馬肖祥，邢　濤*，戈　兵，張　策

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209)

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基于FPGA的木材聲振檢測平臺的設(shè)計實現(xiàn)

馬肖祥1，邢濤1*，戈兵1，張策2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209)

摘要：木材孔洞缺陷位置和大小會影響木材的強度和剛度，當(dāng)用小錘敲擊不同孔洞缺陷的木材時它們產(chǎn)生的聲波信號也會有所不同，針對這個現(xiàn)象，設(shè)計開發(fā)了用于檢測木材孔洞缺陷的基于FPGA的聲振檢測平臺。該檢測平臺包括聲波信號采集模塊、聲波信號處理模塊、NiosII處理器、USB通信模塊以及上位機處理模塊等，功能上實現(xiàn)了聲波信號的實時采集、傳輸、存儲和顯示，以及不同位置孔洞缺陷的檢測識別。根據(jù)實驗結(jié)果平臺能夠檢測出色木端部孔，中間孔以及無孔洞的情況，表明將此平臺作為專用木材孔洞缺陷檢測平臺具有一定的現(xiàn)實可行性。

關(guān)鍵詞：聲振；FPGA；檢測平臺；孔洞缺陷

0引言

基于聲振法來判斷物體的好壞十分普遍，農(nóng)業(yè)上敲擊梨等農(nóng)產(chǎn)品，根據(jù)聲音判斷其成熟度[1-2]；工業(yè)上用小錘敲擊被檢工件，根據(jù)聲波信號的特征確定工件是否有缺陷[3]；而在林業(yè)生產(chǎn)中以往都是用人耳聽敲擊木材所產(chǎn)生的聲音來判斷木材質(zhì)量的好壞[4]，隨著科技的發(fā)展，林業(yè)工作者開始使用聲振檢測儀器來研究和檢測木材，1986年Sobue[5]使用FFT分析儀對木材進行了頻譜分析，并探討了測定木材抗彎彈性模量的方法，此儀器基于PC機，使用DSP處理數(shù)字信號；2005年馬麗娜[6]使用聲級計采集聲波信號，經(jīng)過電荷放大器和低通濾波器輸入電腦，由聲振測試分析軟件進行采樣和分析，但其采樣頻率受PC機硬件約束，檢測系統(tǒng)集成度不高。由于目前專用檢測木材孔洞缺陷的聲振檢測儀器還未見報道，同時又因為FPGA內(nèi)部邏輯資源和管腳豐富，適合搭建數(shù)字電路，可提高系統(tǒng)集成度，因此設(shè)計了基于FPGA的木材聲振檢測平臺。

1檢測機理

聲振法是無損檢測的一種方法。聲振法由激勵方式可分為敲擊檢測和聲阻抗檢測，而敲擊檢測又可以分為整體敲擊和局部敲擊[7]。本文的木材無損檢測平臺是基于整體敲擊法來實現(xiàn)的。木材的結(jié)構(gòu)決定了其固有頻率，當(dāng)在理想狀態(tài)下小錘敲擊木材時，木材會產(chǎn)生振動，而其振動產(chǎn)生聲音的頻率由木材的固有頻率所決定，因此當(dāng)木材受損或者存在缺陷時，其結(jié)構(gòu)便受到影響，從而會影響木材的振動頻率[4]。綜上可知，可以通過敲擊得到的聲音頻率來檢測木材。

2檢測平臺設(shè)計

基于聲振檢測原理，該平臺主要由NiosII處理器、聲波信號處理模塊、聲波信號采集模塊、USB通信模塊以及上位機處理模塊等組成，其中NiosII處理器和聲波信號處理模塊是FPGA片上系統(tǒng)SOPC的重要組成部分，該平臺總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。小錘敲擊試件產(chǎn)生聲波，通過聲波信號采集模塊對聲波信號進行收集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大以及低通濾波，然后傳給聲波信號處理模塊，根據(jù)聲波信號的幅值是否大于預(yù)設(shè)的閾值判斷敲擊行為是否發(fā)生，若沒發(fā)生則等待，若發(fā)生就通知NiosII處理器啟動DMA，將數(shù)據(jù)傳輸給NiosII處理器，而后對其進行數(shù)字信號處理，處理完由NiosII處理器控制傳輸給USB通信模塊，再傳給上位機處理模塊進行檢測識別。

圖1　平臺總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the platform

2.1SOPC設(shè)計

SOPC又稱為片上系統(tǒng)，是在FPGA芯片中實現(xiàn)的，F(xiàn)PGA芯片選用Altera公司的EP3C16芯片，采用144個引腳的TQFP封裝形式，外部時鐘源為50MHz，可以通過PLL進行倍頻。由于FPGA內(nèi)部沒有程序存儲單元，因此需要一個外部擴展儲存單元，所選芯片為EPCS16，實質(zhì)是一個16Mbit的FLASH芯片。由于NiosII軟核處理器占用大量資源，F(xiàn)PGA內(nèi)部的ONCHIP RAM無法滿足要求，所以利用SDRAM作為系統(tǒng)的內(nèi)存，其型號為HY57V2562GTR，容量256Mbit，16bit總線，工作頻率為133MHz。如圖2所示，SOPC設(shè)計中主要由以下部分構(gòu)成：①自定義的NiosII軟核處理器、JTAG、SRAM、三態(tài)總線橋等預(yù)設(shè)的IP核；②聲波信號處理模塊；③CH372接口轉(zhuǎn)換模塊，如圖2所示。

