（控制理论与控制工程专业论文）碳纤维复合材料分层损伤的超声波无损检测研究.pdf

t 薯 r 吨 摘要 摘要 由于复合材料具有刚度大、强度高、重量轻的显著优点，使其广泛应用于航空、建 筑、工业等众多领域，但是复合材料在制造和使用过程中不可避免的会产生各种缺陷以 及损伤，因此对复合材料的无损检测成为国内外许多学者研究的热点。本文研究碳纤维 复合材料分层损伤的超声波无损检测方法，并设计了相应的检测电路以及基于d s p 的 算法，实现了对碳纤维复合材料分层损伤的定量检测。 本文在研究超声回波法检测机理和数字信号处理理论的基础上，对复合材料分层损 伤进行了数学分析，设计了一套以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p ( d 讶t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片为 核心、包括超声波脉冲电路、信号预处理、d 转换及采样、控制与显示电路在内的测 试系统，用来对超声检测回波信号作实时分析处理，实现分层状态信息的提取以及识 别。在系统硬件电路设计中多选用小封装，低功耗，抗干扰能力强的芯片，降低了系统 成本，减小了系统的体积。 在此基础上，本文分别对回波脉冲信号的时域特征参量：能量、幅值、衰减系数和 频域特征参量：频谱、频移变化等进行分析，分别制定了相关的实时信号处理算法，并 相应地设计了1 6 位定点d s p 算法实现程序。 通过对各种检测算法的效果进行综合分析比较发现时域信号处理后的数据特征差别 比较明显，但以能量参量处理效果最佳，相对于时域处理，频域处理受耦合状况等因素 影响较小，处理结果稳定。本课题实现了对碳纤维复合材料分层损伤量化检测的目的。 通过本课题的研究工作，得到了一些有实用价值的实验方法和实验数据，为进一步研究 复合材料损伤的超声波检测奠定了一定的基础。 关键词碳纤维复合材料；超声波；分层；d s p y 东北林业大学硕二f ：学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er e m a r k a b l em e r i to fc o m p o s i t e s ，s u c ha sg r e a tr i g i d j i y ，h i g hi n t e n s i t y ，l i g h t w e i g h t ，i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ed o m a i no fa v i a t i o n ，a r c h i t e c l u r ea n di n d u s t r va n ds o o n b u tt h ec o m p o s i t ew o u l db ei n e v i t a b l e l yd a m a g e d ，a l s oh a v el o t so fn a wi nm a n u f a c t u r e a n du s j n gp r o c e s s 。t h e r e f b r en o n d e s l r u c “v ed e t e c l j n go fc o n l p o s i t eh a sb e e nt h es i u d i n g h o t s p o tf b rm a n yd o m e s t i ca n df b r e i g ns c h o l a r s t h i sp a p e rs t u d i e dn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i n g m e t h o do fd e l a m i n a t i o ni nc a r b o nf i b e rc o m p o s i t e sw i t hu l t r a s o n i c ，a n dh a sd e s 远n e dt h e c o h e s p o n d i n gd e t e c t i n ge l e c t r i cc i r c u i ta sw e l la sa l g o r i t h mb a s e do nt h ed sp a c h i e v e dt h e o b j e c t i v et h a tq u a n t i t a t i v ed e t e c t i o no fd e l a m i n a t i o ni nc a r b o nf i b e rc o m p o s i t e s i n t h i sp a p e r ，b a s e do ns t u d y i n gt h ep “n c i p l eo fu l t r a s o n i ce c h om e t h o da n dt