基于DSP的木材弹性模量无损检测系统的设计与实现

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木材具有隔音、隔热、舒适的触觉和视觉效果等优点，被广泛应用于建筑、家具、乐器、车辆、船舶、医疗器械等行业。木材的弹性模量是判断木材质量的一个可靠指标。超声波检测法、微波检测法、射线检测法、机械应力检测法、振动检测法、冲击应力波检测法、FFT分析等技术都应用于木材动态模量的检测[1]。
        国际市场对木材的质量和强度（应力分级）有着严格的要求，木材的弹性模量是对木材进行分等的一个重要依据。国内对木材弹性模量的研究还处于初级阶段，大多是实验室规模的研究阶段。自主开发的木材强度分级无损检测系统还不成熟，工业上已有大型设备，但便携式设备极其缺少，国外设备又极其昂贵。另外这一系统实用性开发高科技技术含量高，难度大，需要木材学、电子技术、计算机控制等多个专业的技术人员合作才可以成功。
        本文设计了一种将木材技术、电子技术和计算机技术相结合，用于木材弹性模量无损检测的便携式设备。提出了一种基于DSP的木材弹性模量无损检测技术。
1 系统的总体结构框图
        系统利用了纵向振动法，将采样数据在DSP中进行FFT变换，获得弹性模量，根据弹性模量的数值范围确定木材强度的等级，并实时显示FFT频谱波形和声压衰减波形以及与弹性模量相关的各个量。
         采用了步进电机、传统的麦克风传感器、AD9224高速数据采集芯片、FPGA可编程逻辑器件、可读写存储器SDRAM、SD卡存储以及USB数据传输等模块。核心器件DSP芯片选用TI公司的TMS320VC5509A。它是一款高性能低功耗的定点DSP，集成了一个USB控制模块，并自带有MMC控制器，在便携式设备中被广泛应用。
        由于DSP稳定工作在200 MHz的主频上，相比之下外设接口的速度过低。因此系统采用了EP1C12Q240型号的FPGA来解决高速DSP与低速外设接口的匹配问题。它控制步进电机的运行、AD9224的采样频率、256色的TFT液晶显示器、键盘及光电旋钮，同时也作为采样数据的缓存。它和DSP之间进行实时有效的通信，使系统更加稳定，资源也得到更合理的应用。系统框图如图1。

2 系统硬件设计
　　DSP不仅控制着整个系统的流程，还应用在算法实现上。TMS320VC5509A的I/O电源采用3.3 V，内核电源为1.6 V，有3个多通道缓冲串口。该系统共有4个可读写存储器，分别为：片内SARAM容量为96 K×16 bit；DARAM容量为32 K×16 bit；外部扩展的4 M×16 bit型号为HY57V641620HGT-H的SDRAM；采用512 K×8 bit的FLASH M25P40来固化程序[2]。
2.1 数据采集模块
        使用前将小锤固定在步进电机上，与木材成90°夹角。FPGA控制步进电机敲击木材，敲击结束后再控制步进电机回归到初始状态。通过控制步进电机的速度来达到控制敲击力度的效果。
        对敲击数据的采集选用AD9224芯片。设计电路时，为了保证系统的稳定性，采用差分输入的形式。敲击产生的纵波经过放大衰减模块后分为两路经过AD8056变成差分信号，分别输入到VINA和VINB管脚。时钟CLK由FPGA提供，CLK的频率决定着采样频率，沿上升沿触发。对CLK管脚提供40 kHz的时钟频率，进行4 096个点的FFT变换，则频率分辨率为40 000/4 096<10 Hz。模拟输入信号的电压范围在-1 V~+1 V之间，VREF为1 V。输出为12 bit的数字信号，范围为0~4 095。当信号超过FPGA设定好的阈值时便开始将数据存储到FPGA内部RAM中，直到接收到4 096个采样点产生中断，将数据通过DSP的McBSP串口存储到DSP的可读写存储器SDRAM中。当数据超过4 095时，溢出标志位OTR为1。AD9224接口电路如图2。