圖2　平臺SOPC結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 SOPC structure block diagram of the platform

其中NiosII處理器為32位CPU，通過16位數(shù)據(jù)總線和8位IO與聲波信號處理模塊連接，實現(xiàn)DMA數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳輸以及數(shù)據(jù)處理。處理器接收到數(shù)據(jù)之后，對數(shù)據(jù)進行處理。

2.2聲波信號采集模塊設(shè)計

聲波信號采集模塊由麥克風(fēng)和信號調(diào)理這兩部分組成，由于系統(tǒng)工作電壓為3.3 V，敲擊木材可聽聲波頻率范圍大致在500 Hz到10 KHz內(nèi)，因此采用工作電壓為1.5 V，頻率響應(yīng)為50 Hz到16 KHz的，信噪比大于36 dB的AP-509麥克風(fēng)；信號調(diào)理是通過編寫基于FPGA的驅(qū)動器來配置專用的音頻編解碼芯片WM8731[8]，驅(qū)動器如圖3所示，電路原理圖如圖4所示。

圖3　驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the driver

圖4　信號調(diào)理電路原理圖Fig.4 The principle diagram of acoustic signal conditioning

其內(nèi)部調(diào)理過程為聲波先通過可編程音量調(diào)節(jié)器即放大電路，放大20 dB，如圖5所示，而圖4中的MICBIAS管腳是給該放大電路提供合適的靜態(tài)工作點。

圖5　可編程音量調(diào)節(jié)器Fig.5 Programmable volume adjustment

然后通過配置INSEL選擇寄存器來選擇單通道過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，如圖6所示。

圖6　過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理圖Fig.6 The principle diagram of oversampling sigma delta ADC

再配置內(nèi)部使能低通濾波器濾掉信號中高頻部分。為了提高采樣精度，將12 MHz時鐘配置為96 KHz作為采樣頻率，采樣點為1024個。寄存器配置和數(shù)據(jù)傳輸方式為IIC總線，數(shù)據(jù)位為16位。

2.3聲波信號處理模塊設(shè)計

該模塊在FPGA芯片內(nèi)實現(xiàn)，與WM8731雙向連接，由于在不同時鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸需要一個數(shù)據(jù)緩沖器作為數(shù)據(jù)緩沖，而FIFO是一種先進先出的數(shù)據(jù)緩存器，它與普通存儲器的區(qū)別就在于沒有外部讀寫地址線[9]，使用起來非常簡單，因此在FPGA中建立一個寬度為16，深度為1024的異步FIFO，用來采集接收并緩存聲波信號數(shù)據(jù)。在處理模塊中設(shè)定一個閾值，此閾值是經(jīng)過反復(fù)試驗確定的。根據(jù)采集的聲波信號是否大于閾值來判別小錘敲擊行為是否發(fā)生，如果大于閾值則認(rèn)為敲擊行為發(fā)生，然后將數(shù)據(jù)寫入FIFO，當(dāng)寫滿之后發(fā)送信號通知NiosII處理器，由它進行總線仲裁，啟動DMA控制器，從FIFO中將數(shù)據(jù)讀出，否則等待。

DMA(Direct Memory Access)即直接存儲器訪問，是外設(shè)與存儲器之間或存儲器與存儲器之間直接進行大量數(shù)據(jù)交換的傳輸方法，不會占用CPU資源，它與Avalon總線雙向連接[10]。在本設(shè)計中，有大量的音頻數(shù)據(jù)在FIFO中傳輸，為了提高工作效率，采用DMA方式。在DMA傳輸過程中，由CPU對DMA初始化，打開通道，在沒有CPU的干預(yù)下傳送數(shù)據(jù)。DMA模塊圖如圖7所示。

圖7　DMA模塊Fig.7 DMA module

2.4USB通信模塊設(shè)計

USB通信模塊設(shè)計由CH372芯片實現(xiàn)。CH372是一個USB總線的通用設(shè)備接口芯片，它具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選輸入、地址輸入以及中斷輸出，即D7-D0、RD#、WR#、CS#、A0、INT#，可以方便掛接到控制器的系統(tǒng)總線上，在計算機端，CH372的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口，與本地端的軟核處理器就如同讀寫文件一樣便捷。CH372內(nèi)置USB通信底層協(xié)議，分為內(nèi)置和外置固件模式，在內(nèi)置模式下它能屏蔽USB通信中的所有協(xié)議，提供計算機應(yīng)用層和本地端控制器的連接，可以不用了解任何通信協(xié)議、驅(qū)動和固件程序[11]。如圖8所示為CH372電路設(shè)計。

