双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置及方法
【专利摘要】本发明提供双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置及方法，包括信号调理电路、A/D模块和微控制器应用系统等。两路信号采集通道同步采集双板差分冲量式谷物流量传感器的测量板信号和参考板信号；采用相同的数字滤波器，对两路采样信号分别进行数字滤波；对滤波之后的两路采样信号分别进行离散傅里叶变换（DFT）；然后，对两信号的DFT结果进行频域差分；对频域差分结果进行离散傅里叶反变换（IDFT），得到剔除了背景振动噪声的测产输出信号；最后，对测产输出信号进行标度变换，得到谷物产量信息。本发明可有效消除随机噪声和背景振动噪声对测产传感器输出信号的影响，提高传感器测产精度，可应用于联合收割机谷物产量在线监测。
【专利说明】双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置及方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及联合收割机谷物测产【技术领域】，尤其是用于双板差分冲量式谷物流量传感器的信号处理装置及方法。
【背景技术】
[0003]精细农业通过获取农田内作物产量和影响作物生长的环境因素的空间差异性信息，可对农田内各小区域因地制宜、按需实施定位变量农作，以提高农业投入的有效利用率，是大田农业的重要发展方向。联合收割机谷物测产是实践精细农业的核心内容之一。在各类测产装置中，冲量式谷物流量传感器因其安装方便、造价低廉、工作可靠且安全无污染等特点而成为国内外的研究热点。
[0004]冲量式谷物流量传感器的主要部件是弹性受力板和应变感应装置。从联合收割机谷物升运器出口抛洒出来的具有一定冲量(速度和质量)的谷物籽粒冲击到弹性受力板上，使应变感应装置产生应变，经电桥等转换为电压输出信号。由于弹性受力板固定在联合收割机谷物升运器出口的机架上，联合收割机工作过程中产生的机体振动通过谷物升运器传递到弹性受力板上，从而使冲量式谷物流量传感器的输出信号中含有大量的背景振动噪声，对其测产精度影响很大。
[0005]国内外学者对冲量式谷物流量传感器背景振动噪声的剔除方法进行了大量研究。其中，文献“联合收割机产量传感器的信号处理”(张凤传，张启俊，等.中国农机化，2004(4):44-47)提出了一种积分 抑噪电路用于减少机体振动对冲量式产量传感器的影响。文献“悬臂梁冲量式谷物流量传感器阻尼设计”(周俊，周围祥，等.农业机械学报，2005，(11)121-123)提出了一种弹性阻尼消振方法用于减少联合收获机机体振动噪声的影响。文献“平行梁冲量式谷物流量传感器信号处理方法”(周俊，刘成良，等.农业工程学报，2008，24(I) 183-187)提出了一种自适应陷波滤波的方法，用于消除联合收获机工作环境中存在的非稳定低频振动干扰，以增加测产传感器的测量精度。以上方法都取得了一定的降噪效果，在一定程度上提高了冲量式谷物流量传感器的测产精度，但在田间变化工况下的滤波效果还有待于进一步提高。文献“双板差分冲量式谷物流量传感器设计”(胡均万，罗锡文，等.农业机械学报，2009,40 (4)69-72)公开了一种双板差分冲量式谷物流量传感器,测量板与参考板结构相同且相互平行布置，振动模态基本相同，参考板专用于感应机体振动，测量板则同时承受机体振动和谷物冲击，并通过时域差分从测量板输出信号中消除参考板感应到的机体振动噪声。该方法能够较好地分离出背景噪声信号，但由于测量板信号与参考板信号的同步性难以保证，制约了传感器测产精度和稳定性的进一步提高。
【发明内容】
[0006]针对现有冲量式谷物流量传感器受联合收割机背景振动噪声影响较大，测产精度难以提高的问题，本发明提供双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置及方法。通过测量板信号和参考板信号的同步采集、数字滤波和频域差分等方法从测量板采样信号中剔除参考板感应到的机体振动噪声，以提高测产精度及其稳定性。
[0007]为了解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案:
双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置，包含信号调理电路、A/D模块、微控制器应用系统和键盘显示模块出)，信号调理电路中包含应变电桥、放大器和抗混叠滤波器，其特征在于:微控制器应用系统采用DSP模块(5)，双板差分冲量式谷物流量传感器的测量板信号输入到信号调理电路A(I)，信号调理电路A(I)的输出信号连接至A/D模块A(3)，双板差分冲量式谷物流量传感器的参考板信号输入到信号调理电路B(2)，信号调理电路B(2)的输出信号连接至A/D模块B(4)，信号调理电路A(I)与信号调理电路B(2)的电路结构和参数完全相同，A/D模块A (3)与八/1)模块8(4)的电路结构和参数完全相同且在DSP模块(5)的控制下同步采样，采样输出信号都连接至DSP模块(5)，DSP模块(5)的处理结果输送到键盘显示模块(6)显示，并可接收键盘显示模块(6)输送来的设置参数。
