一种谷物损失传感器的信号调理模块

摘要

本发明公开了一种谷物损失传感器的信号调理模块。谷物损失传感器的各个上、下感测模块经各自的调理电路单元连接到多通道信号同步采集单元的输入端，多通道信号同步采集单元在DSP微控制器的控制下对经调理电路单元调理后的各个上、下感测模块的输出信号进行同步采集；采集到的各个上、下感测模块的输出信号在DSP微控制器进行分析与处理，完成对同一时刻下的籽粒冲击信号的提取与统计，并进行谷物损失量的计数。本发明与现有谷物损失传感器的信号调理模块相比，实现了强噪声干扰背景中对籽粒冲击信号的识别，对联合收割机作业过程中导致的服务损失量的统计更准确。

说明书

技术领域

本发明涉及了一种传感器的信号调理模块，尤其涉及了一种谷物损失传感器的信号调理模块。

背景技术

为提高联合收割机的工作质量及生产效率，必须对联合收割机的收获损失进行实时检测。近年来，国内外一些专家学者针对应用于联合收割机的谷物损失检测装置开展了一系列研究。专利CN201611039729.5提出一种基于PVDF的双层十字交叉结构颗粒碰撞传感器，将该谷物损失检测装置安装于联合收割机，可以实现对某时刻下损失的多个谷粒进行识别，弥补了谷物损失检测装置的研究中大多仅针对单一谷粒进行检测的缺陷。

专利CN201611039729.5提出的基于PVDF的双层十字交叉结构颗粒碰撞传感器工作原理为：联合收割机在田间进行收获作业时，从分离及清选机构抛洒出的清选物料会以一定速度冲击谷物损失传感器的敏感材料—PVDF压电薄膜。由于压电效应，谷物损失传感器会输出与清选物料冲击力成一定比例的电荷信号。目前现有的谷物损失传感器仅针对单籽粒的冲击信号进行检测，其信号调理模块也仅针对同一时刻下的单籽粒冲击信号进行识别与计数，对同一时刻的多籽粒冲击信号却无法辨别，导致对损失谷物的检测误差较高。因此，有必要针对专利CN201611039729.5提出的基于PVDF的双层十字交叉结构颗粒碰撞传感器设计与之匹配的信号调理模块，在强噪声干扰背景下对同一时刻下的多籽粒冲击信号进行提取与统计，并完成谷物损失量的计算，提高对损失谷物的检测准确度，为联合收割机的实时自动化调整提供依据。

发明内容

本发明的目的是提出一种谷物损失传感器的信号调理模块，将基于PVDF的双层十字交叉结构颗粒碰撞传感器输出的微弱电荷信号调理为适于后级模块传输与处理的电压信号，在强噪声干扰背景中可以对籽粒冲击信号进行有效识别；信号同步采集单元对经调理后的上感测层及下感测层输出的电压信号进行同步采集；在以DSP微控制器为核心的信号处理单元中对同一时刻下的多籽粒冲击信号进行提取与统计，并完成谷物损失量的计数。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：

本发明包括主要由电荷—电压转换电路、绝对值电路和带通滤波电路依次顺序连接构成的调理电路单元、两片A/D转换器AD7606级联构成的多通道信号同步采集单元及以DSP微控制器为核心的信号处理单元；A/D转换器采用16位、8通道同步模数数据采集系统AD7606，DSP微控制器采用高精度浮点型控制器TMS320F28335。谷物损失传感器的各个上、下感测模块经各自的调理电路单元连接到多通道信号同步采集单元的输入端，多通道信号同步采集单元在DSP微控制器的控制下对经调理电路单元调理后的各个上、下感测模块的输出信号进行同步采集；采集到的各个上、下感测模块的输出信号在DSP微控制器中利用籽粒识别算法进行分析与处理，完成对同一时刻下的籽粒冲击信号的提取与统计，并进行谷物损失量的计数。

谷物损失传感器主要由上、下感测层组成，上感测层是由上感测模块排列构成，下感测层是由下感测模块排列构成。

调理电路单元将谷物损失传感器输出的微弱电荷信号调理为适于后级处理与传输的电压信号，抑制信号调理电路输入端的噪声拾取，并从强噪声干扰背景中提取出谷物冲击信号；信号采集单元对经调理电路调理后的各个上、下感测模块的输出信号进行同步采集；以DSP微控制器为核心的信号处理单元对同一时刻的多籽粒冲击谷物损失传感器的信号进行判别与统计，提高了对损失谷物的检测准确度，为量化联合收割机收获过程中造成的粮食损失提供可靠数据源。