h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r yat m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 一c o r e dd s pd e t e c t i n gs y s t e mw a se s t a b l i s h e d t h r o u g hm a t h e m a t i c a la n a l y s e so fd e l a m i n a t i o ni nc o m p o s i t e s t h eu l t r a s o n i cp r o d u c i n gc i r c u i t ， s i g n a lp r e t r e a t m e n tc j r c u i t ，a dc o n v e r t e ra n ds a m p l i n gc i r c u i t ，c o n t r o la n dd i s p l a yc i r c u i t w e r ea l s oi n c l u d e dj n t h i ss y s t e m t h ed e t e c t i n gs y s i e mw a su s e di oa n a l y z ea n dp r o c e s st h e u l t f a s o n i cr e n e c i e dw a v es i g n a li nr e a l t i m em o d e ，t h e nt h ei n f o r m a t i o no fd e l a m i n a t i o ns t a t e w a sp i c k e d - u p i nt h eh a r d w a r ec i r c u i ts y s t e mt h i sp a p e rc h o o s e dt h ec h i pw h i c hi sp r o v i d e d w i t hs m a l le n c a p s u l a t i o n ，al i t t l ep o w e rc o n s u m p t i o na n dg r e a ta n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y ，s o r e d u c e dt h ec o s to fs y s t e ma n dm i n i s h e dt h es y s t e mv o l u m e t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h er e n e c t e dw a v e s e n e r g y ， a m p l i t u d e ， a t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n ti nt i m ef i e l da n dt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fs p e c t r u ma n df t e q u e n c ys h i f ti n f r e q u e n c yf i e l dw e r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h er e l a t i v er e a l t i m es i g n a ld i s p o s i n ga l g o r i t h m s w e r ea l s oe s t a b l i s h e da c c o r d i n g l y ，t h ec o e s p o n d i n g16 - b i ld e f i n i t e - p o i n td s pa r i t h m e t i cw a s a l s ow r i t e e n t h r o u g hs y n t h e t i c a la n a l y s e sa n dc o m p a r i s o nt oe f ! l e c to fe a c hd e t e c t i n gm e t h o dt h e p a p e rd j s c o v e r e dt h a tt h ed a t ad i s p o s e dj nt j m ef i e l dw a sd j f f e r e n td j s t j n c t l y ；h o w e v e re f f e c to f d i s p o s a lf b re n e r g yp a r a m e t e rw a st h eb e s t ，r e l a t i v