[0008]所述A/D模块A(3)、A/D模块B(4)和DSP模块(5)可由数字信号处理控制器DSP56F803实现，DSP56F803内置有多路转换开关和A/D转换器，并具有8个模拟量输入通道ΑΙΜΑΙΝ7，谷物流量传感器的测量板信号输入到信号调理电路A(I)，信号调理电路A(I)的输出信号连接至采样/保持器A(7)，采样/保持器A(7)的输出信号连接到DSP56F803模块(9)的AINO引脚，采样/保持器A (7)的控制端连接至DSP56F803模块(9)的I/O接口 I，谷物流量传感器的参考板信号输入到信号调理电路B (2)，信号调理电路B (2)的输出信号连接至采样/保持器B (8)，采样/保持器B (8)的输出信号连接到DSP56F803模块(9)的AINl引脚，采样/保持器B (8)的控制端连接至DSP56F803模块(9)的I/O接口2，采样/保持器A (7)和采样/保持器B (8)同步动作，键盘显示模块(6)与DSP56F803模块(9)中的键盘/显示接口连接。
[0009]根据所述的双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置的信号处理方法，双板差分冲量式谷物流量传感器的测量板信号和参考板信号分别拥有各自独立的信号采集通道，两信号采集通道的电路结构和参数完全相同，且同步采样，其特征在于信号处理过程包含以下步骤:
第一步，同步采集双板差分冲量式谷物流量传感器的测量板信号和参考板信号，得到测量板采样信号和参考板采样信号；
第二步，采用相同的数字滤波器，对测量板采样信号和参考板采样信号分别进行数字滤波，以滤除或衰减两采样信号中的随机噪声；
第三步，对滤波处理之后的测量板采样信号和参考板采样信号分别进行离散傅里叶变换即DFT ；
第四步，对两信号的DFT结果进行频域差分，相同频率点的幅值对应相减；
第五步，对频域差分结果进行离散傅里叶反变换即IDFT，得到剔除了背景振动噪声的测产输出信号；
第六步，对测产输出信号进行标度变换，得到谷物产量信息。
[0010]所述数字滤波器可以选用低通滤波器、中值滤波器或算术均值滤波器。
[0011]本发明具有有益效果。本发明采用的频域差分处理方法不受测量板信号与参考板信号同步性的影响，可显著提高双板差分冲量式谷物流量传感器的测产精度和稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置结构示意图； 图2是双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置实施例一图；
图3是双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理方法流程示意图。
[0013]图中:1.信号调理电路A，2.信号调理电路8，3^/1)模块4，4^/1)模块8，5.05?模块，6.键盘显示模块，7.采样/保持电路A，8.采样/保持电路B，9.DSP56F803模块。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。
[0015]如图1所示，双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置包含信号调理电路、A/D模块、微控制器应用系统和键盘显示模块6。信号调理电路中包含应变电桥、放大器和抗混叠滤波器。其中，微控制器应用系统采用DSP模块5。双板差分冲量式谷物流量传感器的测量板信号输入到信号调理电路Al，信号调理电路Al的输出信号连接至A/D模块A3，转换为数字量信号。双板差分冲量式谷物流量传感器的参考板信号输入到信号调理电路B2，信号调理电路B2的输出信号连接至A/D模块B4，转换为数字量输出信号。信号调理电路Al与信号调理电路B2的电路结构和参数完全相同。A/D模块A3与A/D模块B4的电路结构和参数完全相同，且在DSP模块5的控制下同步采样，以保证采样信号的同步性，采样输出信号都连接至DSP模块5。DSP模块5的处理结果输送到键盘显示模块6显示，并可接收键盘显示模块6输送来的设置参数。
[0016]如图2所示，为双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置的一个实施例。其中，DSP56F803模块9内置有多路转换开关和A/D转换器，并具有8个模拟量输入通道ΑΙΜiΑΙΝ7。谷物流量传感器的测量板信号输入到信号调理电路Al，信号调理电路Al的输出信号连接至采样/保持器A7，采样/保持器A7的输出信号连接到DSP56F803模块9的AINO引脚，采样/保持器A7的控制端连接至DSP56F803模块9的I/O接口 I。谷物流量传感器的参考板信号输入到信号调理电路B2，信号调理电路B2的输出信号连接至采样/保持器B8，采样/保持器B8的输出信号连接到DSP56F803模块9的AINl引脚，采样/保持器B8的控制端连接至DSP56F803模块9的I/O接口 2。采样/保持器A7和采样/保持器B8在DSP56F803模块9的控制下同步动作，然后由DSP56F803模块9内的A/D转换器对输入到其AINO和AINl引脚的模拟量信号进行分时转换。由于AINO和AINl引脚上的信号同时进入的保持状态，所以仍属于同步采样。键盘显示模块6与DSP56F803模块9中的键盘/显示接口连接。
