基于DSP的木材弹性模量无损检测技术解析

木材具有隔音、隔热、舒适的触觉和视觉效果等优点，被广泛应用于建筑、家具、乐器、车辆、船舶、医疗器械等行业。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］。
　　国际市场对木材的质量和强度（应力分级）有着严格的要求，木材的弹性模量是对木材进行分等的一个重要依据。国内对木材弹性模量的研究还处于初级阶段，大多是实验室规模的研究阶段。自主开发的木材强度分级无损检测系统还不成熟，工业上已有大型设备，但便携式设备极其缺少，国外设备又极其昂贵。另外这一系统实用性开发高科技技术含量高，难度大，需要木材学、电子技术、计算机控制等多个专业的技术人员合作才可以成功。
　　本文设计了一种将木材技术、电子技术和计算机技术相结合，用于木材弹性模量无损检测的便携式设备。提出了一种基于DSP的木材弹性模量无损检测技术。
　　1 系统的总体结构框图
　　系统利用了纵向振动法，将采样数据在DSP中进行FFT变换，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。
　　采用了步进电机、传统的麦克风传感器、AD9224高速数据采集芯片、FPGA可编程逻辑器件、可读写存储器SDRAM、SD卡存储以及USB数据传输等模块。核心器件DSP芯片选用TI公司的TMS320VC5509A。它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，在便携式设备中被广泛应用。
　　由于DSP稳定工作在200 MHz的主频上，相比之下外设接口的速度过低。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。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。它和DSP之间进行实时有效的通信，使系统更加稳定，资源也得到更合理的应用。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。该系统共有4个可读写存储器，分别为：片内SARAM容量为96 K×16 bit；DARAM容量为32 K×16 bit；外部扩展的4 M×16 bit型号为HY57V641620HGT-H的SDRAM；采用512 K×8 bit的FLASH M25P40来固化程序［2］。
　　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。设计电路时，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。AD9224接口电路如图2。