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)

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 09610 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 kΩ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640×480點(diǎn)陣的彩色TFT，共有256種顏色?？刂瓢迮c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)

[1] 胡英成.木質(zhì)復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)特性與無(wú)損檢測(cè)[M].黑龍江：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2004.
[2] TMS320VC5509A Fixed-Point Digital Signal Processor，TI Incorporated[J/OL]，2006.http://www.TI.com.
[3] 李德葆，陸秋海.工程振動(dòng)試驗(yàn)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.