本发明为针对专利申请CN201611039729.5中提出的基于PVDF的双层十字交叉结构颗粒碰撞传感器而进行做出信号调理模块的设计。本发明中，谷物损失传感器是指专利申请CN201611039729.5中x向传感器层、绝缘片、y向传感器层和支撑板构成的颗粒碰撞传感器，上、下感测层是指x向传感器层和y向传感器层，上、下感测模块是指x向传感单元和y向传感单元，上、下感测模块各自平行排布组合形成上、下层感测阵列，上、下分别是指x向和y向。

本发明具体实施中不同于专利申请CN201611039729.5中的5×5阵列，本发明具体实施采用上感测模块和下感测模块各8个组成的8×8阵列。

所述的DSP微控制器中采用以下方式对信号进行处理：

首先进行采样及定时子过程：对经调理电路单元调理后的谷物损失传感器的各个上、下感测模块输出的电压信号进行同步采集，利用定时器对对应于上、下感测层的A/D转换器采集到电压信号的时刻进行记录，获得上层标记时刻和下层标记时刻及其对应的电压信号；

然后进行冲击信号时刻判别过程：对上层标记时刻与下层标记时刻中来自同一时刻的电压信号进行筛选、区分和组合；

最后进行阈值比较及损失谷物计数过程：保留下来的同一时刻下的电压信号与设定的阈值电压进行比较，以识别与提取籽粒冲击信号、滤除杂余物料冲击信号；对提取的同一时刻下的电压信号的个数(即同一时刻下产生冲击信号的籽粒个数)进行统计，并在计数器中在已经检测到的谷物损失量的基础上累加该时刻检测到的损失籽粒个数，消除了杂余物料对谷粒冲击信号的干扰。

如图3所示，在DSP微控制器中实现对A/D转换器采集到的信号进行分析与处理，实现对同一时刻下的多籽粒冲击信号的提取与判别，并完成对谷物损失量的计数。

在DSP微控制器中执行同一时刻下多籽粒冲击信号的识别及谷物损失量计数的过程为：

首先执行系统初始化动作，进行采样及定时子过程：

对经调理电路单元调理后的谷物损失传感器的上感测层输出的电压信号U1～U8和经调理电路单元调理后的谷物损失传感器的下感测层输出的电压信号U1～U8进行同步采集，利用定时器对对应于上感测层及下感测层的A/D转换器的各路信号采集通道采集到电压信号的时刻进行记录，获得上感测层中各个上感测模块的上层标记时刻T1～T8及其下的电压信号U1～U8和下感测层中各个下感测模块的下层标记时刻T1～T8及其下的电压信号U1～U8；

然后进行冲击信号时刻判别过程：

A)首先针对上感测层分别采用以下方式处理：

将上感测层中各个感测模块的所有上层标记时刻T1～T8以两两逐对方式进行比较，保留上感测层中各个感测模块的所有标记时刻T1～T8中相等的标记时刻及其电压信号并组成一组标记时刻组[Tc，(Ug…Um)]，其中Tc为上感测层中各个感测模块的所有标记时刻T1～T8中相等的标记时刻，(Ug…Um)为标记时刻Tc下的所有电压信号；将上感测层中各个感测模块的不与其他标记时刻相等的标记时刻及其电压信号舍弃；

B)针对上感测层所保留的每个标记时刻组采用以下方式处理：

然后将上感测层所保留的标记时刻组[Tc，(Ug…Um)]的标记时刻Tc和各个下感测模块的下层标记时刻T1～T8以两两逐对方式进行比较，获得两者之间的时间差ΔT；

若时间差ΔT小于时间阈值Δt，则保留被比较的下层标记时刻Te…Tn及其电压信号Ue…Un(Te…Tn为各个下感测模块的下层标记时刻T1～T8中的任意时刻)并组成一组标记时刻组[Te，Ue]…[Tn，Un]，即说明上感测层所保留的标记时刻组[Tc，(Ug…Um)]的标记时刻Tc和下感测层保留的标记时刻组[Te，Ue]…[Tn，Un]的标记时刻Te…Tn属于同一次籽粒冲击下的时刻；上感测层所保留的标记时刻组[Tc，(Ug…Um)]的电压信号(Ug…Um)和下感测层保留的下层标记时刻组[Te，Ue]…[Tn，Un]的电压信号Ue…Un为同一时刻的籽粒冲击信号；

若时间差ΔT大于等于时间阈值Δt，则认为在上感测层所保留的标记时刻组的标记时刻Tc下，仅有单籽粒对谷物损失传感器进行冲击；

C)接着进行阈值比较及损失谷物计数过程：

当判别出当前时刻下存在多籽粒同时冲击谷物损失传感器时，进行阈值比较及损失谷物计数的过程为：

将同一时刻的籽粒冲击信号对应的下感测层输出的电压信号Ue…Un分别与预先设定的阈值电压Uth依次进行比较，将电压信号Ue…Un中大于阈值电压Uth的电压信号进行保留，保留的电压信号个数I作为同一时刻下产生籽粒冲击信号的籽粒个数；最后对所有判断为同一时刻的籽粒冲击信号而获得的籽粒个数在计数器中进行累加，以获得谷物损失量T₊₁＝T+I，其中T为该检测时刻前的时刻检测到的谷物损失总量，T₊₁为本检测时刻检测到的谷物损失总量。

