基于DSP的木材彈性模量無(wú)損檢測系統的設計與實(shí)現

木材具有隔音、隔熱、舒適的觸覺(jué)和視覺(jué)效果等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于建筑、家具、樂(lè )器、車(chē)輛、船舶、醫療器械等行業(yè)。木材的彈性模量是判斷木材質(zhì)量的一個(gè)可靠指標。超聲波檢測法、微波檢測法、射線(xiàn)檢測法、機械應力檢測法、振動(dòng)檢測法、沖擊應力波檢測法、FFT分析等技術(shù)都應用于木材動(dòng)態(tài)模量的檢測[1]。

國際市場(chǎng)對木材的質(zhì)量和強度（應力分級）有著(zhù)嚴格的要求，木材的彈性模量是對木材進(jìn)行分等的一個(gè)重要依據。國內對木材彈性模量的研究還處于初級階段，大多是實(shí)驗室規模的研究階段。自主開(kāi)發(fā)的木材強度分級無(wú)損檢測系統還不成熟，工業(yè)上已有大型設備，但便攜式設備極其缺少，國外設備又極其昂貴。另外這一系統實(shí)用性開(kāi)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(gè)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員合作才可以成功。

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

1 系統的總體結構框圖

系統利用了縱向振動(dòng)法，將采樣數據在DSP中進(jìn)行FFT變換，獲得彈性模量，根據彈性模量的數值范圍確定木材強度的等級，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、傳統的麥克風(fēng)傳感器、AD9224高速數據采集芯片、FPGA可編程邏輯器件、可讀寫(xiě)存儲器SDRAM、SD卡存儲以及USB數據傳輸等模塊。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，在便攜式設備中被廣泛應用。

由于DSP穩定工作在200 MHz的主頻上，相比之下外設接口的速度過(guò)低。因此系統采用了EP1C12Q240型號的FPGA來(lái)解決高速DSP與低速外設接口的匹配問(wèn)題。它控制步進(jìn)電機的運行、AD9224的采樣頻率、256色的TFT液晶顯示器、鍵盤(pán)及光電旋鈕，同時(shí)也作為采樣數據的緩存。它和DSP之間進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的通信，使系統更加穩定，資源也得到更合理的應用。系統框圖如圖1。

2 系統硬件設計

　　DSP不僅控制著(zhù)整個(gè)系統的流程，還應用在算法實(shí)現上。TMS320VC5509A的I/O電源采用3.3 V，內核電源為1.6 V，有3個(gè)多通道緩沖串口。該系統共有4個(gè)可讀寫(xiě)存儲器，分別為：片內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(lái)固化程序[2]。

2.1 數據采集模塊

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

對敲擊數據的采集選用AD9224芯片。設計電路時(shí)，為了保證系統的穩定性，采用差分輸入的形式。敲擊產(chǎn)生的縱波經(jīng)過(guò)放大衰減模塊后分為兩路經(jīng)過(guò)AD8056變成差分信號，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(zhù)采樣頻率，沿上升沿觸發(fā)。對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。模擬輸入信號的電壓范圍在-1 V~+1 V之間，VREF為1 V。輸出為12 bit的數字信號，范圍為0~4 095。當信號超過(guò)FPGA設定好的閾值時(shí)便開(kāi)始將數據存儲到FPGA內部RAM中，直到接收到4 096個(gè)采樣點(diǎn)產(chǎn)生中斷，將數據通過(guò)DSP的McBSP串口存儲到DSP的可讀寫(xiě)存儲器SDRAM中。當數據超過(guò)4 095時(shí)，溢出標志位OTR為1。AD9224接口電路如圖2。

2.2 數據處理模塊

對于采樣數據，不僅要在DSP上進(jìn)行處理、存儲，而且還有待在電腦上進(jìn)一步處理。因此，本系統的數據處理包括數據分析計算、數據存儲、數據傳輸三部分。這里主要介紹后兩個(gè)部分的硬件實(shí)現。

2.2.1 數據存儲

TMS320VC5509A自帶有MMC控制器，利用這一特點(diǎn)，選用FAT16文件系統，使用容量為1GB的SD卡來(lái)存儲采樣數據。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SD卡的控制命令和參數以及存儲卡對命令的回復；DATA0、DATA1、DATA2、DATA3傳輸讀寫(xiě)的數據；CD/DATA3是SD卡檢測數據位；CLK被控制器用來(lái)傳送SD卡的時(shí)鐘信號。

2.2.2 數據傳輸

由于數據還要上傳到電腦上做進(jìn)一步分析，所以系統設計了USB接口。使用了USB到串行口控制器TUSB3410。

與主機通信采用RS-232串口數據模式，115 200的波特率。主要用到5個(gè)管腳，其中DP接差分正信號，DN接差分負信號，PU通過(guò)一個(gè)1.5 kΩ的上拉電阻連在DP上，SOUT為UART數據輸出數據，SIN為UART輸入數據。TUSB3410與FPGA相連接。

當系統向PC機傳輸數據時(shí)，先由PC機發(fā)送命令0xaa55，FPGA向DSP發(fā)中斷，DSP將SD卡中的數據讀到SDRAM中，然后通過(guò)串口依次傳遞給FPGA，FPGA再通過(guò)TUSB3410傳到PC機中。當一個(gè)文件的數據都傳輸完時(shí)，停止接收數據。

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條數據總線(xiàn)、10條行地址線(xiàn)、9條列地址線(xiàn)。片選CS、WR寫(xiě)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(gè)存儲區為512行、1 024列。液晶顯示的地址從（0，8）開(kāi)始，到（480，647）結束，其余區域為用戶(hù)使用區。

液晶與FPGA相連，使用時(shí)將CS、READY片選設置為低，IO/M設為低。DSP向FPGA發(fā)送行地址、列地址及要顯示的顏色數據，FPGA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 系統軟件設計

對DSP軟件的編寫(xiě)采用C語(yǔ)言，CCS2.0軟件，TDS510仿真器進(jìn)行編譯。

試驗結果表明，本系統與FFT分析儀測得的頻率之間的誤差基本在10 Hz之內。

系統整體軟件流程如圖4。

在DSP上實(shí)現木材無(wú)損檢測是本系統的一個(gè)創(chuàng )新之處。它將采樣、FPGA、DSP、SD卡、USB以及液晶相結合，可移植性強，只需要改變核心算法即可用于另一系統設計，例如超聲波檢測系統。該便攜式木材無(wú)損檢測系統實(shí)時(shí)性強，智能度高，速度快，結果穩定，使用方便。該設備的軟、硬件已經(jīng)通過(guò)穩定性、準確性等測試。在實(shí)際應用中，該設備用于樂(lè )器木質(zhì)材料的檢測上，取得了很好的效果，有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻

[1] 胡英成.木質(zhì)復合材料的動(dòng)態(tài)特性與無(wú)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(dòng)試驗分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.