動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及分析

王衛(wèi)軍　張科元

【摘 要】隨著各行業(yè)市場競爭激烈程度的不斷加劇及人們對(duì)各行業(yè)質(zhì)量、精度要求等的不斷提升，傳統(tǒng)模式下的測量系統(tǒng)已難以滿足現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求，更科學(xué)準(zhǔn)確及可靠的測量系統(tǒng)開發(fā)勢(shì)在必行，動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)逐漸引起相關(guān)研究學(xué)者的關(guān)注和探析。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)及控制技術(shù)等的不斷提升又在極大程度上促進(jìn)了動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)由傳統(tǒng)的單一稱重裝置向具備信息收集處理分析能力、自動(dòng)化水平較高的綜合性完整系統(tǒng)方向發(fā)展，逐步成為小型智能、集成化與模塊化程度較高的整體系統(tǒng)，為滿足現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求、大幅度提升動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)稱重可靠性、安全性和準(zhǔn)確性等，為計(jì)量領(lǐng)域動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的快速發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)： U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）15-0089-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.042

0 引言

稱重技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中有著非常廣泛的應(yīng)用，而如何利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)較高精度、較低成本及較快速度的動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)是計(jì)量領(lǐng)域有關(guān)專家學(xué)者不斷思考和研究的重要難題之一。在此背景下，本文從動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的整體架構(gòu)出發(fā)，在深入探究動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)硬件組成的基礎(chǔ)上探討了動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的軟件組成，并進(jìn)一步對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及分析進(jìn)行了一定的研究，旨在給我國動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷拓寬帶來更多的思考和啟迪。

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)整體架構(gòu)

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要包括稱重臺(tái)面系統(tǒng)、稱重傳感器和硬件控制單元等重要部分。一般而言，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為最大程度降低稱重平臺(tái)的水平晃動(dòng)給該系統(tǒng)測量結(jié)果帶來的不準(zhǔn)確性，大多選擇拉桿限位等方式保證動(dòng)態(tài)稱重平臺(tái)在水平方向上的位移盡可能地小，從而使整體稱重平臺(tái)的拉桿處于水平狀態(tài)，避免產(chǎn)生垂直方向的拉應(yīng)力而影響動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、科學(xué)性與可靠性。

1 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

1.1 稱重板壓力傳感器

絕大部分情況下，稱重板壓力傳感器是動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)信息輸入的重要部分，是初始信息輸入至系統(tǒng)的關(guān)鍵，其所提供的初始信息在極大程度上直接關(guān)系著動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)后期決策的準(zhǔn)確性與可靠性。在此過程中，稱重板壓力傳感器能夠?qū)⒈粶y物重量轉(zhuǎn)化為設(shè)備所能識(shí)別的電壓信號(hào)，并做后續(xù)處理。因此，稱重板壓力傳感器質(zhì)量的良好與否在極大程度上直接影響著整個(gè)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由稱重系統(tǒng)、放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通道和用于信息處理的計(jì)算機(jī)等重要部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)能夠有效收集動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)稱重過程中所涉及到的速度、加速度、壓力等模擬量，并在此基礎(chǔ)上將相關(guān)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析處理及數(shù)據(jù)輸出。一般而言，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有以下三個(gè)方面的重要作用：首先，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的放大電路能夠?qū)⑶岸朔Q重平臺(tái)所傳遞過來的各種微弱信號(hào)放大;接下來，A/D轉(zhuǎn)換單元將放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)通道傳遞給終端計(jì)算機(jī)，為后期數(shù)據(jù)的處理優(yōu)化和信息決策等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);最后，濾波電路還能將工業(yè)生產(chǎn)過程中及稱重系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪音等進(jìn)行弱化，為動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性和可靠性做鋪墊。

1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要對(duì)離散的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過算法優(yōu)化得出符合動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)要求的重量數(shù)據(jù)，并輸出。此外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還能對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，并在需要時(shí)對(duì)監(jiān)控的場景圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理，為更好地完成動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸做出貢獻(xiàn)。

1.4 顯示、打印系統(tǒng)

顯示器系統(tǒng)主要顯示兩類數(shù)據(jù)，一是工業(yè)生產(chǎn)過程中重量值、速度值等信息，二是動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)實(shí)際工作過程中相關(guān)的重量值等數(shù)據(jù)，為動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的行政管理人員操作和管理數(shù)據(jù)信息提供一定的便利，更為該動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳遞打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。打印機(jī)則是將顯示器系統(tǒng)中的重要或所需數(shù)據(jù)信息以發(fā)票或報(bào)表的形式打印出來，為動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)行政管理部門的有紙化數(shù)據(jù)庫管理提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

