CN107806909B - 一种冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，采用双平行梁传感器和两组处理器系统相结合，包括两个混合信号微控制器，集成单电源仪表放大器和混合信号微控制器构成两级放大电路，混合信号微控制器和嵌入式32位处理器构成两级处理架构。本发明能够保证信号调理性能，同时适应不同激励电压造成的不同共模电压和信号输入范围变化的情况；兼容单平行梁和双平行梁两种冲量式谷物流量信号采集，以共享串口信号的方式保证每次数据采集同步，减少产量计算误差；支持浮点运算，能直接运行复杂的信号处理算法，避免了传统的上位机处理方案，提高了系统的可移植性；并支持6‑36V直流电压输入，能够适应车载电源供电可能不稳定的情况。
Description
技术领域
本发明属于精准农业和智能农机领域，尤其是一种冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置。
背景技术
获取作物产量信息，建立产量分布图，是实现作物生产过程中科学调控投入和制定管理决策措施的重要基础，也是实现精准农业的核心技术和先决条件。谷物测产系统是进行作物产量获取的重要工具，出现已有接近30年历史。从原理上划分，谷物测产系统的核心部件谷物流量传感器可分成基于质量流和基于体积流两个类型。相比之下，前者的精度和稳定性较好，所以欧美主流测产系统大都基于质量流原理。质量流检测有冲量式、称重式以及伽马射线式等多种实现形式，其中冲量式由于实现相对简单并且安装方便，应用最为广泛。自2001年开始，国内多个研究机构相继开展了冲量式谷物测产系统研究，形成了单平行梁和双平行梁两种类型的冲量式谷物流量传感器。从架构上来看，目前大部分谷物测产系统采用信号采集和数据处理分离的方式，即流量传感器仅负责采集信息，而数据处理在车载上位机进行，冲量式谷物流量传感器也不例外。这种架构一方面给上位机增加了运算负担，另一方面降低了测产传感器的可移植性，也间接导致了目前主流商业产品相互之间兼容性不足，为智能农机关键部件标准化造成了障碍。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，采用双平行梁传感器和两组处理器系统相结合，能够适应单平行梁和双平行梁两种结构，实时输出谷物质量流量数据，减少对上位机的依赖，可移植性强。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，包括两级放大电路和两级处理架构，其中，两级放大电路包括第一集成单电源仪表放大器、第二集成单电源仪表放大器和第一混合信号微控制器中的放大模块、第二混合信号微控制器中的放大模块，两级处理架构包括第一混合信号微控制器中预处理算法模块、第二混合信号微控制器中的预处理算法模块和嵌入式32位处理器；具体为：
第一集成单电源仪表放大器、第二集成单电源仪表放大器，分别用于获取第一平行梁传感器和第二平行梁传感器的谷物冲击信号，并对输入的谷物冲击信号进行第一级放大处理，再分别输出给第一混合信号微控制器、第二混合信号微控制器；
第一混合信号微控制器、第二混合信号微控制器，均包括内置的放大模块、AD转换模块和利用混合信号微控制器运算资源编写的预处理算法模块，放大模块用于对滤波后的谷物冲击信号进行第二级放大处理，AD转换模块用于对经过第二级放大处理的模拟信号进行模数转换，预处理算法模块用于对数字信号进行异常值检测、动态性能调节等数据预处理，处理结束后输出给嵌入式32位处理器；
嵌入式32位处理器，用于对预处理后的数字信号进行处理并将处理后的谷物冲击信号发送给上位机。
进一步的，本发明的冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，所述第一集成单电源仪表放大器和第二集成单电源仪表放大器均采用型号为AD623的单电源仪表放大器，并设置为64倍放大。
进一步的，本发明的冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，第一集成单电源仪表放大器、第二集成单电源仪表放大器与第一混合信号微控制器、第二混合信号微控制器之间设置有低通滤波器，所述低通滤波器为二阶巴特沃斯滤波器，包括低漂移轨对轨运算放大器SGM8422，其中SGM8422拥有两个运放。
进一步的，本发明的冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，所述第一混合信号微控制器和第二混合信号微控制器的发送数据引脚分别与嵌入式32位处理器的两个接收数据引脚相连，第一混合信号微控制器和第二混合信号微控制器的接收数据引脚与嵌入式32位处理器的同一个发送数据引脚相连，形成共享信号线。
进一步的，本发明的冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，所述第一混合信号微控制器和第二混合信号微控制器均采用型号为HY16F188的集成可编程增益放大模块和AD转换器的32位处理器,放大模块增益设置为2倍放大。
进一步的，本发明的冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，所述嵌入式32位处理器采用型号为STM32F405的集成浮点运算和DSP功能的嵌入式32位处理器。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明采用集成单电源仪表放大器和混合信号微控制器构成两级放大电路，在保证信号调理性能的前提下，适应不同激励电压造成的不同共模电压和信号输入范围变化的情况；
