針對(duì)地磅稱重傳感器系統(tǒng)智能化、高精度的需求，應(yīng)用IEEE 1451技術(shù)和數(shù)字濾波算法實(shí)現(xiàn)高精度智能 稱重傳感器系統(tǒng)。首先，根據(jù)IEEE 1451.5架構(gòu)設(shè)計(jì)稱重WTIM、NCAP及兩者ZigBee通信接口，研宄TEDS定 義、配置技術(shù)以實(shí)現(xiàn)稱重傳感器ZigBee接口的即插即用、自識(shí)別功能；同時(shí)，提出一種適用于應(yīng)變式稱重傳感 器的數(shù)字濾波算法，在保證稱重系統(tǒng)高分辨率的基礎(chǔ)上提高稱量精度；最后，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智 能稱重傳感器系統(tǒng)并研發(fā)稱重測(cè)量軟件，測(cè)試該系統(tǒng)的即插即用和精度性能。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能 稱重傳感器ZigBee接口即插即用；采用數(shù)字濾波算法的系統(tǒng)非線性誤差不超過0.0058%F.S、遲滯誤差不超過 0.0037% F.S、重復(fù)性誤差不超過0.0051%F.S，比采用數(shù)字濾波前分別減少32.56%、22.92%、17.74%，精度顯著 提高。

0.引言

地磅稱重傳感器是應(yīng)用最廣的計(jì)量器件之一，廣泛 應(yīng)用于工業(yè)、商貿(mào)、民用等領(lǐng)域。由于稱重系統(tǒng)需 求量大且性能要求不斷提高，稱重傳感器技術(shù)及產(chǎn) 品得到快速發(fā)展，智能化、高精度已成為稱重傳感 器技術(shù)發(fā)展方向。

IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)為傳感器智能化、網(wǎng)絡(luò)化提供 系列軟硬件標(biāo)準(zhǔn)，研究人員將其應(yīng)用于稱重傳感器 系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)稱重傳感器智能化。張延響等根據(jù) 應(yīng)變式稱重傳感器誤差模型，利用IEEE 1451智能 傳感器校正引擎對(duì)稱重傳感器進(jìn)行非線性校正，在 一定程度上抑制了非線性誤差和零漂問題。劉桂 雄、陳耿新等研究IEEE 1451.2智能傳感器即插即 用機(jī)理，并將其應(yīng)用于智能稱重傳感器系統(tǒng)中，結(jié) 合變送器電子數(shù)據(jù)表(transducer electronic data sheet，TEDS)實(shí)現(xiàn)稱重傳感器的自識(shí)別。鄭培 亮研究基于ARM的IEEE 1451智能稱重傳感器， 根據(jù)IEEE 1451.2標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)智能變送器接口模塊、 網(wǎng)絡(luò)適配器(network capable application processor， NCAP)及兩者的接口。部分研究人員從事稱重 傳感器精度提升技術(shù)研究。林海軍等提出一種基 于導(dǎo)數(shù)約束的稱重傳感器非線性誤差補(bǔ)償方法，構(gòu)建針對(duì)稱重傳感器非線性誤差補(bǔ)償?shù)纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)，研 究該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練約束條件和懲罰因子，該方法 有效提高稱重傳感器的準(zhǔn)確度[Pawiowski A等研 究分揀機(jī)稱重系統(tǒng)的快速自適應(yīng)濾波技術(shù)與補(bǔ)償 方法，以此提高測(cè)量精度和分揀準(zhǔn)確性。Choi K N 研究帶式運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)稱重系統(tǒng)中稱重傳感器的振 動(dòng)噪聲模型，利用降噪算法濾除峰值噪聲和脈沖寬 度，動(dòng)態(tài)控制低通濾波器的截止頻率和斜率，以此 提高稱重測(cè)量的精度。

