信號的二值化融合在農用車檢測中的應用

摘要：以軸重信號的二值化處理和轉換過程為例，說明了多通道信號轉化為數字信號并編碼后可實現在同一線路的融合傳輸。重點闡述了如何降低測試誤差以及器件選取的理論基礎和實踐意義。結果表明，方法應用在農用車檢測線中可簡化工程布線、方便線路維修等，具有良好的應用價值。

關鍵詞：信號檢測；二值化；信號融合

中圖分類號：ＴＰ３６８．１文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）21－4485-03

Ｂｉｎａｒｙ Ｓｉｇｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｆａｒｍ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ

XIE Hong1，LIU Jian2，ＦＡＮＧ Ｙｉｎｇ3

（1. College of Computer Science and Technology， Shandong University of Technology， Zibo 255049，Shandong，China；

2. Zhangdian Teacher’s In-service Training School， Zibo 255000，Shandong，China；

3. School of Computer and Information Technology， Ｓｈａｎｇｑｉｕ ４７６０００， Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｂｉｎａｒｙ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ， ｉｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｌｉｎｅ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｉｎｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｃｏｄｉｎｇ． Hｏｗ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｒｒｏｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ were explaimed highlightly． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｕｌｄ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ， ｗｈｉｃｈ ｈａd ａ ｇｏｏｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ； ｂｉｎａｒｉｚｅ； ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ

“一點一線”（即信號分線直接傳輸）仍是目前的車輛檢測中最常采用的信號連接方式，但其缺點是布線多、不易維修，如何改進這種信號傳輸方式，有人提出利用信號編碼技術對現場采集的多路傳感器信號進行二值化處理［１］，其優點是兼容性、通用性強且成本低，但在測試方法和電路原件的選取上仍需進一步改進。本文認為融合多通道信號為一路基帶信號后再進行基帶或頻帶傳輸，可用于農用車性能檢測中，解決布線和維修中的一系列問題；二值化信號融合中的電路原件選取和誤差測試新方法研究是該系統需要解決的主要問題。

１信號二值化處理必要性和方法

速度、制動力、側滑、位移、軸重和發動機轉速等是農用車檢測的主要測試項目，由于需要的傳感器數目多且輸出信號的種類（脈沖信號、模擬信號和數字信號等）差別大，必須先對其進行二值化處理，使所有信號統一變換成一組具有一定寬度的在時間上離散的二值化脈沖信號，然后可利用數字信號編碼技術進行信號處理和變換，從而使一條信號線可傳輸多路傳感器信號。

為了實現該設計思路，設計的系統由現場傳感器、信號處理與變換、下位機、上位機和無線傳輸等模塊組成。下面以軸重信號為例，詳細說明信號的二值化處理和變換過程。

２軸重信號的處理和變換方法

２．１信號處理方法

Ａ／Ｄ轉換和Ｖ／Ｆ轉換是對模擬信號二值化處理的常用方法。雖然采樣速度低，但Ｖ／Ｆ轉換抗干擾性好且便于遠距離傳輸，與軸重傳感器的輸出信號較弱，工作現場又存在干擾信號的現狀比較符合，因此課題采用Ｖ／Ｆ轉換技術對軸重傳感器信號進行二值化處理。

針對軸重傳感器輸出信號弱（滿量程時僅為１５ ｍＶ左右）的問題，需要進行信號放大處理，但同時放大的干擾信號會嚴重影響檢測的準確性。因此放大電路的設計擬采用兩級電路構成：第一級采用具有高輸入阻抗和高共模抑制比的測量放大器，第二級采用二階有源低通濾波器。需進一步說明的是：低通濾波電路往往在通頻帶附近的范圍內下降較多，為避免這種不理想的截止特性，可在設計中采用具有補償特性的Ｓａｌｌｅｎ－ｋｅｙ二階有源低通濾波電路（圖１）。

電路中各參數計算過程如下：

幅頻特性為：

ｋ（ω）＝■（１）

式中：Ｐ＝ｊω（２）

kｐ為濾波器的增益：kｐ＝１＋■（３）

ω０為濾波器固有角頻率：ω０＝（R1R2C1C2）■ （４）

β為阻尼系數：

β＝■■■（５）

當β＜■時即可使幅頻特性在ω＝ω０點，即在截止頻率附近獲得共振峰Ｋ（ωｐ）。由于幅頻特性的提升是利用電路中的正反饋，因此提升的太大則將造成電路的穩定性變差。為了保證電路的穩定性，一般取提升峰值與通帶內幅值之比■為１．１～２．５即可。共振峰峰值的計算如下：