2、本发明采用两个混合信号微控制器，不仅兼容了单平行梁和双平行梁两种冲量式谷物流量信号的采集，而且能够以共享串口信号的方式保证每次数据采集的同步，减少产量计算误差；
3、本发明采用混合信号微控制器和嵌入式32位处理器构成两级处理架构，对双平行梁传感器的信号进行处理，充分利用了本装置的计算资源，且支持浮点运算，使得本发明能够直接运行复杂的信号处理算法，避免了传统的上位机处理方案，提高了系统的可移植性。
附图说明
图1是本发明的冲量式谷物流量传感器信号处理装置结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
一种冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，如图1所示，包括两级放大电路和两级处理架构，其中，两级放大电路包括第一集成单电源仪表放大器、第二集成单电源仪表放大器和第一混合信号微控制器中的放大模块、第二混合信号微控制器中的放大模块，两级处理架构包括第一混合信号微控制器中的预处理算法模块、第二混合信号微控制器中的预处理算法模块和嵌入式32位处理器；具体为：
第一集成单电源仪表放大器、第二集成单电源仪表放大器，分别用于获取第一平行梁传感器和第二平行梁传感器的谷物冲击信号，并对输入的谷物冲击信号进行第一级放大处理，再分别输出给第一混合信号微控制器、第二混合信号微控制器；
第一混合信号微控制器、第二混合信号微控制器，均包括内置的放大模块、AD转换模块和利用混合信号微控制器运算资源编写的预处理算法模块，放大模块用于对滤波后的谷物冲击信号进行第二级放大处理，AD转换模块用于对经过第二级放大处理的模拟信号进行模数转换，预处理算法模块用于对数字信号进行异常值检测、动态性能调节等数据预处理，处理结束后输出给嵌入式32位处理器；
嵌入式32位处理器，用于对预处理后的数字信号进行处理并将处理后的谷物冲击信号发送给上位机。
第一集成单电源仪表放大器、第二集成单电源仪表放大器与第一混合信号微控制器、第二混合信号微控制器之间设置有低通滤波器，所述低通滤波器为二阶巴特沃斯滤波器，包括低漂移轨对轨运算放大器SGM8422，其中SGM8422拥有两个运放。
第一集成单电源仪表放大器和第二集成单电源仪表放大器均采用型号为AD623的单电源仪表放大器，并设置为64倍放大。第一混合信号微控制器和第二混合信号微控制器均采用型号为HY16F188的集成可编程增益放大模块和AD转换器的32位处理器,放大模块增益设置为2倍放大。
第一混合信号微控制器和第二混合信号微控制器的发送数据引脚分别与嵌入式32位处理器的两个接收数据引脚相连，第一混合信号微控制器和第二混合信号微控制器的接收数据引脚与嵌入式32位处理器的同一个发送数据引脚相连，形成共享信号线。
嵌入式32位处理器采用型号为STM32F405的集成浮点运算和DSP功能的嵌入式32位处理器。
另外还具有第一DC-DC模块，与直流输入电压连接，用于降压为低通滤波器供电；低压差线性稳压器LDO，与第一DC-DC模块连接，用于降压为第一混合信号微控制器、第二混合信号微控制器和嵌入式32位处理器供电；第二DC-DC模块，与第一DC-DC模块、高精度数模转换器DAC均连接，用于升压为高精度数模转换器DAC供电；高精度数模转换器DAC，与嵌入式32位处理器通信连接，获取5-10V电压，通过跟随器将5-10V电压输出给激励电压模块，其中激励电压模块与第一平行梁传感器和第二平行梁传感器连接，用于为第一平行梁传感器和第二平行梁传感器供电。
高精度数模转换器DAC通过串行外设接口与嵌入式32位处理器连接；嵌入式32位处理器还连接有串口通信模块和CAN总线模块；嵌入式32位处理器采用型号为STM32F405的集成浮点运算和DSP功能的嵌入式32位处理器。
实施例1
一种冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，拥有两个信号输入通道，以适应单平行梁和双平行梁两种结构。一般平行梁传感器的激励电压可以在5-15V之间，灵敏度在1-2mv/V。以激励电压5V、灵敏度2mv/V为例，平行梁传感器满幅输出范围为-10mv～+10mv。该输入信号为微弱差分模拟信号，不能直接进行AD转换，必须首先进行差分放大。HY16F188处理器是一款集成可编程增益和高分辨率AD转换器的32位处理器。本实施例利用该HY16F188处理器芯片自带的可编程增益放大模块和集成单电源仪表放大器AD623形成两级放大电路，其中AD623放大器固定设置为64倍放大。根据平行梁传感器满幅输出范围要求，激励电压为5V时，设定HY16F188处理器中的放大模块增益为2倍增益，相当于可支持的输入信号范围为：-19.53mv～+19.53mv，正好可以采集平行梁传感器输出信号，并且留有裕度。