本文研究基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳 感器系統(tǒng)，根據(jù)IEEE 1451.5標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)智能稱 重傳感器系統(tǒng)的無線變送器接口模塊（wireless transducer interface module，WTIM)和 NCAP，結(jié)合 TEDS實(shí)現(xiàn)兩者之間ZigBee接口的即插即用；同時(shí)， 提出一種提高應(yīng)變式稱重傳感器測(cè)量精度的數(shù)字濾 波算法，該算法可有效減小該稱重傳感器系統(tǒng)稱量的 隨機(jī)誤差，顯著提高稱量精度，且具有足夠高的測(cè)量 分辨率。

1.IEEE 1451.5智能稱重傳感器系統(tǒng)

IEEE 1451.5標(biāo)準(zhǔn)是無線智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)，利用 該標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)無線智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)化、互換性、互操作性和即插即用。本又搭建的IEEE 1451.5智能稱 重傳感器系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由WTIM和NCAP 構(gòu)成，兩者可通過標(biāo)準(zhǔn)無線接口（包括IEEE 802.11、 Bluetooth、ZigBee 及 6LoWPAN)通信。WTIM 中的 TEDS描述、保存WTIM及其稱重傳感器的信息及參 數(shù)。NCAP可連接一個(gè)或多個(gè)WTIM，并通過網(wǎng)絡(luò)接 口連接外部網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）。本文WTIM與NCAP 之間通過短距離、低功耗、低時(shí)延、高可靠性的ZigBee 進(jìn)行通信。

1.1WTIM 設(shè)計(jì)

WTIM的功能是利用稱重傳感器獲取對(duì)象的重 量信號(hào)；然后利用信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)該信號(hào) 進(jìn)行硬件濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理；最后通過ZigBee 無線接口將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至NCAP。

本文IEEE 1451.5智能稱重傳感器系統(tǒng)釆用 ZigBee芯片JN5139。稱重WTIM的硬件電路原理圖 如圖2所示，稱重傳感器YZC-1B輸出為模擬信號(hào)。 模擬信號(hào)通過硬件濾波電路、外置ADC或JN5139 內(nèi)置12位ADC連接至JN5139。為提高測(cè)量精度， 本文釆用24位、轉(zhuǎn)換精度高的S-A型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD7190。核心部件JN5139運(yùn)行傳感終端程序、路由程序，負(fù)責(zé)ZigBee接口配置、收發(fā)數(shù)據(jù)、信號(hào)處理、 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。JN5139的128 kB Flash可用于存儲(chǔ) TEDS。

1.2NCAP 設(shè)計(jì)

NACP通過ZigBee無線接口接收WTIM發(fā)送的TEDS信息和稱重傳感數(shù)據(jù)，并將傳感數(shù)據(jù)校正 后發(fā)送至外部網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程客戶端。NCAP可以是包 括ZigBee接口的嵌入式系統(tǒng)，也可由計(jì)算機(jī)連接 ZigBee協(xié)調(diào)器構(gòu)成。

NCAP由計(jì)算機(jī)與ZigBee協(xié)調(diào)器件組成，兩者 通過串口通信，計(jì)算機(jī)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和稱重測(cè)量 軟件。ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程如圖3所示，其中網(wǎng)絡(luò) 指ZigBee網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)處理包括TEDS數(shù)據(jù)和稱重傳 感數(shù)據(jù)處理。ZigBee協(xié)調(diào)器核心是JN5139，負(fù)責(zé) ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)處理。

1.3自識(shí)別技術(shù)

傳感器自識(shí)別是正EE 1451.5智能傳感器的主 要特點(diǎn)之一，TEDS定義與配置是實(shí)現(xiàn)傳感器即插 即用、自識(shí)別的核心技術(shù)。

TEDS系統(tǒng)描述WTIM及其各傳感通道的類 型、參數(shù)、操作方式和屬性。WTIM通過TEDS向 NCAP提供自身描述信息及相關(guān)參數(shù);NCAP讀取、 解析TEDS獲取WTIM及傳感通道的信息及參數(shù)， 并據(jù)此配置、分配資源。IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)定義多個(gè) TEDS，其中 Meta-TEDS、Transducer Channel TEDS、 PHY TEDS是傳感器自識(shí)別必須具備的。

