《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP的木材彈性模量無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第11期
劉曉明,,岳婷婷,,簡(jiǎn)福斌,,田 雨,,馮曉榮
重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院,,重慶400030
摘要: 一種利用共振法與DSP相結(jié)合,,對(duì)木材的彈性模量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的便攜式系統(tǒng),。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確得到木材的固有頻率,,進(jìn)而求出木材的彈性模量來(lái)對(duì)木材的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。
中圖分類號(hào): TN710
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2010)11-0045-03
Design and implementation of timber elastic modulus nondestructive testing system based on DSP
LIU Xiao Ming,,YUE Ting Ting,,JIAN Fu Bin,TIAN Yu,,F(xiàn)ENG Xiao Rong
College of Communication Engineering, Chongqing University,,Chongqing 400030,China
Abstract: A portable system that combined DSP and resonance method to nondestructively detect the elastic modulus of the timber is introduced in this paper. Such a system can accurately obtain the natural frequencies of wood, in order to calculate the elastic modulus of wood so as to judge the timber quality.
Key words : DSP,;vibration,;elastic modulus;portable

摘  要: 一種利用共振法與DSP相結(jié)合,,對(duì)木材的彈性模量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的便攜式系統(tǒng),。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確得到木材的固有頻率,進(jìn)而求出木材的彈性模量來(lái)對(duì)木材的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷,。
關(guān)鍵詞: DSP,;振動(dòng)法;彈性模量,;便攜

