兩采樣信號(hào)中的隨機(jī)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(duì)濾波處理之后的測(cè)量板采樣信號(hào)和參考板采樣信號(hào)分別進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT);對(duì)兩信號(hào)的DFT結(jié)果進(jìn)行頻域差分，相同頻率點(diǎn)的幅值對(duì)應(yīng)相減；對(duì)頻域差分結(jié)果進(jìn)行離散傅里葉反變換(IDFT)，得到剔除了背景振動(dòng)噪聲的測(cè)產(chǎn)輸出信號(hào)；對(duì)測(cè)產(chǎn)輸出信號(hào)進(jìn)行標(biāo)度變換，得到谷物產(chǎn)量信息。
[0018] 最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)處理裝置，包含信號(hào)調(diào)理電路、A/D模塊、微控制器應(yīng)用系統(tǒng)和鍵盤(pán)顯示模塊(6)，信號(hào)調(diào)理電路中包含應(yīng)變電橋、放大器和抗混疊濾波器，其特征在于:微控制器應(yīng)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(cè)量板信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路A(l)，信號(hào)調(diào)理電路A(I)的輸出信號(hào)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(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路B(2)，信號(hào)調(diào)理電路B(2)的輸出信號(hào)連接至A/D模塊B(4)，信號(hào)調(diào)理電路A(I)與信號(hào)調(diào)理電路B(2)的電路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(hào)都連接至DSP模塊(5)，DSP模塊(5)的處理結(jié)果輸送到鍵盤(pán)顯示模塊(6)顯示，并可接收鍵盤(pán)顯示模塊(6)輸送來(lái)的設(shè)置參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)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(hào)處理控制器DSP56F803實(shí)現(xiàn)，DSP56F803內(nèi)置有多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器，并具有8個(gè)模擬量輸入通道ΑΙΜΑΙΝ7，谷物流量傳感器的測(cè)量板信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路A(I)，信號(hào)調(diào)理電路A(I)的輸出信號(hào)連接至采樣/保持器A (7)，采樣/保持器A (7)的輸出信號(hào)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(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路B(2)，信號(hào)調(diào)理電路B(2)的輸出信號(hào)連接至采樣/保持器B (8)，采樣/保持器B (8)的輸出信號(hào)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(dòng)作，鍵盤(pán)顯示模塊(6)與DSP56F803模塊(9)中的鍵盤(pán)/顯示接口連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)處理裝置的信號(hào)處理方法，雙板差分沖量式谷物流量傳感器的測(cè)量板信號(hào)和參考板信號(hào)分別擁有各自獨(dú)立的信號(hào)采集通道，兩信號(hào)采集通道的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同，且同步采樣，其特征在于信號(hào)處理過(guò)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(cè)量板信號(hào)和參考板信號(hào)，得到測(cè)量板采樣信號(hào)和參考板采樣信號(hào)； 第二步，采用相同的數(shù)字濾波器，對(duì)測(cè)量板采樣信號(hào)和參考板采樣信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)字濾波，以濾除或衰減兩采樣信號(hào)中的隨機(jī)噪聲； 第三步，對(duì)濾波處理之后的測(cè)量板采樣信號(hào)和參考板采樣信號(hào)分別進(jìn)行離散傅里葉變換即DFT ； 第四步，對(duì)兩信號(hào)的DFT結(jié)果進(jìn)行頻域差分，相同頻率點(diǎn)的幅值對(duì)應(yīng)相減； 第五步，對(duì)頻域差分結(jié)果進(jìn)行離散傅里葉反變換即IDFT，得到剔除了背景振動(dòng)噪聲的測(cè)產(chǎn)輸出信號(hào)； 第六步，對(duì)測(cè)產(chǎn)輸出信號(hào)進(jìn)行標(biāo)度變換，得到谷物產(chǎn)量信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙板差分沖量式谷物流量傳感器信號(hào)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(shù)均值濾波器。
【文檔編號(hào)】G01F1/80GK103630176SQ201310686447
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】魏新華, 張進(jìn)敏 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)