文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)11-0045-03
摘 要： 一種利用共振法與DSP相結合，對木材的彈性模量進行無損檢測的便攜式系統。該系統能夠準確得到木材的固有頻率，進而求出木材的彈性模量來對木材的質量進行準確的判斷。
關鍵詞： DSP；振動法；彈性模量；便攜
木材具有隔音、隔熱、舒適的觸覺和視覺效果等優點，被廣泛應用于建筑、家具、樂器、車輛、船舶、醫療器械等行業。木材的彈性模量是判斷木材質量的一個可靠指標。超聲波檢測法、微波檢測法、射線檢測法、機械應力檢測法、振動檢測法、沖擊應力波檢測法、FFT分析等技術都應用于木材動態模量的檢測[1]。
國際市場對木材的質量和強度（應力分級）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。國內對木材彈性模量的研究還處于初級階段，大多是實驗室規模的研究階段。自主開發的木材強度分級無損檢測系統還不成熟，工業上已有大型設備，但便攜式設備極其缺少，國外設備又極其昂貴。另外這一系統實用性開發高科技技術含量高，難度大，需要木材學、電子技術、計算機控制等多個專業的技術人員合作才可以成功。
本文設計了一種將木材技術、電子技術和計算機技術相結合，用于木材彈性模量無損檢測的便攜式設備。提出了一種基于DSP的木材彈性模量無損檢測技術。
1 系統的總體結構框圖
系統利用了縱向振動法，將采樣數據在DSP中進行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，并實時顯示FFT頻譜波形和聲壓衰減波形以及與彈性模量相關的各個量。
采用了步進電機、傳統的麥克風傳感器、AD9224高速數據采集芯片、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DSP，集成了一個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低。因此系統采用了EP1C12Q240型號的FPGA來解決高速DSP與低速外設接口的匹配問題。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，同時也作為采樣數據的緩存。它和DSP之間進行實時有效的通信，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不僅控制著整個系統的流程，還應用在算法實現上。TMS320VC5509A的I/O電源采用3.3 V，內核電源為1.6 V，有3個多通道緩沖串口。該系統共有4個可讀寫存儲器，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來固化程序[2]。
2.1 數據采集模塊
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，敲擊結束后再控制步進電機回歸到初始狀態。通過控制步進電機的速度來達到控制敲擊力度的效果。
對敲擊數據的采集選用AD9224芯片。設計電路時，為了保證系統的穩定性，采用差分輸入的形式。敲擊產生的縱波經過放大衰減模塊后分為兩路經過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。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40 000/4 096<10 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FPGA設定好的閾值時便開始將數據存儲到FPGA內部RAM中，直到接收到4 096個采樣點產生中斷，將數據通過DSP的McBSP串口存儲到DSP的可讀寫存儲器SDRAM中。當數據超過4 095時，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上進行處理、存儲，而且還有待在電腦上進一步處理。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部分的硬件實現。
2.2.1 數據存儲
TMS320VC5509A自帶有MMC控制器，利用這一特點，選用FAT16文件系統，使用容量為1GB的SD卡來存儲采樣數據。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傳輸讀寫的數據；CD/DATA3是SD卡檢測數據位；CLK被控制器用來傳送SD卡的時鐘信號。
2.2.2 數據傳輸
由于數據還要上傳到電腦上做進一步分析，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，先由PC機發送命令0xaa55，FPGA向DSP發中斷，DSP將SD卡中的數據讀到SDRAM中，然后通過串口依次傳遞給FPGA，FPGA再通過TUSB3410傳到PC機中。當一個文件的數據都傳輸完時，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時顯示在由北京拓普自控設備公司生產的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。控制板與液晶屏之間是JTGA接口，共有32個管腳。+5 V電源、8條數據總線、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。整個存儲區為512行、1 024列。液晶顯示的地址從（0，8）開始，到（480，647）結束，其余區域為用戶使用區。
液晶與FPGA相連，使用時將CS、READY片選設置為低，IO/M設為低。DSP向FPGA發送行地址、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軟件的編寫采用C語言，CCS2.0軟件，TDS510仿真器進行編譯。
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上實現木材無損檢測是本系統的一個創新之處。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。該便攜式木材無損檢測系統實時性強，智能度高，速度快，結果穩定，使用方便。該設備的軟、硬件已經通過穩定性、準確性等測試。在實際應用中，該設備用于樂器木質材料的檢測上，取得了很好的效果，有廣闊的市場前景。
參考文獻
[1] 胡英成.木質復合材料的動態特性與無損檢測[M].黑龍江：東北林業大學出版社，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：清華大學出版社，2004.