    木材具有隔音,、隔熱,、舒適的觸覺和視覺效果等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于建筑,、家具,、樂器、車輛,、船舶,、醫(yī)療器械等行業(yè)。木材的彈性模量是判斷木材質(zhì)量的一個(gè)可靠指標(biāo),。超聲波檢測(cè)法、微波檢測(cè)法,、射線檢測(cè)法,、機(jī)械應(yīng)力檢測(cè)法、振動(dòng)檢測(cè)法,、沖擊應(yīng)力波檢測(cè)法,、FFT分析等技術(shù)都應(yīng)用于木材動(dòng)態(tài)模量的檢測(cè)[1]。
    國(guó)際市場(chǎng)對(duì)木材的質(zhì)量和強(qiáng)度(應(yīng)力分級(jí))有著嚴(yán)格的要求,,木材的彈性模量是對(duì)木材進(jìn)行分等的一個(gè)重要依據(jù),。國(guó)內(nèi)對(duì)木材彈性模量的研究還處于初級(jí)階段,大多是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究階段,。自主開發(fā)的木材強(qiáng)度分級(jí)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)還不成熟,,工業(yè)上已有大型設(shè)備,但便攜式設(shè)備極其缺少,,國(guó)外設(shè)備又極其昂貴,。另外這一系統(tǒng)實(shí)用性開發(fā)高科技技術(shù)含量高,難度大,,需要木材學(xué),、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制等多個(gè)專業(yè)的技術(shù)人員合作才可以成功,。
    本文設(shè)計(jì)了一種將木材技術(shù),、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合,用于木材彈性模量無(wú)損檢測(cè)的便攜式設(shè)備,。提出了一種基于DSP的木材彈性模量無(wú)損檢測(cè)技術(shù),。
1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖
    系統(tǒng)利用了縱向振動(dòng)法,將采樣數(shù)據(jù)在DSP中進(jìn)行FFT變換,,獲得彈性模量,,根據(jù)彈性模量的數(shù)值范圍確定木材強(qiáng)度的等級(jí),并實(shí)時(shí)顯示FFT頻譜波形和聲壓衰減波形以及與彈性模量相關(guān)的各個(gè)量,。
    采用了步進(jìn)電機(jī),、傳統(tǒng)的麥克風(fēng)傳感器,、AD9224高速數(shù)據(jù)采集芯片、FPGA可編程邏輯器件,、可讀寫存儲(chǔ)器SDRAM,、SD卡存儲(chǔ)以及USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K。核心器件DSP芯片選用TI公司的TMS320VC5509A,。它是一款高性能低功耗的定點(diǎn)DSP,,集成了一個(gè)USB控制模塊,并自帶有MMC控制器,,在便攜式設(shè)備中被廣泛應(yīng)用,。
    由于DSP穩(wěn)定工作在200 MHz的主頻上,相比之下外設(shè)接口的速度過低,。因此系統(tǒng)采用了EP1C12Q240型號(hào)的FPGA來(lái)解決高速DSP與低速外設(shè)接口的匹配問題,。它控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行、AD9224的采樣頻率,、256色的TFT液晶顯示器,、鍵盤及光電旋鈕,同時(shí)也作為采樣數(shù)據(jù)的緩存,。它和DSP之間進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的通信,,使系統(tǒng)更加穩(wěn)定,資源也得到更合理的應(yīng)用,。系統(tǒng)框圖如圖1,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
  DSP不僅控制著整個(gè)系統(tǒng)的流程,還應(yīng)用在算法實(shí)現(xiàn)上,。TMS320VC5509A的I/O電源采用3.3 V,,內(nèi)核電源為1.6 V,有3個(gè)多通道緩沖串口,。該系統(tǒng)共有4個(gè)可讀寫存儲(chǔ)器,,分別為:片內(nèi)SARAM容量為96 K×16 bit;DARAM容量為32 K×16 bit,;外部擴(kuò)展的4 M×16 bit型號(hào)為HY57V641620HGT-H的SDRAM,;采用512 K×8 bit的FLASH M25P40來(lái)固化程序[2]。
2.1 數(shù)據(jù)采集模塊
    使用前將小錘固定在步進(jìn)電機(jī)上,,與木材成90°夾角,。FPGA控制步進(jìn)電機(jī)敲擊木材,敲擊結(jié)束后再控制步進(jìn)電機(jī)回歸到初始狀態(tài),。通過控制步進(jìn)電機(jī)的速度來(lái)達(dá)到控制敲擊力度的效果,。
    對(duì)敲擊數(shù)據(jù)的采集選用AD9224芯片。設(shè)計(jì)電路時(shí),為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,,采用差分輸入的形式,。敲擊產(chǎn)生的縱波經(jīng)過放大衰減模塊后分為兩路經(jīng)過AD8056變成差分信號(hào),分別輸入到VINA和VINB管腳,。時(shí)鐘CLK由FPGA提供,,CLK的頻率決定著采樣頻率,沿上升沿觸發(fā),。對(duì)CLK管腳提供40 kHz的時(shí)鐘頻率,,進(jìn)行4 096個(gè)點(diǎn)的FFT變換,則頻率分辨率為40 000/4 096<10 Hz,。模擬輸入信號(hào)的電壓范圍在-1 V~+1 V之間,,VREF為1 V。輸出為12 bit的數(shù)字信號(hào),,范圍為0~4 095,。當(dāng)信號(hào)超過FPGA設(shè)定好的閾值時(shí)便開始將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部RAM中,直到接收到4 096個(gè)采樣點(diǎn)產(chǎn)生中斷,,將數(shù)據(jù)通過DSP的McBSP串口存儲(chǔ)到DSP的可讀寫存儲(chǔ)器SDRAM中。當(dāng)數(shù)據(jù)超過4 095時(shí),,溢出標(biāo)志位OTR為1,。AD9224接口電路如圖2。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊
    對(duì)于采樣數(shù)據(jù),,不僅要在DSP上進(jìn)行處理,、存儲(chǔ),而且還有待在電腦上進(jìn)一步處理,。因此,,本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)分析計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、數(shù)據(jù)傳輸三部分,。這里主要介紹后兩個(gè)部分的硬件實(shí)現(xiàn)。
2.2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
    TMS320VC5509A自帶有MMC控制器,,利用這一特點(diǎn),,選用FAT16文件系統(tǒng),使用容量為1GB的SD卡來(lái)存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù),。SD卡接口電路如圖3,。