圖8　USB數(shù)據(jù)傳送電路原理圖Fig.8 USB data transmitting circuit

在本平臺中CH372通過8位接口D7-D0、RD#、WR#、CS#、A0直接與NiosII處理器連接，在FPGA內(nèi)部建立一個接口轉(zhuǎn)換模塊，從Avalon總線轉(zhuǎn)換到USB總線上，如果CH372芯片發(fā)出通信請求，則建立連接，NiosII處理器就將聲波信號數(shù)據(jù)傳輸給CH372芯片，它將接受到的數(shù)據(jù)截斷、轉(zhuǎn)換并緩存，然后等待上位機中斷，一旦進入中斷，就執(zhí)行程序，釋放CH372緩沖區(qū)，開始上傳數(shù)據(jù)。

2.5上位機處理模塊

上位機處理模塊與硬件系統(tǒng)以USB接口連接，采用請求加應(yīng)答的方式實現(xiàn)通信，由PC端請求，下位機應(yīng)答上傳數(shù)據(jù)。在計算機端基于C語言編寫，由于CH372芯片開發(fā)商提供了應(yīng)用層接口[12]，因此可以直接調(diào)用CH372動態(tài)鏈接庫提供的面向功能的應(yīng)用函數(shù)編寫程序，完成基本的數(shù)據(jù)接收工作，然后調(diào)用FFT函數(shù)對數(shù)據(jù)處理，并顯示時域與頻域波形圖；同時對數(shù)據(jù)進行特征值提取，構(gòu)造模糊模式的隸屬度函數(shù)組，采用最大隸屬度原則對木材缺陷作出識別。

3平臺測試與結(jié)果

實驗時以尺寸為420 mm × 60 mm × 60 mm的紋理、含水量相同的長方體無孔洞，端部孔和中間孔色木為試件來測試檢測平臺，試件如圖9所示，其孔洞內(nèi)徑為40 mm，檢測平臺如圖10所示。

圖9　試件結(jié)構(gòu)圖Fig.9 The structure of testing specimen

圖10　檢測平臺Fig.10 The detection platform

利用該檢測平臺分別對這三類進行了檢測，如圖11～13所示分別為長方體色木無孔洞、端部孔和中間孔的頻譜圖，其頻率分別為8.2、6.2、5.8 KHz。

圖11　無孔洞頻譜Fig.11 The spectrum of non-hole wood

圖12　端部孔頻譜Fig.12 The spectrum of wood specimen with a hole in the end

圖13　中間孔頻譜Fig.13 The spectrum of wood specimen with a hole in the middle

4結(jié)論

根據(jù)不同位置和大小的孔洞結(jié)構(gòu)缺陷的木材受到敲擊會產(chǎn)生不同聲波信號的現(xiàn)象，設(shè)計開發(fā)了基于FPGA的木材聲振檢測平臺，以FPGA為核心的硬件設(shè)計簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使硬件系統(tǒng)集成度得到了提高，并具有一定的可升級性。從功能上該平臺實現(xiàn)了木材聲波信號數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、存儲和顯示，通過上位機提取特征值固有頻率，實現(xiàn)了對長方體色木中間孔、端部孔和無孔洞的識別。因此采用它作為專用檢測長方體木材孔洞缺陷的平臺具有一定的現(xiàn)實可行性。關(guān)于平臺檢測準(zhǔn)確度詳見西北林學(xué)院學(xué)報的“模糊聚類分析在色木孔洞缺陷位置聲波檢測中的應(yīng)用”[13]。由于一般單路信號沒有多路信號所得信息完整與準(zhǔn)確，因此為了使檢測更加可靠和準(zhǔn)確，應(yīng)采用多通道信號采集方式。

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Design and Implementation of Wood Acoustic VibrationDetection Platform Based on FPGA

Ma Xiaoxiang1，Xing Tao1*，Ge Bing1，Zhang Ce2

(1. College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040；2.College of Information and Electrical Engineering，Harbin Institute of Technology，Weihai 264209，Shandong Province)

Abstract：The position and size of wood hole defects will impact the strength and stiffness of wood，therefore different acoustic signals will be generated when woods with different hole defects are knocked on by nap.According to this phenomenon，a wood acoustic vibration detection platform based on FPGA which was dedicated to detect wood hole defects was designed.This detection platform consists of acoustic signal collection module，acoustic signal processing module based on FPGA，NiosII processor，USB communication module，and PC processing module，which can realize real-time acquisition，transmission，storage，display of acoustic signal and the recognition of different locations of wood hole defects.The testing results indicated that the platform can detect woods defects of Acer mono with middle hole，one-side hole and non-hole.Therefore，it is practically feasible to a certain extent to use this platform as specified tool to detect wood hole defects.

Keywords：acoustic vibration；FPGA；detection platform；hole defects

中圖分類號：S781；G115.28

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)02-0044-05

作者簡介：第一馬肖祥, 碩士研究生。 研究方向：木材無損檢測。*通信作者：邢濤，博士，副教授。研究方向：木材無損檢測。E-mail：xt_hit@126.com

收稿日期：2015-11-03

引文格式：馬肖祥，邢濤，戈兵，等.基于FPGA的木材聲振檢測平臺的設(shè)計實現(xiàn)[J].森林工程，2016，32(2)：44-48.