智能稱重傳感器系統(tǒng)傳感器自識(shí)別流程如圖4 所示。WTIM在成功接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，向NCAP 發(fā)送自識(shí)別中斷請(qǐng)求開始自識(shí)別操作；WTIM、 NCAP任一方接收到對(duì)方消息幀后須返回確認(rèn)應(yīng)答 幀，若發(fā)送方在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒接收到對(duì)方確認(rèn)應(yīng)答 幀則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直至發(fā)送成功或發(fā)送次數(shù)達(dá)到 最大值。

TEDS配置是IEEE 1451智能傳感器自識(shí)別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。TEDS配置流程包括：NCAP接收到各 TEDS后，需通過校驗(yàn)和字段驗(yàn)證其完整性、正確 性；對(duì)通過驗(yàn)證的TEDS進(jìn)行解析、翻譯，獲取 WTIM及其通道相關(guān)信息、參數(shù)，再根據(jù)這些信息、 參數(shù)配置相關(guān)資源以完成后續(xù)功能，如NCAP配置 校正引擎相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解耦、校正。

2.系統(tǒng)測(cè)量精度提高

為提高稱重傳感器精度，本文除了利用硬件濾 波、高精度ADC和斬波技術(shù)外，還提出一種符合應(yīng) 變式稱重傳感器信號(hào)特點(diǎn)的數(shù)字濾波算法，保證系統(tǒng) 高分辨率的同時(shí)減小隨機(jī)誤差影響，進(jìn)一步有效提高 稱重傳感器系統(tǒng)的測(cè)量精度。

本文提出的稱重傳感器系統(tǒng)數(shù)字濾波算法流程 圖如圖5所示。設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)度為8的隊(duì)列，用于保存 最近采集的8個(gè)稱重?cái)?shù)據(jù)，隊(duì)列元素仍，q2保存最新、 次新數(shù)據(jù)，以此類推。隊(duì)列未滿時(shí)，新數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)列 后，計(jì)算隊(duì)列已存放數(shù)據(jù)的各元素的算術(shù)平均值，該 值作為濾波輸出q?t。由于此時(shí)隊(duì)列長(zhǎng)度較小，靈敏 度較高，能較快響應(yīng)重量變化。

隊(duì)列滿后，選取隊(duì)列后3個(gè)元素q6?q8的中間值 qmid。對(duì)于隊(duì)列中前5個(gè)元素qi~q5，首先獲得它們的 最大值qWx1、次大值與最小值qmn1、次小值^min2， 然后將qmax2、qmin2與qmd比較，最后根據(jù)稱重傳感器 系統(tǒng)分辨率要求設(shè)置比較閾值A比較結(jié)果按以下3 種情況進(jìn)行處理：1)若qwdmid >^，則濾波輸出

qout _ qmax1， 口則 ^out _ qmid； 2 )右 Vmin。qmid ^ ^，

則濾波輸出 qout = qmin1，口則 qout = qmid； 3 )若《max2 qmid且 Vmm qmid> ^，則 ^out - qmid。由于稱、重 數(shù)據(jù)變化較為緩慢，隊(duì)列滿后采用上述綜合中值濾波 與去抖動(dòng)濾波的方法，當(dāng)檢測(cè)到稱量重量的變化量達(dá) 分辨率時(shí)，稱重傳感器系統(tǒng)及時(shí)輸出變化的重量；當(dāng) 未檢測(cè)到稱量重量變化時(shí)，則輸出修正的值。該方法 可及時(shí)響應(yīng)重量測(cè)量變化，又可有效消除測(cè)量數(shù)據(jù)中 出現(xiàn)的波動(dòng)脈沖干擾，提高稱重傳感器系統(tǒng)的測(cè)量精度。