et od i s p o s a li nt i m ef 论l dt h ed i s p o s e dr e s u l t i nf r e q u e n c yf i e l dw a sm o r es t a b l ea n dl e s si n n u e n c e d b yc o u p l i n ga n dm a n yo i h e rf a c t o r s t h e g o a lo fq u a n t i f i c a t i o n a ld e t e c t i o no fd e l a m i n a t i o ni nc a r b o nf i b e rc o m p o s i t e sh a db e e nr e a c h e d t h r o u g ht h es t u d y i n gt h ew o r kp r e s e n t e di n t h i sp a p e rh a dr e c e i v e ds o m ep r a c t i c a l e x p e r i m e n t a lm e t h o d sa n dd a t a i nac e r t a i ne x t e n ti tl a i daf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d y i n go n u l t r a s o n i cd e t e c t i n go fd a m a g ea n dn a wi nc o m p o s i i e s 1 沁y w o r d s c a r b o nf i b e rc o m p o s i t e s ；u l t r a s o n i c ；d e l a m i n a t i o n ；d s p i i 1 绪论 1 1 碳纤维复合材料简介 1 绪论 1 1 1 复合材料概述 根据国际标准化组织( i s o ) 为复合材料所下的定义，复合材料是由两种以上物理和 化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料l l j 。其中每一种组成材料称为复合材 料的“组分”。包容组分的称为基体材料( 简称基体) ，而被包容的组分称为增强材料，基 体与增强材料的结合面称为界面，这些组分虽然在宏观上相互牢固的结合成一个整体， 但它们之间既不发生化学反应不互相溶解，通常在各组分的界面上可以物理的区分出 来，因此复合材料是一种多相材料。 复合材料按其组分与构成大致可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、层合 复合材料三类。 ( 1 ) 纤维增强复合材料 人们早就发现，材料处于纤维状的强度，比块状可能高出上百倍。这是由于纤维直 径接近晶体大小，晶体沿纤维轴定向排列，比块状材料的缺陷大大减少。 纤维增强材料又可分为长纤维增强，短纤维增强和晶须增强。所谓连续纤维是指纤 维两端点都在材料制成构件的边界处，不连续纤维则相反，晶须的端部纤维更短，呈须 状。晶须是在很小的尺度上结晶，有完整的晶体线状排列，比纤维有更高的性能。 增强材料主要用来抵抗破坏和变形，要求它有较小的比重和较高的强度。而包围纤 维的基体材料主要起粘结、保护与传递力的作用。 ( 2 ) 颗粒增强复合材料 由一种颗粒材料悬浮在另一种基体材料内构成颗粒增强复合材料。在基体材料中加 进模量和强度更高的粒子，可以阻止基体材料的位错，从而提高其力学性能。这种材料 承受荷载的主体是基体材料，这与纤维增强材料有根本区别。 颗粒和基体均可以是金属或非金属，从而可以组合成四种颗粒增强的复合材料。混 凝土是非金属悬浮于非金属基体的例子，金属陶瓷是非金属悬浮于金属基体的例子。金 属颗粒亦可以用来增强金属和非金属基体。合理的选用基体和颗粒材料可增强其耐磨 性 成v 。，反射波与入射波相位差是1 8 0 。，而反射波幅度远小于入射波幅 度；在界面处存在薄空气层的部位，由于空气的声阻抗远小于基体材料和碳纤维，反射 波与入射波相位差同样是1 8 0 。，但幅度将是入射波的9 9 9 9 。所以反射脉冲的相位和幅 度至少从实质上反映了存在分层的信息；同时空气薄层在探测器所在区域占的面积比例 不同，接收到反射波的相位和幅度等信息的数据上反映出的结果也不同，从而为量化碳 纤维复合材料界面分层程度提供了依据。 从理想化角度分析，如果能产生无限短的超声波脉冲，并用无限带宽的电子设备接 收它的回波，我们就能够根据回波到换能器( 超声波探头) 的时间差异分辨不同距离而间 隔相近的目标的特征。回波脉冲可由下式表示： 厂( f ) = g ( f ) 书 ( f ) ( 3 5 ) 即函数g ( f ) 和j l z ( f ) 的卷积，函数g ( f ) 包含所有的换能器特征、驱动波形、耦合效 应以及作用于脉冲的介质效应，也就是说包含除了产生回波的目标效应之外的所有因 素。