韓旖旎，李曉林，李麗宏

（1.太原理工大學(xué) 控制理論與控制工程，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

目前動(dòng)態(tài)汽車衡從計(jì)量形式上可分為：軸計(jì)量、軸組計(jì)量和整車計(jì)量3種。動(dòng)態(tài)軸重式汽車衡屬于軸計(jì)量形式，是對行駛中的車輛稱重的一種衡器。

而信號處理主要影響動(dòng)態(tài)軸重式汽車衡的稱量精度及速度。目前，信號處理主要有2種：一是使用內(nèi)部集成有低或中分辨率A/D轉(zhuǎn)換的器件，節(jié)省成本，但增加了繁瑣的模擬電路；二是使用高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，可省去模擬電路，但對A/D轉(zhuǎn)換性能要求高，而采樣率不高。采用過采樣方法可以克服上述缺點(diǎn)，且利用二者的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對信號的高精度測量。

1 過采樣技術(shù)及原理

A/D轉(zhuǎn)換能引入很多種噪聲，例如熱噪聲、雜色噪聲、電源電壓變化、參考電壓變化、由采樣時(shí)鐘抖動(dòng)引起的相位噪聲以及由量化誤差引起的量化噪聲等[1]。在參考電壓及信號線輸入端上加旁路電容等技術(shù)可以減小噪聲。但是，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，總是存在量化噪聲的，一個(gè)給定位數(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最大信噪比（RSN）由量化噪聲定義。在一定條件下過采樣會(huì)減小量化噪聲和改善RSN，有效提高測量分辨率[2]。

過采樣是指對某個(gè)待測參數(shù)進(jìn)行多次采樣，得到一組樣本，然后對這些樣本累計(jì)求和并對這些樣本進(jìn)行均值濾波、減小噪聲而得到一個(gè)采樣結(jié)果[3]。圖1為過采樣測量系統(tǒng)原理圖。

過采樣技術(shù)遠(yuǎn)大于奈奎斯特采樣頻率的頻率對輸入信號進(jìn)行采樣[4]。假設(shè)原來的采樣頻率為fs，若將采樣頻率提高到R fs，R為過采樣比率，并且R＞1。n為量化比特?cái)?shù)，E（f）為帶內(nèi)的能量譜密度（ESD），fm為信號的最高頻率[5]，則E（f）與fs的關(guān)系式：

在采樣的數(shù)字信號中，量化比特?cái)?shù)沒有改變，總的量化噪聲功率也不變，但這時(shí)量化噪聲的頻譜分布發(fā)生了變化，原來均勻分布在0～fs/2頻帶內(nèi)的量化噪聲分散到了0～Rfs/2的頻帶上。若R＞＞1，Rfs/2就遠(yuǎn)大于信號的最高頻率fm，量化噪聲大部分分布在頻帶之外的高頻區(qū)域，分布在頻帶之內(nèi)的量化噪聲就會(huì)相應(yīng)減少，通過低通濾波器濾掉fm以上的噪聲分量，就可以提高系統(tǒng)的信噪比[6]。

2 應(yīng)用原理

噪聲功率與過采樣率和分辨率的關(guān)系式[7]：

式中，n0為噪聲功率，OSR為過采樣率，N為A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，Vref為參考電壓。

給定一個(gè)固定的噪聲功率，可計(jì)算所需要的位數(shù)。由式（2）求得N，用給定的參考電壓、帶內(nèi)噪聲功率及過采樣率計(jì)算有效位數(shù)：

式（3）說明有效位數(shù)是參考電壓、帶內(nèi)噪聲功率和過采樣率的函數(shù)。同時(shí)注意到采樣頻率每增加1倍帶內(nèi)噪聲將減小3 dB，測量分辨率將增加1/2位。在實(shí)際應(yīng)用中將一個(gè)信號的帶寬限制到小于fs/2，然后以某個(gè)過采樣率OSR對該信號采樣，再對采樣值求平均值得到結(jié)果輸出[8]?？梢钥闯?，數(shù)據(jù)每增加一位分辨率或每減小6 dB的噪聲，需要以4倍的采樣頻率進(jìn)行過采樣。

式中，w是希望增加的分辨率位數(shù)，fs是初始采樣頻率要求，fos是過采樣頻率。

將過采樣應(yīng)用于動(dòng)態(tài)軸重式汽車衡中，實(shí)現(xiàn)等效于16位A/D轉(zhuǎn)換器的精度測量。在程序中，將256個(gè)連續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換器累加到變量X上，在完成累加后又將X右移4位并將結(jié)果存入變量result中，在得到計(jì)算結(jié)果后，result被清零，準(zhǔn)備下一次計(jì)算。對A/D轉(zhuǎn)換器的累加在A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序中完成。用于累加過采樣數(shù)據(jù)和進(jìn)行除法運(yùn)算的存儲(chǔ)器單元的字節(jié)數(shù)必須足夠多，以免發(fā)生溢出或截?cái)噱e(cuò)誤。

使用過采樣技術(shù)對重量的測量精度提高后，進(jìn)一步比較重量測量中的分辨率。在電路系統(tǒng)中，采用2.4 V的參考電壓（Vr）信號過采樣增加稱量的有效位數(shù)。假定稱重過程中使用12位A/D轉(zhuǎn)換器，通過過采樣，對于12位和過采樣后達(dá)16位有效數(shù)據(jù)測量后，分別計(jì)算代碼寬度和可測重量的最小變化。

在不采用過采樣技術(shù)的情況下，12位的重量測量結(jié)果為：重量每變化1 kg，稱重傳感器的電壓輸出將變化2.8 mV，在增益為2時(shí)，電壓分辨率Δ為：

12位測量的重量分辨率為：

采用過采樣技術(shù)使有效位數(shù)提高到16位后，新的分辨率為：

可以測量的最小重量變化為：

經(jīng)比較可以看出：在不采用過采樣的情況下，可以測量的最小重量變化是0.104 6 kg，而在采用過采樣技術(shù)的情況下，用同一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器可以測量的最小重量變化是0.006 5 kg，可見，測量分辨率得到提高。

3 應(yīng)用結(jié)果及分析

上述方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試效果明顯，實(shí)驗(yàn)用兩軸載重貨車，貨車自重1 500 kg，加載砝碼14 368 kg，在額定軸載荷為30 t的動(dòng)態(tài)軸重式汽車衡上進(jìn)行測試。靜態(tài)情況下稱得汽車前軸重量是5 193 kg，后軸重量是14 175 kg，測試車分別以快速、慢速及變速等多種形式通過秤臺(tái)，實(shí)驗(yàn)測得部分?jǐn)?shù)據(jù)及處理運(yùn)算結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)應(yīng)用公式如下：

式中，M1為動(dòng)態(tài)軸重重量，M2為靜態(tài)軸重重量，δ為測量誤差。

4 結(jié) 論

采用過采樣提高分辨率的方法已在動(dòng)態(tài)軸重式汽車衡中得到應(yīng)用。實(shí)測證明：用這種方法來提高測量分辨率可以降低成本，簡化外圍電路硬件，提高系統(tǒng)的可靠性和精度，使該裝置具有高的性價(jià)比，可以使稱重精度提高1倍。另外，該方法還可以用于其他領(lǐng)域的參數(shù)測量，具有實(shí)用和推廣價(jià)值。

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表1 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.1 The field experiment data