所述步骤C)中，当判别出当前时刻下仅为单籽粒冲击谷物损失传感器时，进行阈值比较及损失谷物计数过程为：

上感测层所保留的标记时刻组[Tc，Uc]的电压信号Uc与预先设定的阈值电压Uth进行比较，其中Tc为上感测层中各个感测模块的所有标记时刻T1～T8中任意的标记时刻，Uc为标记时刻Tc下的电压信号；

若Uc大于Uth，则保留Uc，保留的电压个数I记为1，即该时刻下产生籽粒冲击信号的籽粒个数为1，累计到谷物损失量T₊₁＝T+1；

若Uc小于Uth，则舍弃Uc，保留的电压个数I记为0，即该时刻下产生籽粒冲击信号的籽粒个数为0，不累计到谷物损失量T₊₁＝T。其中T为该检测时刻前的时刻检测到的谷物损失总量，T₊₁为本检测时刻下检测到的谷物损失总量。

根据上述基于PVDF的双层十字交叉结构颗粒碰撞传感器受到清选物料冲击后输出信号的特征，设计了由依次串联连接的电荷—电压转换电路、绝对值电路、带通滤波电路构成的调理电路单元，两片A/D转换器AD7606级联构成的多通道信号同步采集单元及以DSP微控制器TMS320F28335为核心的信号处理单元，电源电路为上述各级单元提供供电电源。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，本发明实现了微弱电荷信号至电压信号的转换，可以在强噪声干扰背景中对籽粒冲击信号进行识别，实现了对经调理电路单元调理的上感测层及下感测层输出的电压信号进行同步采集。在DSP微控制器中利用籽粒识别算法对同一时刻下的籽粒冲击信号的个数进行判别与统计，同时实现了谷物损失量的计数。本发明设计实现了具有良好的抗噪鲁棒性、检测准确度高的谷物损失传感器的信号调理模块。

附图说明

图1为本发明的信号调理模块连接示意图；

图2为本发明在以DSP微控制器为核心的信号处理单元中进行数据处理的流程图；

图3为本发明在以DSP微控制器为核心的信号处理单元中对同一时刻下的多籽粒冲击信号进行区分及谷物损失量计数的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明具体实施中不同于专利申请CN201611039729.5中的5×5阵列，本发明具体实施采用上感测模块和下感测模块各8个组成的8×8阵列。

如图1所示，双层十字交叉结构的谷物损失传感器的各个上感测模块及下感测模块的输出端分别连接至依次串联连接的电荷—电压转换电路、绝对值电路和带通滤波电路构成的调理电路单元；各个上、下调理电路单元的输出分别连接至由两片A/D转换器级联构成的多通道信号同步采集单元的输入端；有两片A/D转换器级联构成的多通道信号同步采集单元在DSP微控制器的控制下对经调理后的各个上、下感测模块的输出信号进行同步采集；采集到的各个上、下感测模块的输出信号在DSP微控制器中利用籽粒识别算法对其进行分析与处理，完成对同一时刻下的籽粒冲击信号的提取与统计，并进行谷物损失量的计数；由电源电路为本发明设计的信号调理模块供电供电。

具体实施中，所述的调理电路单元采用申请号为2018103593670、申请日为2018.4.20的中国专利申请技术方案中的信号调理单元，即：电荷—电压转换电路采用申请号为2018103593670、申请日为2018.4.20的中国专利申请技术方案中的电荷—电压转换电路，绝对值电路采用申请号为2018103593670、申请日为2018.4.20的中国专利申请技术方案中的绝对值电路，带通滤波电路采用申请号为2018103593670、申请日为2018.4.20的中国专利申请技术方案中的带通滤波电路；多通道信号同步采集单元和DSP微控制器采用申请号为2018103593670、申请日为2018.4.20的中国专利申请技术方案中的多通道信号同步采集单元和以DSP微控制器为核心的控制单元。

具体实施中，两片A/D转换器均采用16位、8通道同步模数数据采集系统AD7606；DSP微控制器采用高精度浮点型控制器TMS320F28335。

如图2所示，所述的在DSP微控制器对多通道信号同步采集单元采集到的信号进行数据处理的流程为：

首先进行采样及定时子过程对经调理电路单元调理后的谷物损失传感器的各个上、下感测模块输出的电压信号进行同步采集，利用定时器对对应于上、下感测层的A/D转换器的各路信号采集通道采集到电压信号的时刻进行记录，获得上层标记时刻和下层标记时刻及其下的电压信号；

