基于DSP+CPLD的高性能金屬磁記憶檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0引言

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)自提出后一直具有良好的應(yīng)用前景，但其理論研究的不足是制約該技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的一大瓶頸，現(xiàn)有的理論研究認(rèn)為，鐵磁材料結(jié)構(gòu)表層的隱性缺陷會(huì)產(chǎn)生法向磁場(chǎng)分量過(guò)零值點(diǎn)，使得切向磁場(chǎng)分量取最大值。據(jù)此市場(chǎng)上一些檢測(cè)儀就是以法向磁場(chǎng)分量過(guò)零值點(diǎn)來(lái)判斷鐵磁材料應(yīng)力集中區(qū)域?，F(xiàn)今，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上做更多的研究，有一部分學(xué)者，通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)信號(hào)，得到了磁場(chǎng)梯度，根據(jù)磁場(chǎng)梯度來(lái)判斷磁記憶損傷程度;另有一些學(xué)者，通過(guò)小波變換對(duì)采集的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行抑制細(xì)節(jié)系數(shù)、小波指數(shù)下降消噪等多種方法的分析處理，利用多種特征量對(duì)應(yīng)力集中進(jìn)行定性和定量的綜合判斷，來(lái)提高對(duì)鐵磁性金屬構(gòu)件疲勞損傷的識(shí)別率。

總之，這些方法都是在測(cè)量到鐵磁材料漏磁信號(hào)的基礎(chǔ)上建立的，本文設(shè)計(jì)的金屬磁記憶檢測(cè)儀是以DSP和CPLD為核心的嵌入式設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)，由于DSP藝芯片處理速度快，能對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理，但DSP芯片資源、接口都有限，與外設(shè)的配合常常面臨接口復(fù)用、時(shí)序配合等要求。為減少DSP因?qū)ζ饽K進(jìn)行控制、通信等所帶來(lái)的時(shí)間開(kāi)銷，高效發(fā)揮DSP的數(shù)據(jù)處理能力，本文實(shí)現(xiàn)了一種基于 CPLD的外圍控制樞紐，協(xié)助DSP芯片完成外設(shè)的邏輯控制和時(shí)序協(xié)調(diào)，保證了DSP芯片的數(shù)據(jù)處理速度。

1硬件接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中DSP采用的是TI公司的TMS320F28335處理器，CPLD采用的是ALTERA公司的 EPM570，傳感器選用的是HONEYWELL公司的HMC1052磁阻傳感器，液晶顯示屏選用的是深圳旭升達(dá)電子廠生產(chǎn)的HW480272F-0L- 0A型號(hào)TFT液晶顯示屏。

系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)流程為：傳感器采集鐵磁性零件表面的磁記憶信號(hào)，DSP通過(guò)內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換器，對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行快速采集、高速處理、提取特征信號(hào)后，DSP通過(guò)總線方式將信號(hào)傳給CPLD，CPLD將波形顯示信號(hào)存入顯存SRAM中，然后再將SRAM中存儲(chǔ)的 TFT顯示屏的一幀波形數(shù)據(jù)在TFT屏上用波形顯示，因此一旦屏上波形出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，即可判斷此處存在應(yīng)力集中。為了方便系統(tǒng)的人機(jī)交流，系統(tǒng)中增加了按鍵和蜂鳴器，按鍵負(fù)責(zé)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，當(dāng)檢測(cè)到應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，蜂鳴器負(fù)責(zé)報(bào)警。圖1為檢測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)圖。

1.1HMC1052磁阻傳感器

磁阻傳感器HMC1052是一個(gè)雙軸線性磁傳感器，每個(gè)傳感器有一個(gè)由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。當(dāng)加上供電電壓，傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓輸出，通過(guò)一個(gè)儀用放大器即可將信號(hào)電壓放大到AD采樣電壓量程范圍。HMC1052的磁場(chǎng)測(cè)量范圍是±6gauss，靈敏度是1.0mV/V/gauss。當(dāng)5V 電壓供橋時(shí)，傳感器滿量程輸出電壓范圍±30mV，DSP自帶內(nèi)部AD量程為0～3V，因此將儀用放大器參考電壓設(shè)定為1.5V，放大倍數(shù)設(shè)置成50倍，即可達(dá)到AD滿量程。利用磁原理，傳感器HMC1052測(cè)量工件表面散射磁場(chǎng)法向分量Hp(y)沿坐標(biāo)X-Y分量，通過(guò)計(jì)算、誤差校正，由公式：Hp=√X2+Y2即可得到Hp(y)值。Hp(y)符號(hào)與測(cè)量基準(zhǔn)方向Y的符號(hào)相同。圖2為HMC1052傳感器單軸調(diào)理電路，另一軸調(diào)理電路與圖 2相似。

磁阻傳感器在制造過(guò)程中，選定沿著薄膜長(zhǎng)度方向?yàn)檩S，當(dāng)玻膜合金薄膜受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)(大于20gauss)薄膜磁化極性會(huì)受到破壞，需要對(duì)傳感器施加一個(gè)瞬態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)恢復(fù)或保持傳感器特性，這個(gè)過(guò)程只要DSP提供一個(gè)置位或復(fù)位脈沖CLOCK信號(hào)即可。圖3為單時(shí)鐘復(fù)位電路，其中CLOCK接DSP的一個(gè) GPIO口，S/R-接HMC1052的8腳，相應(yīng)HMC1052的第六腳接地。

