針對地磅稱(chēng)重傳感器系統智能化、高精度的需求，應用IEEE 1451技術(shù)和數字濾波算法實(shí)現高精度智能 稱(chēng)重傳感器系統。首先，根據IEEE 1451.5架構設計稱(chēng)重WTIM、NCAP及兩者ZigBee通信接口，研宄TEDS定 義、配置技術(shù)以實(shí)現稱(chēng)重傳感器ZigBee接口的即插即用、自識別功能；同時(shí)，提出一種適用于應變式稱(chēng)重傳感 器的數字濾波算法，在保證稱(chēng)重系統高分辨率的基礎上提高稱(chēng)量精度；最后，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智 能稱(chēng)重傳感器系統并研發(fā)稱(chēng)重測量軟件，測試該系統的即插即用和精度性能。測試結果表明：該系統可實(shí)現智能 稱(chēng)重傳感器ZigBee接口即插即用；采用數字濾波算法的系統非線(xiàn)性誤差不超過(guò)0.0058%F.S、遲滯誤差不超過(guò) 0.0037% F.S、重復性誤差不超過(guò)0.0051%F.S，比采用數字濾波前分別減少32.56%、22.92%、17.74%，精度顯著(zhù) 提高。

0.引言

地磅稱(chēng)重傳感器是應用最廣的計量器件之一，廣泛 應用于工業(yè)、商貿、民用等領(lǐng)域。由于稱(chēng)重系統需 求量大且性能要求不斷提高，稱(chēng)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(chēng)重傳感 器技術(shù)發(fā)展方向。

IEEE 1451標準為傳感器智能化、網(wǎng)絡(luò )化提供 系列軟硬件標準，研究人員將其應用于稱(chēng)重傳感器 系統中，實(shí)現稱(chēng)重傳感器智能化。張延響等根據 應變式稱(chēng)重傳感器誤差模型，利用IEEE 1451智能 傳感器校正引擎對稱(chēng)重傳感器進(jìn)行非線(xiàn)性校正，在 一定程度上抑制了非線(xiàn)性誤差和零漂問(wèn)題。劉桂 雄、陳耿新等研究IEEE 1451.2智能傳感器即插即 用機理，并將其應用于智能稱(chēng)重傳感器系統中，結 合變送器電子數據表(transducer electronic data sheet，TEDS)實(shí)現稱(chēng)重傳感器的自識別。鄭培 亮研究基于ARM的IEEE 1451智能稱(chēng)重傳感器， 根據IEEE 1451.2標準實(shí)現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(chēng)重 傳感器精度提升技術(shù)研究。林海軍等提出一種基 于導數約束的稱(chēng)重傳感器非線(xiàn)性誤差補償方法，構建針對稱(chēng)重傳感器非線(xiàn)性誤差補償的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，研 究該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的訓練約束條件和懲罰因子，該方法 有效提高稱(chēng)重傳感器的準確度[Pawiowski A等研 究分揀機稱(chēng)重系統的快速自適應濾波技術(shù)與補償 方法，以此提高測量精度和分揀準確性。Choi K N 研究帶式運輸機自動(dòng)稱(chēng)重系統中稱(chēng)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(chēng)重測量的精度。

本文研究基于IEEE 1451.5的高精度智能稱(chēng)重傳 感器系統，根據IEEE 1451.5標準設計、實(shí)現智能稱(chēng) 重傳感器系統的無(wú)線(xiàn)變送器接口模塊（wireless transducer interface module，WTIM)和 NCAP，結合 TEDS實(shí)現兩者之間ZigBee接口的即插即用；同時(shí)， 提出一種提高應變式稱(chēng)重傳感器測量精度的數字濾 波算法，該算法可有效減小該稱(chēng)重傳感器系統稱(chēng)量的 隨機誤差，顯著(zhù)提高稱(chēng)量精度，且具有足夠高的測量 分辨率。