然后进行冲击信号时刻判别子过程：对上层标记时刻与下层标记时刻中来自同一时刻的电压信号进行筛选、区分和组合；

最后进行阈值比较及损失谷物计数子过程：保留下来的同一时刻下的电压信号与设定的阈值电压进行比较，以准确识别与提取籽粒冲击信号、滤除杂余物料冲击信号；对提取的同一时刻下的电压信号的个数(即同一时刻下产生冲击信号的籽粒个数)进行统计，并在计数器中累加该时刻下检测到的损失籽粒个数。

如图3所示，在DSP微控制器中执行同一时刻下多籽粒冲击信号的识别及谷物损失量计数的过程为：

首先执行系统初始化动作，进行采样及定时子过程：

对经调理电路单元调理后的谷物损失传感器的上感测层输出的电压信号U1～U8和经调理电路单元调理后的谷物损失传感器的下感测层输出的电压信号U1～U8进行同步采集，利用定时器对对应于上感测层及下感测层的A/D转换器的各路信号采集通道采集到电压信号的时刻进行记录，获得上感测层中各个上感测模块的上层标记时刻T1～T8及其下的电压信号U1～U8和下感测层中各个下感测模块的下层标记时刻T1～T8及其下的电压信号U1～U8；

然后进行冲击信号时刻判别过程：

A)针对上感测层和下感测层分别采用以下方式处理：

将上感测层中各个感测模块的所有标记时刻T1～T8以两两逐对方式进行比较，保留上感测层中各个感测模块的所有标记时刻T1～T8中相等的标记时刻及其下的电压信号并组成一组标记时刻组[Tc，(Ug…Um)]，其中Tc为上感测层中各个感测模块的所有标记时刻T1～T8中相等的标记时刻，(Ug…Um)为标记时刻Tc下的所有电压信号；将上感测层中各个感测模块的所有标记时刻T1～T8中不与其他标记时刻相等的时刻及其下的电压信号舍弃，

B)然后将上感测层所保留的标记时刻组[Tc，(Ug…Um)]的标记时刻Tc和各个下感测模块的下层标记时刻T1～T8以两两逐对方式进行比较，获得两者之间的时间差ΔT；

若时间差ΔT小于时间阈值Δt，保留被比较的下层标记时刻Te…Tn及其下的电压信号Ue…Un(Te…Tn为各个下感测模块的下层标记时刻T1～T8中的某一时刻)并组成标记时刻组[Te，Ue]…[Tn，Un]，即说明上感测层所保留的标记时刻组[Tc，(Ug…Um)]的标记时刻Tc和下感测层保留的标记时刻组[Te，Ue]…[Tn，Un]的标记时刻Te…Tn属于同一次籽粒冲击下的时刻，上感测层所保留的标记时刻组[Tc，(Ug…Um)]的电压信号(Ug…Um)和下感测层保留的下层标记时刻组[Te，Ue]…[Tn，Un]的电压信号Ue…Un为同一时刻的籽粒冲击信号；

否则，认为在上感测层所保留的标记时刻组的标记时刻Tc下，仅有单籽粒对谷物损失传感器进行冲击。

接着进行阈值比较及损失谷物计数过程：

当判别出当前时刻下存在多籽粒同时冲击谷物损失传感器时，进行阈值比较及损失谷物计数过程为：

将保留的同一时刻的下感测层输出的电压信号Ue…Un分别与预先设定的阈值电压Uth依次进行比较，将电压信号Ue…Un中大于阈值电压Uth的电压信号进行保留，同时对保留的电压信号个数I进行统计，即I则为同一时刻下产生籽粒冲击信号的籽粒个数；最后对所有判断为同一时刻的籽粒冲击信号而获得的籽粒个数在计数器中进行累加，以获得谷物损失量T₊₁＝T+I，其中T为该检测时刻前的时刻检测到的谷物损失总量，T₊₁本检测时刻检测到的谷物损失总量。

当判别出当前时刻下仅为单籽粒冲击谷物损失传感器时，进行阈值比较及损失谷物计数过程为：

上感测层所保留的标记时刻组[Tc，Uc]的电压信号Uc预先设定的阈值电压Uth进行比较，其中Tc为上感测层中各个感测模块的所有标记时刻T1～T8中任意的标记时刻，Uc为标记时刻Tc下的电压信号；若Uc大于Uth，则保留Uc，保留的电压个数I记为1，即该时刻下产生籽粒冲击信号的籽粒个数为1，谷物损失量T₊₁＝T+1；若Uc小于Uth，则舍弃Uc，保留的电压个数I记为0，即该时刻下产生籽粒冲击信号的籽粒个数为0，谷物损失量T₊₁＝T。其中T为该检测时刻前的时刻检测到的谷物损失数，T₊₁为本检测时刻检测到的谷物损失数。