数字滤波器在车辆电容称重装置中的应用①

辛修芳

(商丘师范学院物理与电气信息学院，河南 商丘 476000)

1 车辆电容称重装置

在车辆电容称重装置中电容极板放在特制的减速路垫内，以便消除屏蔽线和地的杂散电容影响[1].由于工作环境存在很多的车辆，故存在一系列的干扰如电噪声、车轮转动引起的干扰等等，这些都严重影响了车辆电容称重装置精度[2].在车辆电容称重装置中采用滤波器是必不可少的一部分，而模拟滤波器电路复杂、参数难以更改且存在电压漂移、温度漂移和噪声等问题，数字滤波器电路简单、参数更改方便且稳定度和精确度较高，因此本文将针对存在的干扰信号设计相应的数字滤波器并通过软件进行仿真验证其效果.

2 数字滤波器及设计方案

数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元等组成的算法或装置，可实现对功输入离散信号的数字代码进行运算处理，改变信号频谱的功能.根据冲击响应函数的时域特性，数可分为无限长冲击响应(IIR)和有限长冲击响应(FIR)两种.IIR数字滤波器不易做成线性相位，FIR滤波器具有严格的相位特性，因此本文将重点叙述FIR的设计.

FIR滤波器的硬件设计有多种实现方法.常用的方法有:单片机、FIR滤波器集成电路、DSP芯片、可编程逻辑器件.对于前三种存在着在处理速度、效率、灵活性等方面的局限.而对于可编程逻辑器件来说，用户可以根据自己的需要灵活并反复的修改程序，因此在设计中为客户提供了更大的灵活性[3].FIR数字滤波器设计有窗函数设计法、切比雪夫最佳逼近法、频率采样法等.而窗函数方法是最简单的方法，最常用的方法之一.

3 FIR数字滤波器的设计

在电容称重装置中存在有高于1000Hz的电噪声、200至1000Hz的由车轮转动引起的干扰信号，而有用信号一般在20－50Hz，其具体取值和车重、速度以及加速度等因素有关.本文将针对其信号特点设计一个FIR低通滤波器，其截止频率为50HZ;Matlab中有多种专业工具设计各种滤波器，减少了设计与修改滤波器的工作量.

3.1 调用窗函数设计

在Matlab中有矩形窗、布莱克曼窗、凯塞窗、三角窗、汉宁窗、汉明窗等.海明窗也是余弦窗的一种，又称改进的升余弦窗，其调用格式:w=hamming(n)，在利用窗时经常要配合fir1函数来实现，调用格式:fir1(n，Wn，’ftype’，Window)，其参数分别为阶数、截止频率、滤波器类型.其中截止频率值在0－1之间，1对应fs/2.结合本系统的信号特点，该FIR数字滤波器的代码为:

采样频率为4800Hz，输入的混合信号，经过数字滤波器可以实现滤波功能，.但是这种方法有一定的专业性而且修改不是特别的方便，直观.

图1 滤波器的幅频响应

图2 滤波器的相频响应

图3 输入和输出信号波形

3.2 利用FDATool设计

在Matlab中设有操作简单、灵活，可随时调整滤波特性的专用滤波器设计分析工Filter Design Analysis Too1(FDATool).在该设计方法中依然采用汉明窗设计，采样频率为 4800Hz，截止频率50Hz，阶数为256.该设计方法只需选择相应的选项就可以完成，大大减少了工作量.而且采用FDATool中的Magnitude Response和Phase Response菜单命令就可以观察其滤波器的幅频响应和相频响应曲线分别如图1，2所示.采用1000Hz和200Hz以及20Hz混合正弦波信号作为输入信号，如图3(a)所示.输入信号经过数字滤波器之后的输出信号如图3(b)所示.从图3可知，该滤波器可以有效的滤除干扰信号实现了其预期的功能.

为了更加接近于真实的工作环境，在输入信号之后加入AWGN，即一种通道模型，此通道模型唯一的信号减损是来自于宽带的线性加成或是稳定谱密度与高斯分布振幅的白噪声.1000Hz和200Hz以及20Hz混合正弦波信号的输入信号经AWGN之后的波形和经过滤波器后的输出信号分别如图4(a)，(b)所示.从图可以看出在加入白噪声之后滤波器依然可以基本输出有用信号，滤除无用信号，实现其功能.

图4 加入白噪声后的输入和输出信号波形

4 结束语

本文利用通过Matlab设计了一个FIR数字滤波器，通过仿真说明该滤波器确实可以实现其功能.利用Fdatool设计的滤波器可以很方便地移植到数字信号处理器以及可编程逻辑器件等中[4].在车辆电容称重装置中，可根据实际需要对程序稍作修改，即可方便的修改FIR滤波器的参数，因此采用Matlab设计FIR具有较强的实用性，为提高车辆电容称重装置的精确性提供了保障.

[1]杨三序.电容式传感器在车辆检测装置中的应用.传感器技术.2004，23(9)，74 －75.

[2]吴杰，费玉华，于劲松.汽车动态称重中的一种信号处理方法[J].北京航空航天大学学报.2007，33(9)，1041 －1045.

[3]杨晨星.有限长单位冲激响应(FIR)低通数字滤波器的研究[J].建筑科技与管理.2011，6(9)，11 －12.

[4]李茂，任学恒，李涛，等.基于MATLAB/Simulink的数字滤波器设计与仿真[J].磁性材料及器件.2007，38(1)，59 －61.