1.IEEE 1451.5智能稱(chēng)重傳感器系統

IEEE 1451.5標準是無(wú)線(xiàn)智能傳感器標準，利用 該標準可實(shí)現無(wú)線(xiàn)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(chēng) 重傳感器系統架構如圖1所示，由WTIM和NCAP 構成，兩者可通過(guò)標準無(wú)線(xiàn)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(chēng)重傳感器的信息及參 數。NCAP可連接一個(gè)或多個(gè)WTIM，并通過(guò)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(guò)短距離、低功耗、低時(shí)延、高可靠性的ZigBee 進(jìn)行通信。

1.1WTIM 設計

WTIM的功能是利用稱(chēng)重傳感器獲取對象的重 量信號；然后利用信號調理與數據轉換電路對該信號 進(jìn)行硬件濾波、模數轉換等處理；最后通過(guò)ZigBee 無(wú)線(xiàn)接口將處理后的數據傳輸至NCAP。

本文IEEE 1451.5智能稱(chēng)重傳感器系統釆用 ZigBee芯片JN5139。稱(chēng)重WTIM的硬件電路原理圖 如圖2所示，稱(chēng)重傳感器YZC-1B輸出為模擬信號。 模擬信號通過(guò)硬件濾波電路、外置ADC或JN5139 內置12位ADC連接至JN5139。為提高測量精度， 本文釆用24位、轉換精度高的S-A型模數轉換器 AD7190。核心部件JN5139運行傳感終端程序、路由程序，負責ZigBee接口配置、收發(fā)數據、信號處理、 數據轉換。JN5139的128 kB Flash可用于存儲 TEDS。

1.2NCAP 設計

NACP通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)接口接收WTIM發(fā)送的TEDS信息和稱(chēng)重傳感數據，并將傳感數據校正 后發(fā)送至外部網(wǎng)絡(luò )的遠程客戶(hù)端。NCAP可以是包 括ZigBee接口的嵌入式系統，也可由計算機連接 ZigBee協(xié)調器構成。

NCAP由計算機與ZigBee協(xié)調器件組成，兩者 通過(guò)串口通信，計算機運行網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議和稱(chēng)重測量 軟件。ZigBee協(xié)調器程序流程如圖3所示，其中網(wǎng)絡(luò ) 指ZigBee網(wǎng)絡(luò )，數據處理包括TEDS數據和稱(chēng)重傳 感數據處理。ZigBee協(xié)調器核心是JN5139，負責 ZigBee網(wǎng)絡(luò )建立、參數設置和數據處理。

1.3自識別技術(shù)

傳感器自識別是正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)現傳感器即插 即用、自識別的核心技術(shù)。

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

智能稱(chēng)重傳感器系統傳感器自識別流程如圖4 所示。WTIM在成功接入ZigBee網(wǎng)絡(luò )后，向NCAP 發(fā)送自識別中斷請求開(kāi)始自識別操作；WTIM、 NCAP任一方接收到對方消息幀后須返回確認應答 幀，若發(fā)送方在規定時(shí)間內沒(méi)接收到對方確認應答 幀則重新發(fā)送數據，直至發(fā)送成功或發(fā)送次數達到 最大值。

TEDS配置是IEEE 1451智能傳感器自識別的關(guān)鍵環(huán)節。TEDS配置流程包括：NCAP接收到各 TEDS后，需通過(guò)校驗和字段驗證其完整性、正確 性；對通過(guò)驗證的TEDS進(jìn)行解析、翻譯，獲取 WTIM及其通道相關(guān)信息、參數，再根據這些信息、 參數配置相關(guān)資源以完成后續功能，如NCAP配置 校正引擎相關(guān)參數實(shí)現數據解耦、校正。

2.系統測量精度提高

為提高稱(chēng)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 變式稱(chēng)重傳感器信號特點(diǎn)的數字濾波算法，保證系統 高分辨率的同時(shí)減小隨機誤差影響，進(jìn)一步有效提高 稱(chēng)重傳感器系統的測量精度。

