數(shù)字濾波器在車輛電容稱重裝置中的應(yīng)用①

辛修芳

(商丘師范學(xué)院物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘 476000)

1 車輛電容稱重裝置

在車輛電容稱重裝置中電容極板放在特制的減速路墊內(nèi)，以便消除屏蔽線和地的雜散電容影響[1].由于工作環(huán)境存在很多的車輛，故存在一系列的干擾如電噪聲、車輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起的干擾等等，這些都嚴(yán)重影響了車輛電容稱重裝置精度[2].在車輛電容稱重裝置中采用濾波器是必不可少的一部分，而模擬濾波器電路復(fù)雜、參數(shù)難以更改且存在電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問(wèn)題，數(shù)字濾波器電路簡(jiǎn)單、參數(shù)更改方便且穩(wěn)定度和精確度較高，因此本文將針對(duì)存在的干擾信號(hào)設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字濾波器并通過(guò)軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證其效果.

2 數(shù)字濾波器及設(shè)計(jì)方案

數(shù)字濾波器是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元等組成的算法或裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)功輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，改變信號(hào)頻譜的功能.根據(jù)沖擊響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，數(shù)可分為無(wú)限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)(IIR)和有限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)(FIR)兩種.IIR數(shù)字濾波器不易做成線性相位，F(xiàn)IR濾波器具有嚴(yán)格的相位特性，因此本文將重點(diǎn)敘述FIR的設(shè)計(jì).

FIR濾波器的硬件設(shè)計(jì)有多種實(shí)現(xiàn)方法.常用的方法有:單片機(jī)、FIR濾波器集成電路、DSP芯片、可編程邏輯器件.對(duì)于前三種存在著在處理速度、效率、靈活性等方面的局限.而對(duì)于可編程邏輯器件來(lái)說(shuō)，用戶可以根據(jù)自己的需要靈活并反復(fù)的修改程序，因此在設(shè)計(jì)中為客戶提供了更大的靈活性[3].FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)有窗函數(shù)設(shè)計(jì)法、切比雪夫最佳逼近法、頻率采樣法等.而窗函數(shù)方法是最簡(jiǎn)單的方法，最常用的方法之一.

3 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

在電容稱重裝置中存在有高于1000Hz的電噪聲、200至1000Hz的由車輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起的干擾信號(hào)，而有用信號(hào)一般在20－50Hz，其具體取值和車重、速度以及加速度等因素有關(guān).本文將針對(duì)其信號(hào)特點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)FIR低通濾波器，其截止頻率為50HZ;Matlab中有多種專業(yè)工具設(shè)計(jì)各種濾波器，減少了設(shè)計(jì)與修改濾波器的工作量.

3.1 調(diào)用窗函數(shù)設(shè)計(jì)

在Matlab中有矩形窗、布萊克曼窗、凱塞窗、三角窗、漢寧窗、漢明窗等.海明窗也是余弦窗的一種，又稱改進(jìn)的升余弦窗，其調(diào)用格式:w=hamming(n)，在利用窗時(shí)經(jīng)常要配合fir1函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)用格式:fir1(n，Wn，’ftype’，Window)，其參數(shù)分別為階數(shù)、截止頻率、濾波器類型.其中截止頻率值在0－1之間，1對(duì)應(yīng)fs/2.結(jié)合本系統(tǒng)的信號(hào)特點(diǎn)，該FIR數(shù)字濾波器的代碼為:

采樣頻率為4800Hz，輸入的混合信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)濾波功能，.但是這種方法有一定的專業(yè)性而且修改不是特別的方便，直觀.

圖1 濾波器的幅頻響應(yīng)

圖2 濾波器的相頻響應(yīng)

圖3 輸入和輸出信號(hào)波形

3.2 利用FDATool設(shè)計(jì)

在Matlab中設(shè)有操作簡(jiǎn)單、靈活，可隨時(shí)調(diào)整濾波特性的專用濾波器設(shè)計(jì)分析工Filter Design Analysis Too1(FDATool).在該設(shè)計(jì)方法中依然采用漢明窗設(shè)計(jì)，采樣頻率為 4800Hz，截止頻率50Hz，階數(shù)為256.該設(shè)計(jì)方法只需選擇相應(yīng)的選項(xiàng)就可以完成，大大減少了工作量.而且采用FDATool中的Magnitude Response和Phase Response菜單命令就可以觀察其濾波器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線分別如圖1，2所示.采用1000Hz和200Hz以及20Hz混合正弦波信號(hào)作為輸入信號(hào)，如圖3(a)所示.輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器之后的輸出信號(hào)如圖3(b)所示.從圖3可知，該濾波器可以有效的濾除干擾信號(hào)實(shí)現(xiàn)了其預(yù)期的功能.

為了更加接近于真實(shí)的工作環(huán)境，在輸入信號(hào)之后加入AWGN，即一種通道模型，此通道模型唯一的信號(hào)減損是來(lái)自于寬帶的線性加成或是穩(wěn)定譜密度與高斯分布振幅的白噪聲.1000Hz和200Hz以及20Hz混合正弦波信號(hào)的輸入信號(hào)經(jīng)AWGN之后的波形和經(jīng)過(guò)濾波器后的輸出信號(hào)分別如圖4(a)，(b)所示.從圖可以看出在加入白噪聲之后濾波器依然可以基本輸出有用信號(hào)，濾除無(wú)用信號(hào)，實(shí)現(xiàn)其功能.

圖4 加入白噪聲后的輸入和輸出信號(hào)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用通過(guò)Matlab設(shè)計(jì)了一個(gè)FIR數(shù)字濾波器，通過(guò)仿真說(shuō)明該濾波器確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)其功能.利用Fdatool設(shè)計(jì)的濾波器可以很方便地移植到數(shù)字信號(hào)處理器以及可編程邏輯器件等中[4].在車輛電容稱重裝置中，可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)程序稍作修改，即可方便的修改FIR濾波器的參數(shù)，因此采用Matlab設(shè)計(jì)FIR具有較強(qiáng)的實(shí)用性，為提高車輛電容稱重裝置的精確性提供了保障.

[1]楊三序.電容式傳感器在車輛檢測(cè)裝置中的應(yīng)用.傳感器技術(shù).2004，23(9)，74 －75.

[2]吳杰，費(fèi)玉華，于勁松.汽車動(dòng)態(tài)稱重中的一種信號(hào)處理方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào).2007，33(9)，1041 －1045.

[3]楊晨星.有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)(FIR)低通數(shù)字濾波器的研究[J].建筑科技與管理.2011，6(9)，11 －12.

[4]李茂，任學(xué)恒，李濤，等.基于MATLAB/Simulink的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與仿真[J].磁性材料及器件.2007，38(1)，59 －61.