基于DSP+CPLD的高性能金屬磁記憶檢測儀的設計與實(shí)現

0引言

金屬磁記憶檢測技術(shù)自提出后一直具有良好的應用前景，但其理論研究的不足是制約該技術(shù)應用和發(fā)展的一大瓶頸，現有的理論研究認為，鐵磁材料結構表層的隱性缺陷會(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。據此市場(chǎng)上一些檢測儀就是以法向磁場(chǎng)分量過(guò)零值點(diǎn)來(lái)判斷鐵磁材料應力集中區域?，F今，國內外一些學(xué)者在此基礎上做更多的研究，有一部分學(xué)者，通過(guò)測量磁場(chǎng)信號，得到了磁場(chǎng)梯度，根據磁場(chǎng)梯度來(lái)判斷磁記憶損傷程度;另有一些學(xué)者，通過(guò)小波變換對采集的磁場(chǎng)信號進(jìn)行抑制細節系數、小波指數下降消噪等多種方法的分析處理，利用多種特征量對應力集中進(jìn)行定性和定量的綜合判斷，來(lái)提高對鐵磁性金屬構件疲勞損傷的識別率。

總之，這些方法都是在測量到鐵磁材料漏磁信號的基礎上建立的，本文設計的金屬磁記憶檢測儀是以DSP和CPLD為核心的嵌入式設備檢測系統，由于DSP藝芯片處理速度快，能對實(shí)時(shí)采集數據進(jìn)行高速處理，但DSP芯片資源、接口都有限，與外設的配合常常面臨接口復用、時(shí)序配合等要求。為減少DSP因對片外模塊進(jìn)行控制、通信等所帶來(lái)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，高效發(fā)揮DSP的數據處理能力，本文實(shí)現了一種基于 CPLD的外圍控制樞紐，協(xié)助DSP芯片完成外設的邏輯控制和時(shí)序協(xié)調，保證了DSP芯片的數據處理速度。

1硬件接口設計

系統中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電子廠(chǎng)生產(chǎn)的HW480272F-0L- 0A型號TFT液晶顯示屏。

系統整體實(shí)現流程為：傳感器采集鐵磁性零件表面的磁記憶信號，DSP通過(guò)內部自帶AD轉換器，對傳感器的信號進(jìn)行快速采集、高速處理、提取特征信號后，DSP通過(guò)總線(xiàn)方式將信號傳給CPLD，CPLD將波形顯示信號存入顯存SRAM中，然后再將SRAM中存儲的 TFT顯示屏的一幀波形數據在TFT屏上用波形顯示，因此一旦屏上波形出現過(guò)零點(diǎn)，即可判斷此處存在應力集中。為了方便系統的人機交流，系統中增加了按鍵和蜂鳴器，按鍵負責系統相關(guān)參數的設定，當檢測到應力集中區域時(shí)，蜂鳴器負責報警。圖1為檢測儀的硬件結構圖。

1.1HMC1052磁阻傳感器

磁阻傳感器HMC1052是一個(gè)雙軸線(xiàn)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。當加上供電電壓，傳感器將磁場(chǎng)強度轉換為電壓輸出，通過(guò)一個(gè)儀用放大器即可將信號電壓放大到AD采樣電壓量程范圍。HMC1052的磁場(chǎng)測量范圍是±6gauss，靈敏度是1.0mV/V/gauss。當5V 電壓供橋時(shí)，傳感器滿(mǎn)量程輸出電壓范圍±30mV，DSP自帶內部AD量程為0～3V，因此將儀用放大器參考電壓設定為1.5V，放大倍數設置成50倍，即可達到AD滿(mǎn)量程。利用磁原理，傳感器HMC1052測量工件表面散射磁場(chǎng)法向分量Hp(y)沿坐標X-Y分量，通過(guò)計算、誤差校正，由公式：Hp=√X2+Y2即可得到Hp(y)值。Hp(y)符號與測量基準方向Y的符號相同。圖2為HMC1052傳感器單軸調理電路，另一軸調理電路與圖 2相似。