同样，复杂形状目标特征的效应用函数j f z ( f ) 来描述，j f z ( f ) 包含要求加以分辨的所有 离散特征的连续函数【1 8 】。 从理论上讲，卷积可以通过回波脉冲数字化方法求解，但是这样做的困难是g ( f ) 未 知，而且它随着实验条件的改变而变化；二是对信号处理运算过程所需要的时间提出了 较高的要求，所以要直接求得回波脉冲厂( f ) 的具体描述难度较大。 再者，从工程实现的角度来看，复合材料界面分层检测作为一种短量程测量，有两 个明显的难点：首先，接收回路电路的输入端直接与脉冲发送器( 即超声波探头) 相连而 接收高压脉冲，它必须受到保护以避免受到发送脉冲的损害，同时必须保护后级电路不 受影响甚至损坏，而胃因为高压脉冲的幅度可能是回波脉冲幅度的几十倍，那么仍存在 1 7 。 东北林业大学硕：匕学位论文 过载及饱和，所以要等这种冲击恢复以后才能对相对较弱的回波脉冲响应9 j ；第二个问 题是只要发送脉冲尚未平息下去，探头和接收电路就不能对任何回波脉冲响应。从这个 意义上讲，关键在于从发送脉冲衰减到与靠近探头处的目标来的回波峰值不相上下的电 压电平时间。所以发送脉冲之后，存在一段失效时间，转换成距离，就意味着存在一个 死区，在此区域内分辨不出任何回波信号。这就要求发射脉冲必须是窄到一定程度的短 脉冲，才能识别出回波脉冲，同时还应考虑到处理信号的时间问题，从而对脉冲发射和 回波信号处理的电路设计提出了一定的要求。 3 4 本章小结 超声波在媒质中传播时，在声阻抗相异的界面上会产生反射回波。构成复合材料不 同组分之间的声阻抗差异不大，超声波在界面状态良好、无分层的复合材料中传播，反 射的回波极弱，基本可以忽略；但是若复合材料中存在分层损伤，那么组分材料就与气 体介质交界，从而产生超声回波。 4 系统硬件电路设计 根据超声波脉冲回波法和数字信号处) ：翠理论及方法的要求设计测试系统的硬件电路 如图4 一l 所示，整个系统| = | = 信号发_ i 及采样l 乱路部分、信号处理电路部分、控制电路 部分、显示电路和程序设计调试部分组成。 i 釜j4 1 系统 崾1 个l i = ! - 路! 吉构框隆j 首先，超声波探头( 换能器) 产生高频振荡脉冲，然后对探头接收到的发射信号进行 放大，触发探头发出超声波，自探头与被测物界面返回的反射波通过前端电路转换成电 信号，并进行整流、检波、滤波及动态调整等预处理。回波信号经过高速a d 采样芯片 t l c 5 5lo 采样后，采样结果并行输；到d s pj 占片的并行数据口。为了d s p 能够f 确控 制a d 采样，必须使a d 采样芯片的动作周期与发射波信号的激励周期同步起始，所 以有必要由激励脉冲信号产生个同步信号输入到d s pj 笛片外部中断引脚，同时同步 信号的低电平必须保持l ，s 以保证d s p ：芯片能够正确响应中断信号，显示电路通过地 址总线a b 及数据总线d b 与d s pj 吝片相连，实现对定标操作的可视化处理。程序设计 调试部分的作用是利用计算机i 5 ：2 计+ 、调试程序和编译生成汇编目标文件，然后将生成的 汇编目标文件下载到d s p 芯片存储器中。讨算机与d s p 芯片的通讯可由两种方式实 现：一种是由计算机通过x d s 5 5 1 0 仿真器与d s pj 卷片的仿真测试j t e g 相连接；另一 种是利用电缆将计算机通过并行口经由一定的接口电路与d s p 芯片的h p l ( 主机端口接 口) 相连。 4 1 信号发生及采样电路 这部分电路主要由自，j 端电路、同步电路和a d 采样电路三大模块组成。 4 1 1 前端电路 前端电路由脉冲电路和信弓+ 预处理电路构成，其作用是产生用于检测复合材料的超 声波脉冲及实现回波信号的预处理。 4 1 1 1 脉冲发生电路 。 脉冲发生电路的作用是利用具有足够能：量的周期电脉冲激励超声波探头( 换能器) 产 生一定频率的超声波脉冲，用束检测碳纤维复合材料界面1 2 0 l 。 首先由信号源产生高压窄脉冲激励信号。激励脉冲电压加在探头的压电晶体两端， 由于逆压电效应，压电晶体受激励振动而产生形变，从而发出超声波，其辐射能量与脉 冲电压直接相关。在线性范围内，脉冲电压越高，辐射能量就越强，其相关检测仪器的 灵敏度越高。但是以提高脉冲电压束增强辐射能量是有限的，因为当脉冲电压达到一定 值时，其输出能量会饱和，这时提高脉冲电i r 不仅没有好处，反而因脉冲宽度加大而增 大检测盲区，过高的发射 ：n 压l i i 将损坏高频探头。超声发射脉冲通常是用预先充电到高 压的电容突然放电来产生，得到的超声信号波形是一利，单频载波脉冲信号。电路原理如 图4 2 所示： 蚓4 2 超声波脉冲发射电路 超声脉冲发射电路在稳态时，m o s 功率管m l 关断，直流6 0 0 v 高压通过r l 给高 压贮能电容c 1 充电：动念时，刷! 发脉冲f j 加在三极管n l 上，接下来p 1 和m 2 导 通，高压贮能电容c l 就通过m l 、r 6 和探头释放电能，探头由于收到高压贮能电容c l 所放电高压脉冲的激励，按照本身的自激谐振频率发射出超声波脉冲。 