李智勇，杜江，朱強
（重慶郵電大學(xué) 信號與信息處理重慶市重點實驗室，重慶 400065）
摘要：介紹了一種基于OMAPL138嵌入式處理器的球磨機負荷檢測系統(tǒng)設(shè)計方案。根據(jù)實際需求和當前球磨機負荷檢測方法，提出對應(yīng)的系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計方案。該方案利用OMAPL138內(nèi)部兩個處理器內(nèi)核在架構(gòu)上的非對稱性，更為高效地實現(xiàn)了系統(tǒng)的人機交互功能和數(shù)字信號處理。通過對球磨機產(chǎn)生的磨音信號進行頻域分析，判斷球磨機的負荷狀態(tài)，為球磨機控制策略的調(diào)整提供相關(guān)參考依據(jù)。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于水泥制造、金屬選礦等使用球磨機的行業(yè)。
關(guān)鍵詞：球磨機；負荷檢測；嵌入式；OMAPL138處理器
中圖分類號：TP216文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.20.024
引用格式：李智勇，杜江，朱強. 基于OMAPL138處理器的磨機負荷檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2016,35（20）：8789.
0引言
球磨機被廣泛應(yīng)用在水泥制造、金屬選礦等需要將原材料碾磨成粉末的作業(yè)中。由于球磨機內(nèi)部的不透明性，其負荷狀態(tài)很難直接檢測，因此工作人員無法及時調(diào)整球磨機工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致了球磨機多數(shù)時間工作在“飽磨”或“空磨”的狀態(tài)，造成球磨機本身的損耗和大量能源浪費［1］。為避免此類磨損并降低能耗，需要實時獲取球磨機負荷信息，以此為依據(jù)，調(diào)整其工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的球磨機負荷測量方法有球磨機轉(zhuǎn)動軸振動信號分析法、物料進出口重量壓差檢測法、轉(zhuǎn)動電機工作電流檢測法等，每種方法都有其獨到之處，但也有很大的局限性。相關(guān)研究表明，通過對球磨機運行時產(chǎn)生的磨音信號進行時頻分析可以更好地獲取到球磨機負荷相關(guān)的信息［2-5］。
某水泥生產(chǎn)企業(yè)一線工作人員提出希望可以直接觀測到磨音信號對應(yīng)的頻域信號波形，以便協(xié)助他們更準確地判斷出球磨機的工作狀態(tài)。其管理人員也希望可以在遠程計算機直接觀測磨音信號的頻域波形，以便獲得更多球磨機運行狀態(tài)信息。這些需求使得原本單一的磨音信號分析系統(tǒng)需要具備更強大的人機交互、數(shù)據(jù)通信等實用功能。
傳統(tǒng)的球磨機負荷檢測系統(tǒng)使用單一處理器作為系統(tǒng)的控制及運算核心［6-8］，處理器既要兼顧繁瑣的系統(tǒng)控制操作，又要兼顧龐大的數(shù)學(xué)運算。實際工程中，使用精簡指令集(RISC)的微控制處理器很難克服復(fù)雜數(shù)學(xué)運算龐大的資源開銷，使用復(fù)雜指令集(CISC)的數(shù)字信號處理器則不擅長應(yīng)對數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制等控制類操作［9］。這使得此類單一處理器系統(tǒng)的設(shè)計人員需要在控制功能和數(shù)學(xué)計算性能上尋找平衡。
為了解決單一處理器在架構(gòu)上的缺陷導(dǎo)致的系統(tǒng)運行效率不高的問題，本實驗室在設(shè)計球磨機負荷檢測系統(tǒng)時使用OMAPL138處理器作為系統(tǒng)的核心，該處理器兼顧RISC架構(gòu)和CISC架構(gòu)處理器的特性，可以有效解決單一架構(gòu)處理器在處理上述問題時遇到的困難。
1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)以O(shè)MAPL138嵌入式處理器為核心，該處理器內(nèi)部包含了一個ARM內(nèi)核和一個CISC架構(gòu)的DSP內(nèi)核。在工作中，采用RISC架構(gòu)的ARM核完成包括磨音信號采集與存儲、異常情況報警、圖形化的人機交互功能在內(nèi)的以控制指令為主的簡單操作；采用CISC架構(gòu)的DSP核用于對采集到的信號進行一系列數(shù)學(xué)分析。這種將簡單控制操作和復(fù)雜數(shù)學(xué)運算操作分而治之的方法使得系統(tǒng)可以高效地完成多樣化的功能。本系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
整個系統(tǒng)的硬件主要分為三個部分，分別為磨音信號采集部分、ARM核和DSP核在進行數(shù)據(jù)傳輸時的雙核通信部分以及系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)分析之后將數(shù)據(jù)輸出的接口部分。
磨音信號數(shù)據(jù)采集部分包括拾音器和語音芯片及相關(guān)外圍電路。拾音器將磨音信號輸入給TLV320AIC3106語音芯片，該信號會被嵌入式錄音軟件編碼成WAV格式的音頻文件，這個文件中的數(shù)據(jù)就是磨音信號的時域數(shù)據(jù)。和傳統(tǒng)的通過預(yù)處理電路傳輸模擬信號給模數(shù)轉(zhuǎn)換器來獲取磨音信號的方式相比，這種方法可以獲得更為精準的磨音信號。