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

1.2DSP與CPLD及相關(guān)外設通信

隨著(zhù)DSP芯片的工作時(shí)鐘越來(lái)越高，指令的執行周期越來(lái)越短，而掛接在系統上的外設，如：按鍵、顯示屏、蜂鳴器等，速度各不相同，且均相對DSP來(lái)說(shuō)，速度較慢，DSP如果直接對這些片外模塊進(jìn)行控制，將會(huì )帶來(lái)很大的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。在本系統中，DSP對外設的控制經(jīng)常需要用到種類(lèi)較多的門(mén)電路、譯碼電路、時(shí)序電路等，為了節約PCB板的面積，增加系統設計的靈活性、可靠性，采用CPLD實(shí)現DSP的外圍電路控制，能充分地利用CPLD中的資源，減少軟件編程的復雜度，提高DSP的執行速度。這樣，DSP對每一個(gè)外設都分配一個(gè)地址，CPLD通過(guò)DSP傳過(guò)來(lái)的地址線(xiàn)、控制線(xiàn)和數據線(xiàn)來(lái)進(jìn)行對相應外設的控制。對于按鍵類(lèi)型的外設，當按鍵按下后，首先CPLD對按鍵進(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(xiàn)來(lái)讀取按鍵值。

TMS320F28335 通過(guò)四位地址總線(xiàn)(XA[11：8])、數據總線(xiàn)(XD[11：0])、外部讀寫(xiě)使能信號(RD、WR)、片選信號(CS)及I/O中斷信號與CPLD相連，由這些信號連線(xiàn)完成DSP對CPLD內的相關(guān)寄存器或I/O的讀寫(xiě)操作。掛接在CPLD上的所有外設DSP都可以通過(guò)地址線(xiàn)XA[8：11]來(lái)分配一個(gè)對應的地址，當在DSP中執行寫(xiě)指令：*(0x0400)=0x001時(shí)，地址總線(xiàn)XA[11：8]=0100B，數據線(xiàn) XD[11：0]=0x001，同時(shí)控制線(xiàn)中CS、WR為低電平，RD為高電平，CPLD接收到總線(xiàn)電平后，進(jìn)行地址鎖存、數據譯碼等操作，即可對相應地址上分配的外設進(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，存儲一幀屏顯的數據。CPLD將DSP總線(xiàn)上傳來(lái)的數據，先存入顯存，然后再從顯存中讀取出來(lái)，配合液晶屏驅動(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軟件設計

本儀器所實(shí)現的主要功能有：漏磁信號采集處理、信號波形液晶顯示、聲音報警和按鍵功能設定。其中信號采集由DSP內部AD中斷完成，只需要設置好相關(guān)寄存器即可。由于波形顯示和聲音報警是直接由DSP通過(guò)總線(xiàn)將命令發(fā)送到CPLD;而按鍵功能設定是：當按鍵按下后由CPLD通過(guò)中斷來(lái)通知DSP，然后DSP 通過(guò)總線(xiàn)讀取按鍵值，根據這些功能畫(huà)出如圖6、7的系統軟件流程圖，分別表示兩塊CPU各自?xún)炔砍绦蛄鞒?。圖6為信號波形顯示和聲音報警軟件設計流程圖，圖7為按鍵功能設定流程圖。

3總結

金屬磁記憶作為一項新的無(wú)損檢測技術(shù)，已在石油化工管道、發(fā)電站汽輪機、工程機械裝備等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應用，采用DSP和CPLD組合設計的檢測儀，不僅能保證高速的信號采集處理，而且利用了CPLD內部的硬件資源，大大簡(jiǎn)化了DSP訪(fǎng)問(wèn)外設時(shí)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，提高整個(gè)系統的執行速度。同時(shí)，CPLD預留了一定擴展接口，方便今后系統更新和升級。