2.2 数据处理模块

        对于采样数据，不仅要在DSP上进行处理、存储，而且还有待在电脑上进一步处理。因此，本系统的数据处理包括数据分析计算、数据存储、数据传输三部分。这里主要介绍后两个部分的硬件实现。

2.2.1 数据存储

        TMS320VC5509A自带有MMC控制器，利用这一特点，选用FAT16文件系统，使用容量为1GB的SD卡来存储采样数据。SD卡接口电路如图3。

        SD卡与DSP的McBSP1连接，使用MMC模式。CMD引脚用来传递MMC控制器对SD卡的控制命令和参数以及存储卡对命令的回复；DATA0、DATA1、DATA2、DATA3传输读写的数据；CD/DATA3是SD卡检测数据位；CLK被控制器用来传送SD卡的时钟信号。

2.2.2 数据传输

        由于数据还要上传到电脑上做进一步分析，所以系统设计了USB接口。使用了USB到串行口控制器TUSB3410。

        与主机通信采用RS-232串口数据模式，115 200的波特率。主要用到5个管脚，其中DP接差分正信号，DN接差分负信号，PU通过一个1.5 k&Omega;的上拉电阻连在DP上，SOUT为UART数据输出数据，SIN为UART输入数据。TUSB3410与FPGA相连接。

        当系统向PC机传输数据时，先由PC机发送命令0xaa55，FPGA向DSP发中断，DSP将SD卡中的数据读到SDRAM中，然后通过串口依次传递给FPGA，FPGA再通过TUSB3410传到PC机中。当一个文件的数据都传输完时，停止接收数据。

2.3 波形显示模块

        敲击波形、频谱波形以及声压衰减波形都实时显示在由北京拓普自控设备公司生产的TFT液晶显示屏上。该液晶显示屏有一个TOPRO LCDC-VT256C液晶显示控制板，可控制显示640×480点阵的彩色TFT，共有256种颜色。控制板与液晶屏之间是JTGA接口，共有32个管脚。+5 V电源、8条数据总线、10条行地址线、9条列地址线。片选CS、WR写操作信号、RD读操作信号、READY准备信号，全部低有效。IO/M寄存器与存储器选择，高为寄存器，低为存储器。整个存储区为512行、1 024列。液晶显示的地址从（0，8）开始，到（480，647）结束，其余区域为用户使用区。

        液晶与FPGA相连，使用时将CS、READY片选设置为低，IO/M设为低。DSP向FPGA发送行地址、列地址及要显示的颜色数据，FPGA再依次传递给液晶控制器。这样，就能在液晶上显示出所需要的图形。

3 系统软件设计

        对DSP软件的编写采用C语言，CCS2.0软件，TDS510仿真器进行编译。

        试验结果表明，本系统与FFT分析仪测得的频率之间的误差基本在10 Hz之内。
       系统整体软件流程如图4。

        在DSP上实现木材无损检测是本系统的一个创新之处。它将采样、FPGA、DSP、SD卡、USB以及液晶相结合，可移植性强，只需要改变核心算法即可用于另一系统设计，例如超声波检测系统。该便携式木材无损检测系统实时性强，智能度高，速度快，结果稳定，使用方便。该设备的软、硬件已经通过稳定性、准确性等测试。在实际应用中，该设备用于乐器木质材料的检测上，取得了很好的效果，有广阔的市场前景。
参考文献
[1] 胡英成.木质复合材料的动态特性与无损检测[M].黑龙江：东北林业大学出版社，2004.
[2] TMS320VC5509A Fixed-Point Digital Signal Processor，TI  Incorporated[J/OL]，2006.http://www.TI.com.
[3] 李德葆，陆秋海.工程振动试验分析[M].北京：清华大学出版社，2004.