一种木材弹性模量无损检测系统的设计与实现

　　木材具有隔音、隔热、舒适的触觉和视觉效果等优点，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]。

　　数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

　　1 系统的总体结构框图

　　系统利用了纵向振动法，受到一定拉力时细长棒有一定伸长，这可等效为弹簧，通过测量由细长棒与质量块构成的振子的固有频率可准确测量劲度系数，若测得了其劲度系数即可得该材料的弹性模量。基于以上思路设计了纵向振动法测量弹性模量的实验装置，使弹性模量测量实验既保留了光杠杆法物理概念清晰的优点，又吸取了振动法的长处，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。

　　AD9224是一款单芯片、12位、40 MSPS模数转换器（ADC），采用单电源供电，内置一个片内高性能采样保持放大器和基准电压源。AD9224采用多级差分流水线架构，内置输出纠错逻辑，在40 MSPS数据速率时可提供12位，并保证在整个工作温度范围内无失码。器件TMS320VC5509A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。

　　由于DSP稳定工作在200 MHz的主频上，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。FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。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。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。

　　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，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，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。

　　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，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。

　　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 kΩ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。

　　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。

　　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。

　　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。