[0017]如图3所示，双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理方法包含以下步骤:同步采集双板差分冲量式谷物流量传感器的测量板信号和参考板信号，得到测量板采样信号和参考板采样信号；采用相同的数字滤波器对测量板采样信号和参考板采样信号分别进行数字滤波，以滤除或衰减两采样信号中的随机噪声，数字滤波器可以选用低通滤波器、中值滤波器或算数均值滤波器等；对滤波处理之后的测量板采样信号和参考板采样信号分别进行离散傅里叶变换(DFT);对两信号的DFT结果进行频域差分，相同频率点的幅值对应相减；对频域差分结果进行离散傅里叶反变换(IDFT)，得到剔除了背景振动噪声的测产输出信号；对测产输出信号进行标度变换，得到谷物产量信息。
[0018] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。
【权利要求】
1.双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置，包含信号调理电路、A/D模块、微控制器应用系统和键盘显示模块(6)，信号调理电路中包含应变电桥、放大器和抗混叠滤波器，其特征在于:微控制器应用系统采用DSP模块(5)，双板差分冲量式谷物流量传感器的测量板信号输入到信号调理电路A(l)，信号调理电路A(I)的输出信号连接至A/D模块A(3)，双板差分冲量式谷物流量传感器的参考板信号输入到信号调理电路B(2)，信号调理电路B(2)的输出信号连接至A/D模块B(4)，信号调理电路A(I)与信号调理电路B(2)的电路结构和参数完全相同，A/D模块A(3)与A/D模块B(4)的电路结构和参数完全相同且在DSP模块(5)的控制下同步采样，采样输出信号都连接至DSP模块(5)，DSP模块(5)的处理结果输送到键盘显示模块(6)显示，并可接收键盘显示模块(6)输送来的设置参数。
2.根据权利要求1所述的双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置，其特征在于:所述4/1)模块4(3)4/1)模块8(4)和DSP模块(5)可由数字信号处理控制器DSP56F803实现，DSP56F803内置有多路转换开关和A/D转换器，并具有8个模拟量输入通道ΑΙΜΑΙΝ7，谷物流量传感器的测量板信号输入到信号调理电路A(I)，信号调理电路A(I)的输出信号连接至采样/保持器A (7)，采样/保持器A (7)的输出信号连接到DSP56F803模块(9)的AINO引脚，采样/保持器A (7)的控制端连接至DSP56F803模块(9)的I/O接口 1，谷物流量传感器的参考板信号输入到信号调理电路B(2)，信号调理电路B(2)的输出信号连接至采样/保持器B (8)，采样/保持器B (8)的输出信号连接到DSP56F803模块(9)的AINl引脚，采样/保持器B (8)的控制端连接至DSP56F803模块(9)的I/O接口 2，采样/保持器A (7)和采样/保持器B (8)同步动作，键盘显示模块(6)与DSP56F803模块(9)中的键盘/显示接口连接。
3.根据权利要求1所述的双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理装置的信号处理方法，双板差分冲量式谷物流量传感器的测量板信号和参考板信号分别拥有各自独立的信号采集通道，两信号采集通道的电路结构和参数完全相同，且同步采样，其特征在于信号处理过程包含以下步骤: 第一步，同步采集双板差分冲量式谷物流量传感器的测量板信号和参考板信号，得到测量板采样信号和参考板采样信号； 第二步，采用相同的数字滤波器，对测量板采样信号和参考板采样信号分别进行数字滤波，以滤除或衰减两采样信号中的随机噪声； 第三步，对滤波处理之后的测量板采样信号和参考板采样信号分别进行离散傅里叶变换即DFT ； 第四步，对两信号的DFT结果进行频域差分，相同频率点的幅值对应相减； 第五步，对频域差分结果进行离散傅里叶反变换即IDFT，得到剔除了背景振动噪声的测产输出信号； 第六步，对测产输出信号进行标度变换，得到谷物产量信息。
4.根据权利要求3所述的双板差分冲量式谷物流量传感器信号处理方法，其特征在于:所述数字滤波器可以选用低通滤波器、中值滤波器或算术均值滤波器。
【文档编号】G01F1/80GK103630176SQ201310686447
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】魏新华, 张进敏 申请人:江苏大学