本文提出的稱(chēng)重傳感器系統數字濾波算法流程 圖如圖5所示。設置一個(gè)長(cháng)度為8的隊列，用于保存 最近采集的8個(gè)稱(chēng)重數據，隊列元素仍，q2保存最新、 次新數據，以此類(lèi)推。隊列未滿(mǎn)時(shí)，新數據進(jìn)入隊列 后，計算隊列已存放數據的各元素的算術(shù)平均值，該 值作為濾波輸出q?t。由于此時(shí)隊列長(cháng)度較小，靈敏 度較高，能較快響應重量變化。

隊列滿(mǎn)后，選取隊列后3個(gè)元素q6?q8的中間值 qmid。對于隊列中前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，最后根據稱(chēng)重傳感器 系統分辨率要求設置比較閾值A比較結果按以下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(chēng)、重 數據變化較為緩慢，隊列滿(mǎn)后采用上述綜合中值濾波 與去抖動(dòng)濾波的方法，當檢測到稱(chēng)量重量的變化量達 分辨率時(shí)，稱(chēng)重傳感器系統及時(shí)輸出變化的重量；當 未檢測到稱(chēng)量重量變化時(shí)，則輸出修正的值。該方法 可及時(shí)響應重量測量變化，又可有效消除測量數據中 出現的波動(dòng)脈沖干擾，提高稱(chēng)重傳感器系統的測量精度。

3.系統搭建與測試

研制WTIM、NCAP及稱(chēng)重測量軟件，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智能稱(chēng)重傳感器系統并進(jìn) 行即插即用、稱(chēng)重精度測試?；?/span>IEEE 1451.5的 高精度智能稱(chēng)重傳感器測試系統如圖6所示，NCAP 由計算機、ZigBee協(xié)調器構成，計算機上運行圖7 所示基于MATLAB的稱(chēng)重測量軟件。

智能稱(chēng)重傳感器ZigBee接口即插即用性能測試以平均初次入網(wǎng)時(shí)間tf、平均重新入網(wǎng)時(shí)間U、平均 斷網(wǎng)識別時(shí)間tc作為評價(jià)指標。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)請求，直至 其收到NCAP入網(wǎng)確認所需的平均時(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(kāi)連接后，從 WTIM再次發(fā)送入網(wǎng)請求，直至其收到NCAP入網(wǎng)確 認所需的平均時(shí)間；平均斷網(wǎng)識別時(shí)間tc定義為從 WTIM發(fā)生故障或斷電開(kāi)始，到NCAP識別WTIM 斷網(wǎng)所用的平均時(shí)間。tf，tr，tc越小，智能稱(chēng)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 系統上進(jìn)行即插即用測試實(shí)驗。表1是不同距離下， 該系統ZigBee接口 tf，tr，tc測試結果，可以看出， tf，tr，tc隨著(zhù)通信距離增大而增加。

在圖6所示智能稱(chēng)重傳感器測試系統中對該系 統測量精度進(jìn)行測試。采用國標GB/T7551 —2008《稱(chēng) 重傳感器》規定的線(xiàn)性、滯后、重復性等作為精度指 標。測試系統使用量程3 kg的應變式稱(chēng)重傳感器 YZC-1B，其指標為：非線(xiàn)性誤差0.0086%F.S、遲 滯誤差0.0048% F.S、重復性誤差0.0062%F.S。

重復對圖6所示智能稱(chēng)重傳感器測試系統進(jìn)行 10次正反行程的測量，從0 g開(kāi)始，按標準規定逐次 加載或卸載500 g砝碼，直至滿(mǎn)量程；數字濾波閾值 3取100。利用圖7所示稱(chēng)重測量軟件顯示、自動(dòng)保 存測量數據，并計算各精度指標和顯示誤差曲線(xiàn)。

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

4.結論

基于IEEE 1451.5的智能稱(chēng)重傳感器包括稱(chēng) 重WTIM、NCAP及兩者之間的無(wú)線(xiàn)通信接口，利用 WTIM中TEDS可實(shí)現該無(wú)線(xiàn)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，TEDS定義、傳輸、配置是實(shí)現智能稱(chēng)重 傳感器自識別的關(guān)鍵。

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