摘  要： 一種利用共振法與DSP相結(jié)合，對木材的彈性模量進行無損檢測的便攜式系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(zhì)量進行準確的判斷。
關(guān)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(yōu)點，被廣泛應用于建筑、家具、樂器、車輛、船舶、醫(yī)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(shù)都應用于木材動態(tài)模量的檢測[1]。
    國際市場對木材的質(zhì)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(jù)。國內(nèi)對木材彈性模量的研究還處于初級階段，大多是實驗室規(guī)模的研究階段。自主開發(fā)的木材強度分級無損檢測系統(tǒng)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(tǒng)實用性開發(fā)高科技技術(shù)含量高，難度大，需要木材學、電子技術(shù)、計算機控制等多個專業(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(jié)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(shù)。
1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖
    系統(tǒng)利用了縱向振動法，將采樣數(shù)據(jù)在DSP中進行FFT變換，獲得彈性模量，根據(jù)彈性模量的數(shù)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(guān)的各個量。
    采用了步進電機、傳統(tǒng)的麥克風傳感器、AD9224高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K。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(wěn)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(tǒng)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(shù)據(jù)的緩存。它和DSP之間進行實時有效的通信，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，資源也得到更合理的應用。系統(tǒng)框圖如圖1。

2 系統(tǒng)硬件設計
　　DSP不僅控制著整個系統(tǒng)的流程，還應用在算法實現(xiàn)上。TMS320VC5509A的I/O電源采用3.3 V，內(nèi)核電源為1.6 V，有3個多通道緩沖串口。該系統(tǒng)共有4個可讀寫存儲器，分別為：片內(nèi)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(shù)據(jù)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(jié)束后再控制步進電機回歸到初始狀態(tài)。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(shù)據(jù)的采集選用AD9224芯片。設計電路時，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用差分輸入的形式。敲擊產(chǎn)生的縱波經(jīng)過放大衰減模塊后分為兩路經(jīng)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(fā)。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(shù)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(shù)據(jù)存儲到FPGA內(nèi)部RAM中，直到接收到4 096個采樣點產(chǎn)生中斷，將數(shù)據(jù)通過DSP的McBSP串口存儲到DSP的可讀寫存儲器SDRAM中。當數(shù)據(jù)超過4 095時，溢出標志位OTR為1。AD9224接口電路如圖2。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊
    對于采樣數(shù)據(jù)，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(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)分析計算、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸三部分。這里主要介紹后兩個部分的硬件實現(xiàn)。
2.2.1 數(shù)據(jù)存儲
    TMS320VC5509A自帶有MMC控制器，利用這一特點，選用FAT16文件系統(tǒng)，使用容量為1GB的SD卡來存儲采樣數(shù)據(jù)。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(shù)以及存儲卡對命令的回復；DATA0、DATA1、DATA2、DATA3傳輸讀寫的數(shù)據(jù)；CD/DATA3是SD卡檢測數(shù)據(jù)位；CLK被控制器用來傳送SD卡的時鐘信號。
2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸
    由于數(shù)據(jù)還要上傳到電腦上做進一步分析，所以系統(tǒng)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(shù)據(jù)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 k&Omega;的上拉電阻連在DP上，SOUT為UART數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)，SIN為UART輸入數(shù)據(jù)。TUSB3410與FPGA相連接。
    當系統(tǒng)向PC機傳輸數(shù)據(jù)時，先由PC機發(fā)送命令0xaa55，F(xiàn)PGA向DSP發(fā)中斷，DSP將SD卡中的數(shù)據(jù)讀到SDRAM中，然后通過串口依次傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA再通過TUSB3410傳到PC機中。當一個文件的數(shù)據(jù)都傳輸完時，停止接收數(shù)據(jù)。
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(chǎn)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&times;480點陣的彩色TFT，共有256種顏色?？刂瓢迮c液晶屏之間是JTGA接口，共有32個管腳。+5 V電源、8條數(shù)據(jù)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(qū)為512行、1 024列。液晶顯示的地址從（0，8）開始，到（480，647）結(jié)束，其余區(qū)域為用戶使用區(qū)。
    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(fā)送行地址、列地址及要顯示的顏色數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA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(tǒng)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(jié)果表明，本系統(tǒng)與FFT分析儀測得的頻率之間的誤差基本在10 Hz之內(nèi)。
    系統(tǒng)整體軟件流程如圖4。

    在DSP上實現(xiàn)木材無損檢測是本系統(tǒng)的一個創(chuàng)新之處。它將采樣、FPGA、DSP、SD卡、USB以及液晶相結(jié)合，可移植性強，只需要改變核心算法即可用于另一系統(tǒng)設計，例如超聲波檢測系統(tǒng)。該便攜式木材無損檢測系統(tǒng)實時性強，智能度高，速度快，結(jié)果穩(wěn)定，使用方便。該設備的軟、硬件已經(jīng)通過穩(wěn)定性、準確性等測試。在實際應用中，該設備用于樂器木質(zhì)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(zhì)復合材料的動態(tài)特性與無損檢測[M].黑龍江：東北林業(yè)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.