FPGA實現(xiàn)的FIR算法在汽車動態(tài)稱重儀表中的應(yīng)用

摘 要： 本文介紹了用FPGA實現(xiàn)的FIR算法，并對這種算法應(yīng)用于汽車動態(tài)稱重儀表中的結(jié)果做了分析。實踐證明此算法用于動態(tài)稱重具有良好的效果。
引言
車輛在動態(tài)稱重時，作用在平臺上的力除真實軸重外，還有許多因素產(chǎn)生的干擾力，如：車速、車輛自身諧振、路面激勵、輪胎驅(qū)動力等，給動態(tài)稱重實現(xiàn)高精度測量造成很大困難。若在消除干擾的過程中采用模擬方法濾波，參數(shù)則不能過大，否則將產(chǎn)生過大的延遲導(dǎo)致不能實現(xiàn)實時處理，從而造成濾波后的信號仍然含有相當(dāng)一部分的噪聲。所以必須采用數(shù)字濾波消除干擾。

FIR濾波的原理及實現(xiàn)
本文采用FIR數(shù)字濾波，其原理如公式1所示。
Y(n)= (1)
其中h(k)為系統(tǒng)濾波參數(shù)，x(n)為采集的信號，Y(n)為濾波后的輸出信號。
FIR濾波器的h(n)0≤n≤N-1
H(z)= (2)
在本文中N=17。由于h(n)具有對稱性質(zhì)，即：
h(n)=h(N-1-n) (n=0,1,...,(N-1)/2) (3)
這樣就可以把FIR濾波器設(shè)計成具有線性相位。利用這一情況，可以得到的乘法結(jié)構(gòu)，需要(N+1)/2次乘法，僅是級聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)所需次數(shù)的一半，因此，實際應(yīng)用中多采用此方法。
我們選用17點的FIR濾波算法，這樣實現(xiàn)一次FIR卷積運算需要執(zhí)行9次乘法和16次加法。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理，需要在20ms內(nèi)完成這個卷積運算，如果選用單片機(jī)89C51（12M晶振）則無法實現(xiàn)。所以我們選用了Altera公司的FLEX10K20。FLEX10K系列是工業(yè)界第一個嵌入式的PLD，采用重復(fù)可構(gòu)造的CMOS SRAM工藝，把連續(xù)的快速通道互連與獨特的嵌入式陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合，同時也結(jié)合了眾多可編程器件的優(yōu)點來完成普通門陣列的宏功能。具有高密度、低成本、低功率等特點。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2

圖3

圖4

硬件設(shè)計
由于我們選用的AD1674芯片轉(zhuǎn)換時間為10ms，而所設(shè)計的電路每隔20ms啟動轉(zhuǎn)換一次，所以有足夠的時間完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。軸重臺的寬度為40cm，汽車通過軸重臺的最大速度為15km/h，通過計算可知在這段時間里系統(tǒng)可采集4800個數(shù)據(jù)。由于前30ms是傳感器的反應(yīng)時間，將剩下的數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波后，噪聲會被有效的抑制。為了進(jìn)一步平滑波形，對每8個數(shù)據(jù)做一次平均，這樣就消弱了由于汽車高速通過軸重臺時由于顛簸產(chǎn)生的尖峰信號。FPGA的每次濾波包含有FIR運算和8個數(shù)據(jù)的平均值運算，完成一次濾波就會向單片機(jī)發(fā)一個中斷請求，此時單片機(jī)讀取濾波后的數(shù)據(jù)。由于我們選用的A/D轉(zhuǎn)換器是12位，而單片機(jī)89C51是8位的，所以經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)必須分兩次讀入。第一次讀入低8位，第二次讀入高4位，然后對數(shù)據(jù)處理。此時我們可以認(rèn)為單片機(jī)接收的數(shù)據(jù)為濾波后不含有噪聲的數(shù)據(jù)。根據(jù)軸重稱量的波形圖可以知道，只要求出此時的最大值就是汽車的真實重量。
在此儀表中，串行口即用來顯示也用來通訊，我們可以通過FPGA很容易實現(xiàn)切換。如圖1所示，當(dāng)控制信號為1的時候RXD、TXD用于顯示，而當(dāng)控制信號為0的時候用于和上位機(jī)通訊。
我們選用加海明窗的理想低通濾波器，其歸一化截至頻率為0.25，如圖2所示。汽車稱重信號為含有多種成分噪聲的直流信號如圖3所示，這1000個數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA的FIR濾波和8點數(shù)據(jù)平均后，提供給單片機(jī)125個數(shù)據(jù)，其波形如圖4所示。
濾波之前的噪聲的峰峰值在0.1V左右，而此時的軸重信號為1，這將嚴(yán)重影響測量精度。濾波后我們看到情況得到了明顯的改善，噪聲信號的峰峰值被抑制在0.02V的范圍內(nèi)，大大改善了信噪比，從而提高了測量精度。

結(jié)語
本設(shè)計不但實現(xiàn)了硬件數(shù)字濾波電路，而且減少了許多門電路和組合邏輯電路。用比較少的器件實現(xiàn)了比較復(fù)雜的功能，減少了故障率。用此方法設(shè)計的汽車動態(tài)稱重儀表具有良好的實時性和較高的精度，現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)。