由幅頻特性表達式（１）可知，幅頻特性是角頻率ω的函數。因此為求得共振峰點的角頻率，可令kω=0

即ｄω＝1-■+2β■=0

于是有：■■+2β2-1=0

從而求解得到振峰點的角頻率ωｐ＝ω０■

在ωｐ點對應的最大峰值Ｋ（ωｐ）為：

ｋ（ωｐ）＝■

由于軸重傳感器的工作頻率很低，因此低通濾波器的截止頻率?。妫埃剑玻埃龋?，取阻尼系數β＝０．４。取濾波增量ｋｐ＝５，Ｃ１＝０．５ μｆ，Ｃ２＝１ μｆ

因為Ｃ１，Ｃ２，ω０＝２πｆ０，β，ｋｐ都為定值，代入（４）、（５）式求解立即可以得到ｋ１≈４．３ｋ，ｋ２≈１５ｋ

為使運放的同相輸入阻抗和反相輸入阻抗盡可能一致。使：

Ｒ１＋Ｒ２＝Ｒ３／Ｒｆ（６）

由于：ｋｐ=1+■（７）

將（６）、（７）聯立求解得：Ｒｆ≈１００ ｋ，Ｒ≈２５ ｋ

２．２信號轉換方法

常用的Ｖ／Ｆ轉換技術［2-4］有定時復原型、電壓反饋性、穩壓比較型和電荷平衡型，為簡化電路設計，系統采用了電荷平衡型Ｖ／Ｆ轉換。

工作原理可簡要描述為：開始時積分器在輸入模擬電壓作用下，積分器進入第一階段反向定值積分，并在積分電容上得到定量的電荷。當積分到比較器的給定值時，比較器反轉，并控制定時、定值電路輸出一個與輸入模擬電壓方向相反、寬度和幅值都較為精確定值的脈沖，積分方向與第一階段相反，進入第二階段積分，并從積分電容上放出一定量的電荷。由于第二階段是定時、定值積分，因此定時時間到后，積分器自動轉入對輸入模擬電壓的積分，至此，一個積分周期結束。隨著上述過程的重復，于是在積分器的輸出端得到連續輸出的鋸齒波，同時也在定時、定值電路的輸出端得到與鋸齒波頻率相同的脈沖序列。

３誤差分析

由于軸重信號為模擬信號，經過放大、濾波和二值化變換后，將產生一定的非線性誤差。為保證系統的測試精度，有必要對其進行測試精度和誤差分析，以確定這些誤差對系統測試精度的影響。文獻［１］用靜態方式進行測試，經Ｖ／Ｆ轉換后，當輸入信號大于１６ ｍV后非線性誤差有逐漸增大的趨勢，誤差產生的主要原因由定時器所引起。文獻［１］的定時器電路中采用的是普通的定時元件，尤其電容器采用的是瓷片電容，穩壓性較差，本課題用高精度的聚苯乙烯電容。另外由于Ｖ／Ｆ轉換采用的是電荷平衡型，若積分電容有泄漏電流時將不能保證一個積分周期中的電荷平衡。因此積分電容也選用高精度的聚苯乙烯積分電容。

從表１中可看出，當改用聚苯乙烯電容后，軸重傳感器信號的轉換結果的相對誤差比文獻［１］得到了較明顯的改善。

４信號編碼

數字通信中所采用的線路編碼技術多種多樣［5，6］。本課題對傳輸碼的要求是：①傳輸碼為單極性碼，碼元應攜帶定時信息；②無直流分量，能自動適應信道相位或極性。相應選取的編碼型為差分雙相碼，因為該碼型在碼元周期中間存在電平跳變，可將其提取出來作為定時信息；不怕信道相位反轉是該碼型的最大特點。需另說明的是：差分雙向碼的碼元脈沖為Ｔ／２（Ｔ為碼元的寬度），比非歸零碼的信號帶寬要增加一倍，而研究傳輸的現場信號變化速率不是太高（不超過１０ ｋＨｚ），因此完全可以采用該碼型作為信道線路傳輸碼。

由現場信號到信道傳輸碼變換全部硬件電路的組成結構框圖［４］如圖２所示。

５小結

針對傳統農用車檢測中信號繁多的現狀，采納了信號的二值化處理和轉化思路，應用于信號的傳輸和編碼中，對電路器件和靜態檢測方法進行了改進。通過對軸重信號的針對性實驗表明，原件采用具有理論和實踐基礎，技術上可行，二值化后的數字信號進一步編碼后可在同一條線路融合傳輸多路信號，其應用勢必大大消減信號傳輸線路的數量，進而實現高兼容性和通用性、降低硬件成本的最終目的。

參考文獻：

［１］ 李業剛，陳平，張景元，等．車輛檢測中信號的二值化處理技術的應用研究［Ｊ］．微計算機信息（嵌入式與ＳＯＣ），２００６，２２（９）：２４５－２４７，２４４．

［2］ 馬曉雷，劉軍，王冬． 高精度加速度計信息變換技術［Ｊ］． 無線電工程，２００7，37（12）：１5－１7．

［3］ 董明杰，汪渤，石永生，等． 高精度V/F轉換電路的溫度補償方法［Ｊ］． 兵工學報，２０11，32（6）：758－764．

［4］ 吳南濤，溫立平，邢京慧，等． 大量程電壓/頻率轉換器的展寬反饋技術的研究［Ｊ］． 導航與控制，２０08，7（1）：47－52．

［5］ 楊名，張祿，劉紅捷． ＮＲＺ碼和ＣＳＲＺ碼在４０Ｇ ｂｉｔ／ｓ單通道系統中傳輸性能分析［Ｊ］． 光通信研究，２００４（１）：５－８．

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