1.5 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)輔助硬件設(shè)備

通常情況下，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的輔助硬件設(shè)備還包括動(dòng)態(tài)稱重引導(dǎo)裝置、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及報(bào)警系統(tǒng)等重要組成部分。就視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)主要由云臺(tái)、攝像頭及固定裝置等所組成。攝像頭能夠?qū)?shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中所需稱重產(chǎn)品的稱重畫面進(jìn)行一定的抓拍和攝像，對(duì)所稱重產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的同時(shí)將產(chǎn)品的實(shí)際稱重?cái)?shù)據(jù)信息等進(jìn)行科學(xué)記錄，為動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)相關(guān)部門的定期或不定期檢查做準(zhǔn)備。

2 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集軟件程序設(shè)計(jì)

一般而言，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程就是將稱重傳感器上所獲得的模擬信號(hào)經(jīng)過采樣、編碼及量化過程獲得動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)所需的離散數(shù)據(jù)信號(hào)值，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，其工作流程如圖2所示，軟件啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后讀取其實(shí)際狀態(tài)，在獲取其轉(zhuǎn)換結(jié)果的基礎(chǔ)上評(píng)判結(jié)果值是否小于一定閾值，當(dāng)該結(jié)果值及前一值皆小于閾值時(shí)完成數(shù)據(jù)采集的全體流程。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

眾所周知，動(dòng)態(tài)測量稱重系統(tǒng)在采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息時(shí)，不可避免地會(huì)由于周圍環(huán)境、設(shè)備及偶然誤差等因素，使得所采集到的數(shù)據(jù)信息在一定程度上偏離真實(shí)值，如何在保證采集數(shù)據(jù)真實(shí)性和有效性的基礎(chǔ)上，利用1科學(xué)手段排除各類干擾成為動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的重要工作內(nèi)容。同時(shí)，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊還能對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)后續(xù)步驟中的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行前期相關(guān)處理，以數(shù)字濾波方式加強(qiáng)后續(xù)數(shù)據(jù)分析的便捷度。

2.3 顯示程序設(shè)計(jì)

顯示程序是動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)軟件的重要組成部分，它能夠借助其子程序?qū)μ幚砗蟮南嚓P(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行一定的數(shù)制轉(zhuǎn)換，并根據(jù)轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)調(diào)用相應(yīng)的段碼發(fā)送至計(jì)算機(jī)終端以顯示相應(yīng)結(jié)果。圖3即為顯示程序設(shè)計(jì)流程圖，程序在對(duì)接受信息進(jìn)行數(shù)制轉(zhuǎn)換后按位存入合適位置單元，在查看段碼表的基礎(chǔ)上完成動(dòng)態(tài)稱量系統(tǒng)的延時(shí)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)稱重系統(tǒng)的顯示功能。

2.4 通信程序模塊

通信程序模塊作為動(dòng)態(tài)稱量系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的重要組成部分，主要是為了完成與上位機(jī)的通信。一般而言，該模塊在完成串行口的初始化過程后便設(shè)置相應(yīng)的波特率數(shù)據(jù)格式，在調(diào)整好數(shù)據(jù)格式的基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到計(jì)算機(jī)終端。若數(shù)據(jù)發(fā)送完成則返回，在數(shù)據(jù)發(fā)送失敗的情況下重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)步驟。圖4即為通信程序模塊的流程示意圖。

2.5 上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

通常情況下，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中的單片機(jī)，不能為用戶提供良好的交互界面，更不能科學(xué)有效地管理信息統(tǒng)計(jì)部分。因此，現(xiàn)階段的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)大多利用單片機(jī)完成對(duì)該數(shù)據(jù)系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)的收集和控制等，而進(jìn)一步借助上位機(jī)完成動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)頂層數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控和管理，以最大程度上提升動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的處理分析能力。

3 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理

就動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理而言，有關(guān)工作人員可在全面了解動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息和整體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行非線性建模，借助多因素協(xié)調(diào)控制的方式最大程度上提升整個(gè)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)分析結(jié)果的科學(xué)性。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模以并行技術(shù)為重要指導(dǎo)思想，將影響動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)結(jié)果精度的一系列主導(dǎo)因素作為訓(xùn)練樣本，充分利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)管及獲取的數(shù)據(jù)信息建立模型，通過數(shù)值的輸入求得對(duì)應(yīng)的輸出，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析等奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代社會(huì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展及先進(jìn)控制理論等在動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中的深入應(yīng)用，諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、最優(yōu)化算法等智能控制理論在動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中應(yīng)用的不斷加深，極大程度上提升了動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)稱量結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和快速性，為我國的工業(yè)生產(chǎn)做出了巨大的貢獻(xiàn)。

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