3.系統(tǒng)搭建與測(cè)試

研制WTIM、NCAP及稱重測(cè)量軟件，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統(tǒng)并進(jìn) 行即插即用、稱重精度測(cè)試。基于IEEE 1451.5的 高精度智能稱重傳感器測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示，NCAP 由計(jì)算機(jī)、ZigBee協(xié)調(diào)器構(gòu)成，計(jì)算機(jī)上運(yùn)行圖7 所示基于MATLAB的稱重測(cè)量軟件。

智能稱重傳感器ZigBee接口即插即用性能測(cè)試以平均初次入網(wǎng)時(shí)間tf、平均重新入網(wǎng)時(shí)間U、平均 斷網(wǎng)識(shí)別時(shí)間tc作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。平均初次入網(wǎng)時(shí)間f 定義為從WTIM首次向NCAP發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，直至 其收到NCAP入網(wǎng)確認(rèn)所需的平均時(shí)間；平均重新入 網(wǎng)時(shí)間t定義為已加入網(wǎng)絡(luò)的WTIM斷開連接后，從 WTIM再次發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，直至其收到NCAP入網(wǎng)確 認(rèn)所需的平均時(shí)間；平均斷網(wǎng)識(shí)別時(shí)間tc定義為從 WTIM發(fā)生故障或斷電開始，到NCAP識(shí)別WTIM 斷網(wǎng)所用的平均時(shí)間。tf，tr，tc越小，智能稱重傳感 器ZigBee接口即插即用性能越好。

在上述基于IEEE 1451.5的高精度智能傳感器 系統(tǒng)上進(jìn)行即插即用測(cè)試實(shí)驗(yàn)。表1是不同距離下， 該系統(tǒng)ZigBee接口 tf，tr，tc測(cè)試結(jié)果，可以看出， tf，tr，tc隨著通信距離增大而增加。

在圖6所示智能稱重傳感器測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)該系 統(tǒng)測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試。采用國(guó)標(biāo)GB/T7551 —2008《稱 重傳感器》規(guī)定的線性、滯后、重復(fù)性等作為精度指 標(biāo)。測(cè)試系統(tǒng)使用量程3 kg的應(yīng)變式稱重傳感器 YZC-1B，其指標(biāo)為：非線性誤差0.0086%F.S、遲 滯誤差0.0048% F.S、重復(fù)性誤差0.0062%F.S。

重復(fù)對(duì)圖6所示智能稱重傳感器測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行 10次正反行程的測(cè)量，從0 g開始，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定逐次 加載或卸載500 g砝碼，直至滿量程；數(shù)字濾波閾值 3取100。利用圖7所示稱重測(cè)量軟件顯示、自動(dòng)保 存測(cè)量數(shù)據(jù)，并計(jì)算各精度指標(biāo)和顯示誤差曲線。

基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統(tǒng) 精度測(cè)量結(jié)果如圖8所示，包括非線性誤差e?、遲滯 誤差eh、重復(fù)性誤差er。可以看出，采用本文數(shù)字濾 波算法后，該系統(tǒng)的en不超過0.0058%F.S，eh不超過 0.0037% F.S，er不超過0.0051%F.S，比采用數(shù)字濾波 前分別減少32.56%、22.92%、17.74%，系統(tǒng)的精度 指標(biāo)明顯提高。

4.結(jié)論

基于IEEE 1451.5的智能稱重傳感器包括稱 重WTIM、NCAP及兩者之間的無線通信接口，利用 WTIM中TEDS可實(shí)現(xiàn)該無線通信接口的即插即用。

TEDS描述、保存WTIM及其傳感通道的信 息及參數(shù)，TEDS定義、傳輸、配置是實(shí)現(xiàn)智能稱重 傳感器自識(shí)別的關(guān)鍵。

本文提出的符合應(yīng)變式稱重傳感器信號(hào)特點(diǎn) 的數(shù)字濾波方法，可有效抑制外界原因引起的隨機(jī)誤 差，使稱重傳感器系統(tǒng)的非線性誤差、遲滯誤差、重 復(fù)性誤差均大大減小，精度得到明顯提高；該方法選 取合適的閾值，可保證系統(tǒng)具有足夠高的分辨率，并 減小外界干擾的影響。