雙核通信部分的硬件主要包括一個DDR2RAM。由于ARM核和DSP核工作時需要依賴于對方的數(shù)據(jù)，且二者無法直接進行異步通信［10］，因此，為了實現(xiàn)兩個核心之間的雙核通信，在硬件電路上加入一塊兩個處理器內(nèi)核都可以使用的內(nèi)存，以實現(xiàn)兩個內(nèi)核之間的雙核通信。當然，這種設(shè)計沒有硬件仲裁功能，還需要在軟件中加入有效的互斥機制才能保障雙核通信的可靠性，這部分的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
數(shù)據(jù)輸出接口包括了傳統(tǒng)的工業(yè)電流輸出接口、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口和一塊7英寸的液晶觸摸屏。
2軟件程序設(shè)計方案
本系統(tǒng)軟件設(shè)計思想是所有的任務(wù)由ARM核進行調(diào)度，將DSP核看作ARM核的一個外接擴展設(shè)備，該擴展設(shè)備的作用是完成信號的分析，并將結(jié)果返回給ARM核。基于實現(xiàn)雙核通信的需要，本系統(tǒng)運行Linux 3.3操作系統(tǒng)，具體的任務(wù)調(diào)度由該系統(tǒng)下運行的嵌入式Qt應(yīng)用程序來實現(xiàn)。系統(tǒng)整體的程序運行流程如圖3所示。
系統(tǒng)啟動后會加載用于人機交互的Qt應(yīng)用程序，該程序會在Linux后臺調(diào)用音頻錄音軟件采集磨音信號，采集到的磨音信號文件會被ARM核存放到用于雙核通信的共享內(nèi)存空間中，為了保證雙核通信中傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，在軟件設(shè)計時使用了自旋鎖來解決兩個處理器核同時操作共享內(nèi)存可能帶來的數(shù)據(jù)不可靠問題。DSP核作為ARM核的外設(shè)，在獲取到數(shù)據(jù)后對其進行包括濾波、時頻變換、相似度分析在內(nèi)的一系列數(shù)學(xué)計算，并將計算結(jié)果存放到另外一個共享內(nèi)存空間，并喚醒ARM核控制的相關(guān)進程，ARM核就會到指定的共享內(nèi)存空間獲取這些數(shù)據(jù)，并通過人機交互接口將這些數(shù)據(jù)輸出。
3系統(tǒng)實際測試
本系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)球磨機負荷檢測系統(tǒng)而言，一個重要的創(chuàng)新是通過液晶觸摸屏實時輸出當前磨音信號的頻域波形圖供工作人員參考。為了驗證該功能的準確性，使用音頻發(fā)生器輸出一個1 000 Hz的音頻信號，將顯示屏的輸出界面調(diào)到信號的頻域波形顯示界面，得到的音頻信號頻域波形如圖4淺色部分所示，圖中深色部分為音頻發(fā)生器工作時的界面。
在測試時，拾音器采集到了周圍環(huán)境中的其他的聲音，因而系統(tǒng)顯示出的頻域信號在其他頻點也有對應(yīng)的信號，但最為主要的成分集中在1000 Hz這一頻點上，這和實際的情況完全吻合，這說明本系統(tǒng)在音頻信號的采集、處理器內(nèi)核間的雙核通信、DSP內(nèi)核對磨音信號時頻轉(zhuǎn)換等功能上的設(shè)計確實是可行的。
為驗證其磨音信號分析功能的準確性，在某水泥廠中使用該系統(tǒng)進行了一次測試。測試對象為一臺正在工作的球磨機?，F(xiàn)場工作人員告知，球磨機當時可能處于偏空磨的狀態(tài)。經(jīng)過測試，顯示屏輸出的磨音信號的頻域波形如圖5所示。
根據(jù)輸出的頻域信號波形可知，該磨音頻域主要分布在2500 Hz以下，最為主要的成分集中在1000 Hz左右的中頻段，有大約30%的信號成分集中在高頻段，這種磨音信號和經(jīng)典的水泥球磨機磨音信號處于偏空磨的頻譜分布趨勢相類似，這和測試之前被告知的情況相同，從而驗證了本實驗室研發(fā)的球磨機負荷檢測系統(tǒng)在磨音信號分析功能上的準確性。
4結(jié)論
采用OMAPL138處理器作為核心的球磨機負荷檢測系統(tǒng)具有很強的人機交互功能和信號處理性能，其RISC和CISC互補的架構(gòu)可以輕松地完成磨音信號的分析，并將對應(yīng)的頻譜直接呈現(xiàn)出來，供一線工作人員參考。此外，本系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)通信接口，通過該接口，系統(tǒng)可以進行數(shù)據(jù)傳輸、算法更新等一系列實用的功能，甚至可以將數(shù)據(jù)通過這個接口連接到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)管理人員通過計算機、手持終端等設(shè)備直接進行遠程監(jiān)控等功能。總之，本文設(shè)計的球磨機負荷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，具有很強維護和擴展能力，可以很好地協(xié)助一線工作人員更為準確地判斷球磨機的工作狀態(tài)。
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