1.2DSP與CPLD及相關(guān)外設(shè)通信

隨著DSP芯片的工作時(shí)鐘越來(lái)越高，指令的執(zhí)行周期越來(lái)越短，而掛接在系統(tǒng)上的外設(shè)，如：按鍵、顯示屏、蜂鳴器等，速度各不相同，且均相對(duì)DSP來(lái)說(shuō)，速度較慢，DSP如果直接對(duì)這些片外模塊進(jìn)行控制，將會(huì)帶來(lái)很大的時(shí)間開(kāi)銷。在本系統(tǒng)中，DSP對(duì)外設(shè)的控制經(jīng)常需要用到種類較多的門電路、譯碼電路、時(shí)序電路等，為了節(jié)約PCB板的面積，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、可靠性，采用CPLD實(shí)現(xiàn)DSP的外圍電路控制，能充分地利用CPLD中的資源，減少軟件編程的復(fù)雜度，提高DSP的執(zhí)行速度。這樣，DSP對(duì)每一個(gè)外設(shè)都分配一個(gè)地址，CPLD通過(guò)DSP傳過(guò)來(lái)的地址線、控制線和數(shù)據(jù)線來(lái)進(jìn)行對(duì)相應(yīng)外設(shè)的控制。對(duì)于按鍵類型的外設(shè)，當(dāng)按鍵按下后，首先CPLD對(duì)按鍵進(jìn)行消抖，CPLD得到按鍵值后，再通過(guò)中斷通知DSP，DSP再通過(guò)總線來(lái)讀取按鍵值。

TMS320F28335 通過(guò)四位地址總線(XA[11：8])、數(shù)據(jù)總線(XD[11：0])、外部讀寫(xiě)使能信號(hào)(RD、WR)、片選信號(hào)(CS)及I/O中斷信號(hào)與CPLD相連，由這些信號(hào)連線完成DSP對(duì)CPLD內(nèi)的相關(guān)寄存器或I/O的讀寫(xiě)操作。掛接在CPLD上的所有外設(shè)DSP都可以通過(guò)地址線XA[8：11]來(lái)分配一個(gè)對(duì)應(yīng)的地址，當(dāng)在DSP中執(zhí)行寫(xiě)指令：*(0x0400)=0x001時(shí)，地址總線XA[11：8]=0100B，數(shù)據(jù)線 XD[11：0]=0x001，同時(shí)控制線中CS、WR為低電平，RD為高電平，CPLD接收到總線電平后，進(jìn)行地址鎖存、數(shù)據(jù)譯碼等操作，即可對(duì)相應(yīng)地址上分配的外設(shè)進(jìn)行控制。CPLD與DSP的連接關(guān)系如圖4所示。

1.3TFT真彩液晶屏

液晶屏分辨率為272×480，尺寸為4.3英寸。顯示色彩為16位，RGB各占6位、5位、6位，采用3.3V電壓供電。CPLD上外掛一片 16×256kB的SRAM作為顯示屏的顯存，存儲(chǔ)一幀屏顯的數(shù)據(jù)。CPLD將DSP總線上傳來(lái)的數(shù)據(jù)，先存入顯存，然后再?gòu)娘@存中讀取出來(lái)，配合液晶屏驅(qū)動(dòng)時(shí)序，在液晶屏上將波形顯示出來(lái)。圖5為液晶控制圖。

2軟件設(shè)計(jì)

本儀器所實(shí)現(xiàn)的主要功能有：漏磁信號(hào)采集處理、信號(hào)波形液晶顯示、聲音報(bào)警和按鍵功能設(shè)定。其中信號(hào)采集由DSP內(nèi)部AD中斷完成，只需要設(shè)置好相關(guān)寄存器即可。由于波形顯示和聲音報(bào)警是直接由DSP通過(guò)總線將命令發(fā)送到CPLD;而按鍵功能設(shè)定是：當(dāng)按鍵按下后由CPLD通過(guò)中斷來(lái)通知DSP，然后DSP 通過(guò)總線讀取按鍵值，根據(jù)這些功能畫(huà)出如圖6、7的系統(tǒng)軟件流程圖，分別表示兩塊CPU各自內(nèi)部程序流程。圖6為信號(hào)波形顯示和聲音報(bào)警軟件設(shè)計(jì)流程圖，圖7為按鍵功能設(shè)定流程圖。

3總結(jié)

金屬磁記憶作為一項(xiàng)新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，已在石油化工管道、發(fā)電站汽輪機(jī)、工程機(jī)械裝備等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，采用DSP和CPLD組合設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀，不僅能保證高速的信號(hào)采集處理，而且利用了CPLD內(nèi)部的硬件資源，大大簡(jiǎn)化了DSP訪問(wèn)外設(shè)時(shí)的時(shí)間開(kāi)銷，提高整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行速度。同時(shí)，CPLD預(yù)留了一定擴(kuò)展接口，方便今后系統(tǒng)更新和升級(jí)。