基于DSP的木材彈性模量無損檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

木材具有隔音、隔熱、舒適的觸覺和視覺效果等優(yōu)點，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)量的一個可靠指標。超聲波檢測法、微波檢測法、射線檢測法、機械應(yīng)力檢測法、振動檢測法、沖擊應(yīng)力波檢測法、FFT分析等技術(shù)都應(yīng)用于木材動態(tài)模量的檢測[1]。

國際市場對木材的質(zhì)量和強度（應(yīng)力分級）有著嚴格的要求，木材的彈性模量是對木材進行分等的一個重要依據(jù)。國內(nèi)對木材彈性模量的研究還處于初級階段，大多是實驗室規(guī)模的研究階段。自主開發(fā)的木材強度分級無損檢測系統(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，國外設(shè)備又極其昂貴。另外這一系統(tǒng)實用性開發(fā)高科技技術(shù)含量高，難度大，需要木材學(xué)、電子技術(shù)、計算機控制等多個專業(yè)的技術(shù)人員合作才可以成功。

本文設(shè)計了一種將木材技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合，用于木材彈性模量無損檢測的便攜式設(shè)備。提出了一種基于DSP的木材彈性模量無損檢測技術(shù)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)利用了縱向振動法，將采樣數(shù)據(jù)在DSP中進行FFT變換，獲得彈性模量，根據(jù)彈性模量的數(shù)值范圍確定木材強度的等級，并實時顯示FFT頻譜波形和聲壓衰減波形以及與彈性模量相關(guān)的各個量。

采用了步進電機、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、可讀寫存儲器SDRAM、SD卡存儲以及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DSP，集成了一個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型號的FPGA來解決高速DSP與低速外設(shè)接口的匹配問題。它控制步進電機的運行、AD9224的采樣頻率、256色的TFT液晶顯示器、鍵盤及光電旋鈕，同時也作為采樣數(shù)據(jù)的緩存。它和DSP之間進行實時有效的通信，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

　　DSP不僅控制著整個系統(tǒng)的流程，還應(yīng)用在算法實現(xiàn)上。TMS320VC5509A的I/O電源采用3.3 V，內(nèi)核電源為1.6 V，有3個多通道緩沖串口。該系統(tǒng)共有4個可讀寫存儲器，分別為：片內(nèi)SARAM容量為96 K×16 bit；DARAM容量為32 K×16 bit；外部擴展的4 M×16 bit型號為HY57V641620HGT-H的SDRAM；采用512 K×8 bit的FLASH M25P40來固化程序[2]。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

使用前將小錘固定在步進電機上，與木材成90°夾角。FPGA控制步進電機敲擊木材，敲擊結(jié)束后再控制步進電機回歸到初始狀態(tài)。通過控制步進電機的速度來達到控制敲擊力度的效果。

對敲擊數(shù)據(jù)的采集選用AD9224芯片。設(shè)計電路時，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，分別輸入到VINA和VINB管腳。時鐘CLK由FPGA提供，CLK的頻率決定著采樣頻率，沿上升沿觸發(fā)。對CLK管腳提供40 kHz的時鐘頻率，進行4 096個點的FFT變換，則頻率分辨率為40 000/4 09610 Hz。模擬輸入信號的電壓范圍在-1 V~+1 V之間，VREF為1 V。輸出為12 bit的數(shù)字信號，范圍為0~4 095。當(dāng)信號超過FPGA設(shè)定好的閾值時便開始將數(shù)據(jù)存儲到FPGA內(nèi)部RAM中，直到接收到4 096個采樣點產(chǎn)生中斷，將數(shù)據(jù)通過DSP的McBSP串口存儲到DSP的可讀寫存儲器SDRAM中。當(dāng)數(shù)據(jù)超過4 095時，溢出標志位OTR為1。AD9224接口電路如圖2。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

對于采樣數(shù)據(jù)，不僅要在DSP上進行處理、存儲，而且還有待在電腦上進一步處理。因此，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)分析計算、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸三部分。這里主要介紹后兩個部分的硬件實現(xiàn)。

2.2.1 數(shù)據(jù)存儲

TMS320VC5509A自帶有MMC控制器，利用這一特點，選用FAT16文件系統(tǒng)，使用容量為1GB的SD卡來存儲采樣數(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引腳用來傳遞MMC控制器對SD卡的控制命令和參數(shù)以及存儲卡對命令的回復(fù)；DATA0、DATA1、DATA2、DATA3傳輸讀寫的數(shù)據(jù)；CD/DATA3是SD卡檢測數(shù)據(jù)位；CLK被控制器用來傳送SD卡的時鐘信號。

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一步分析，所以系統(tǒng)設(shè)計了USB接口。使用了USB到串行口控制器TUSB3410。

與主機通信采用RS-232串口數(shù)據(jù)模式，115 200的波特率。主要用到5個管腳，其中DP接差分正信號，DN接差分負信號，PU通過一個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機傳輸數(shù)據(jù)時，先由PC機發(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機中。當(dāng)一個文件的數(shù)據(jù)都傳輸完時，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時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TOPRO LCDC-VT256C液晶顯示控制板，可控制顯示640×480點陣的彩色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、RD讀操作信號、READY準備信號，全部低有效。IO/M寄存器與存儲器選擇，高為寄存器，低為存儲器。整個存儲區(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)域為用戶使用區(qū)。

液晶與FPGA相連，使用時將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

對DSP軟件的編寫采用C語言，CCS2.0軟件，TDS510仿真器進行編譯。

試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)與FFT分析儀測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上實現(xiàn)木材無損檢測是本系統(tǒng)的一個創(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，只需要改變核心算法即可用于另一系統(tǒng)設(shè)計，例如超聲波檢測系統(tǒng)。該便攜式木材無損檢測系統(tǒng)實時性強，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、準確性等測試。在實際應(yīng)用中，該設(shè)備用于樂器木質(zhì)材料的檢測上，取得了很好的效果，有廣闊的市場前景。

參考文獻

[1] 胡英成.木質(zhì)復(fù)合材料的動態(tài)特性與無損檢測[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.工程振動試驗分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.