    SD卡與DSP的McBSP1連接,使用MMC模式,。CMD引腳用來(lái)傳遞MMC控制器對(duì)SD卡的控制命令和參數(shù)以及存儲(chǔ)卡對(duì)命令的回復(fù),;DATA0、DATA1、DATA2,、DATA3傳輸讀寫的數(shù)據(jù),;CD/DATA3是SD卡檢測(cè)數(shù)據(jù)位;CLK被控制器用來(lái)傳送SD卡的時(shí)鐘信號(hào),。
2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸
    由于數(shù)據(jù)還要上傳到電腦上做進(jìn)一步分析,,所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了USB接口。使用了USB到串行口控制器TUSB3410,。
    與主機(jī)通信采用RS-232串口數(shù)據(jù)模式,,115 200的波特率。主要用到5個(gè)管腳,,其中DP接差分正信號(hào),,DN接差分負(fù)信號(hào),PU通過一個(gè)1.5 k&Omega;的上拉電阻連在DP上,,SOUT為UART數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù),,SIN為UART輸入數(shù)據(jù)。TUSB3410與FPGA相連接,。
    當(dāng)系統(tǒng)向PC機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí),,先由PC機(jī)發(fā)送命令0xaa55,F(xiàn)PGA向DSP發(fā)中斷,,DSP將SD卡中的數(shù)據(jù)讀到SDRAM中,,然后通過串口依次傳遞給FPGA,F(xiàn)PGA再通過TUSB3410傳到PC機(jī)中,。當(dāng)一個(gè)文件的數(shù)據(jù)都傳輸完時(shí),,停止接收數(shù)據(jù)。
2.3 波形顯示模塊
    敲擊波形,、頻譜波形以及聲壓衰減波形都實(shí)時(shí)顯示在由北京拓普自控設(shè)備公司生產(chǎn)的TFT液晶顯示屏上,。該液晶顯示屏有一個(gè)TOPRO LCDC-VT256C液晶顯示控制板,可控制顯示640&times;480點(diǎn)陣的彩色TFT,,共有256種顏色,。控制板與液晶屏之間是JTGA接口,,共有32個(gè)管腳,。+5 V電源、8條數(shù)據(jù)總線,、10條行地址線,、9條列地址線。片選CS,、WR寫操作信號(hào),、RD讀操作信號(hào),、READY準(zhǔn)備信號(hào),全部低有效,。IO/M寄存器與存儲(chǔ)器選擇,,高為寄存器,低為存儲(chǔ)器,。整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)為512行,、1 024列。液晶顯示的地址從(0,,8)開始,,到(480,647)結(jié)束,,其余區(qū)域?yàn)橛脩羰褂脜^(qū),。
    液晶與FPGA相連,使用時(shí)將CS,、READY片選設(shè)置為低,,IO/M設(shè)為低。DSP向FPGA發(fā)送行地址,、列地址及要顯示的顏色數(shù)據(jù),,F(xiàn)PGA再依次傳遞給液晶控制器。這樣,,就能在液晶上顯示出所需要的圖形,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    對(duì)DSP軟件的編寫采用C語(yǔ)言,CCS2.0軟件,,TDS510仿真器進(jìn)行編譯,。

    試驗(yàn)結(jié)果表明,,本系統(tǒng)與FFT分析儀測(cè)得的頻率之間的誤差基本在10 Hz之內(nèi),。
    系統(tǒng)整體軟件流程如圖4。

    在DSP上實(shí)現(xiàn)木材無(wú)損檢測(cè)是本系統(tǒng)的一個(gè)創(chuàng)新之處,。它將采樣,、FPGA、DSP,、SD卡,、USB以及液晶相結(jié)合,可移植性強(qiáng),,只需要改變核心算法即可用于另一系統(tǒng)設(shè)計(jì),,例如超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。該便攜式木材無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng),,智能度高,,速度快,結(jié)果穩(wěn)定,使用方便,。該設(shè)備的軟,、硬件已經(jīng)通過穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等測(cè)試,。在實(shí)際應(yīng)用中,,該設(shè)備用于樂器木質(zhì)材料的檢測(cè)上,取得了很好的效果,,有廣闊的市場(chǎng)前景,。
參考文獻(xiàn)
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