为了降低模拟噪声的影响，在信号进入HY16F188处理器之前，设置一个由低飘移轨对轨运算放大器SGM8422构成的二阶巴特沃斯滤波器进行低通滤波。其中SGM8422放大器拥有两个运放，可以为两个通道各提供一个滤波器。HY16F188处理器集成Sigma-Delta AD转换模块，最高支持960Hz可编程数据输出速率，足够满足采集谷物冲击信号的奈奎斯特定律要求，将模拟信号转换为数字信号。尽管HY16F188处理器拥有8个独立的模拟通道，接入1路平行梁传感器，可以实现500hz的采样输出。但是，由于单片HY16F188处理器的8个通道是轮询采集，无法做到同步采集，考虑到兼容双平行梁传感器，如图1所示，增加一片HY16F188处理器芯片，每一路平行梁传感器对应一片HY16F188处理器。采用两片HY16F188处理器将双平行梁传感器输出的模拟信号转换为数字信号，再通过预处理算法模块进行数据预处理，其中预处理算法模块是利用控制器运算资源编写的，能够检测异常值、调节动态性能等，然后通过串口通信将数据传输至集成浮点运算和DSP功能的嵌入式32位处理器STM32F405。为了更好的实现同步采集，本发明还设计了一种共享信号线的两串口通信方案，即两片HY16F188处理器的发送数据引脚TXD分别与STM3F405处理器的两个串口的不同接收数据引脚RXD相连，而两个接收数据引脚RXD则连接到STM32F405处理器的同一个发送数据引脚TXD，形成共享信号线的方案。嵌入式32位处理器STM32F405每隔1s发出通过发送数据引脚TXD发出同步信号，两片HY16F188处理器将通过中断同时收到同步信号，从而保证了同步采集。
为了充分利用装置的计算资源，在HY16F188处理器中实现平行梁传感器数据预处理环节，与嵌入式32位处理器STM32F405构成两级信号处理结构，经过处理的谷物冲击信号通过串口或者CAN总线传输至上位机，其中CAN总线采用ISO11783协议。
鉴于车载应用需要，装置支持6-36V直流电压输入，输入电压经过DC-DC模块LM2596转换成5V，为构成低通滤波器的SGM8422芯片供电。同时，将5V经过低压差线性稳压器(LDO)LM1117转换成3.3V，为装置的数字芯片提供电源。为了方便装置使用，兼容不同激励电压的平行梁传感器，引入高精度数模转换器(DAC)，DAC供电电压为15V，由DC-DC模块TPS60185将5V升压得到，而数字逻辑电源则直接用3.3V，以保证与STM32405的电平一致。DAC芯片AD5412通过SPI接口与STM32F405通信，使得可以通过编程输出5-10V直流电源。为了增强驱动能力，在DAC之后串接LM358构成的跟随器，以降低输出阻抗，提高输出电流。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，其特征在于，包括两级放大电路和两级处理架构，其中，两级放大电路包括第一集成单电源仪表放大器、第二集成单电源仪表放大器和第一混合信号微控制器中的放大模块、第二混合信号微控制器中的放大模块，两级处理架构包括第一混合信号微控制器中的预处理算法模块、第二混合信号微控制器中的预处理算法模块和嵌入式32位处理器；具体为：
第一集成单电源仪表放大器、第二集成单电源仪表放大器，分别用于获取第一平行梁传感器和第二平行梁传感器的谷物冲击信号，并对输入的谷物冲击信号进行第一级放大处理，再分别输出给第一混合信号微控制器中的放大模块、第二混合信号微控制器中的放大模块；
第一混合信号微控制器、第二混合信号微控制器，均包括内置的放大模块、AD转换模块和利用混合信号微控制器运算资源编写的预处理算法模块，放大模块用于对滤波后的谷物冲击信号进行第二级放大处理，AD转换模块用于对经过第二级放大处理的模拟信号进行模数转换，预处理算法模块用于对数字信号进行异常值检测、动态性能调节数据预处理，处理结束后输出给嵌入式32位处理器；
嵌入式32位处理器，用于对预处理后的数字信号进行处理并将处理后的谷物冲击信号发送给上位机。
2.根据权利要求1所述的冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，其特征在于，第一集成单电源仪表放大器和第二集成单电源仪表放大器均采用型号为AD623的单电源仪表放大器，并设置为64倍放大。
3.根据权利要求1所述的冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，其特征在于，第一集成单电源仪表放大器、第二集成单电源仪表放大器与第一混合信号微控制器、第二混合信号微控制器之间设置有低通滤波器，所述低通滤波器为二阶巴特沃斯滤波器，包括低漂移轨对轨运算放大器SGM8422，其中SGM8422拥有两个运放。
4.根据权利要求1所述的冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，其特征在于，所述第一混合信号微控制器和第二混合信号微控制器的发送数据引脚分别与嵌入式32位处理器的两个接收数据引脚相连，第一混合信号微控制器和第二混合信号微控制器的接收数据引脚与嵌入式32位处理器的同一个发送数据引脚相连，形成共享信号线。
5.根据权利要求1所述的冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，其特征在于，所述第一混合信号微控制器和第二混合信号微控制器均采用型号为HY16F188的集成可编程增益放大模块和AD转换器的32位处理器,放大模块增益设置为2倍放大。
6.根据权利要求1所述的冲量式谷物流量传感器信号采集处理装置，其特征在于，所述嵌入式32位处理器采用型号为STM32F405的集成浮点运算和DSP功能的嵌入式32位处理器。
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