4 1 1 2 预处理电路 叫波信号 两动滤 级 爪 波 放 d 。b 、 凋检 大繁波 蚓4 3 预处理l 毡昭功能框图 厉级l 乜路 在这部分电路中，自探头与被测物界而返i l l _ j 勺反射波被转换成电信号后需要进行限 幅、放大、动态调整、滤波币检波系列处珂! ，电路的具体功能如图4 3 所示。 ( 1 ) 限幅电路 在单探头工作方式中，区| 妾收探头和发射探头为同一探头，因此激励脉冲高电压将 输入到接收通道，造成在其接收通道输入端输入的信号不仅有几十微伏至1 0 伏的回波 信号，而且还有1 0 0 至6 0 0 伏的发射脉冲高压信号，如果不能对此信号进行限幅，将损 坏接收通道电路元件，并使接收通道在激励脉冲之后段时问不能正常接收缺陷回波信 号。这罩采用并联限幅电路，电路原理见图4 4 ，其叶tz 为2 稳压管，分别对f 向和 负向的脉冲高压信号进行限幅，保护了接收通道免受瞬时的高压脉冲冲击。 l l 一 - i 、! 芏! r l 飞r 呈_j jl 隆l4 4 限幅保护i i ! 路 ( 2 ) 放大电路 设计中选择两片可编程控制放大芯片l c 6 9 10 一l ，l r c 6 9 1 0 系列芯片是占用 p c b ( 印刷电路板) 空间非常小的低噪声数字控制可编秸：增益放大器，而且具有增益范围 大、频带宽的特点，它可通过3 位数字输入来提供8 种电压增益以供选择。l 箩4 5 为 l t c 6 9 1 0 一lj 枣片的管脚图。 v + g o g g 2 幽4 5l r c 6 9 1 0 一l 的引脚排列 l c 6 9 1 0 l 是一种电爪增益数字可编程的小外7 i ；= 宽带反相d c 放大器。该p g a ( 可 编程增益放大器) 通过在( j ( ( j 2 、g l 和g 0 ) 脚上的3 位数字输入来控制8 种电压增益选择 ( 0 、l 、2 、5 、1 0 、2 0 、5 0 椰l o o ) 。当3 位二进制数字增加时，电压增益也相应增加， 通过m o s 模拟丌关切换闭环运算放大器的输入电阻器阵列和反馈电阻器阵列中的电阻 来实现增益控制，放大器带。啦取决于增益设置。在5 v 电源电压下，当电压增益选择 l 、2 和5 时，其一3 d b 频率分别为7 、5 和2 5 m h z 。而当增益设置为从1o 到10 0 ( 数字输 入从1 0 0 到1 1 1 ) 时，其增；最带宽截止频率均为1 1 m h z 。表4 1 列出了l t c 6 9 1 0 一l 的增 益设鬣及相关特性。 控制输入代码 表4 一ll ，l 、c 6 9 1 0 j 增黼特性 电乐增二矗 线性输入范刚( v p p )输入阻抗 g 2g 1g 0v v( d b ) 5 v 舣1 h 源5 v 单l 乜源3 v 单电源 ( k q ) 12 010 o 6 14 2 0 2 6 3 4 4 0 l0 1 0 5 0 2 o 1 5 5 2 5 1 0 5 0 2 5 0 1 0 0 5 3 开路 3lo 1 55 0 6 2 0 3l 0 15l 0 0 6l 0 0 3l ( 3 ) 动念调整电路 由于a d 采样电路对输入的模拟信号幅值l 鞋固有一定的要求，如果信号中部分数据 低于该动态范围的基限，则会出现信号“截底”：反之若过量超出该范围的上限则不能 进行丁f 常采样，甚至损坏a dj 占片。接u | 二| ：l 路的最后一项功能是调整回波脉冲信号的动 态范阅以满足a d 采样电路的要求。 动念调整电路如图4 6 所示。电路对来自i b 力供电系统频率在5 0 h z 或6 0 h z 的噪 声或福f 青号放大后所有小于一0 2 v ，以及大于一 一2 o v 的电日：信号都进行抑制。使得动态 调整电路的输出范围达到一0 2 v + 2 0 v 。为a i ) 采样提供良好的模拟转换信号，提高 整个系统的数据采样质量【2 l j 。 ? 幽4 6 动态渊整l i l 路 ( 4 ) 滤波及检波电路 滤波电路既要满足较宽的超声波探头发射频带范围的要求( 0 5 m h z 1 0 m h z ) ，又要 达到充分处理掉放大噪声和些随机高频二i ：扰信l j 向目的。、本文中超声波探头的发射频 率为2 5m h z ，所以要求带通滤波电路的中心频率也应为2 5m h z ，通带宽度b 设为 0 5 m h z ，这是因为通带宽度越窄，选择性越妤，但是通带宽度太窄也会影响到回波信 号的接收。滤波电路如图4 7 所示。 o 。2 5 m 加如啪 0 0 o0 o o ，0 0 0 0 0 0 0 l 4 系统硬件电路设计 图4 7 滤波电路 超声回波脉冲一次回波的周期大约是1 弘s ，回波中有多个波峰，但由于受到采样 率、器件性能等种种因素的影响，在对回波信号采样时很难保证采样点数据能够恰好为 信号的峰值，由此可能产生较大的误差。根据回波脉冲的特点，对次激励后的回波群 的整体走势进行分析，则可以避免一些制约因素对信号处理的影响，同时可以降低分析 问题的难度。为此采用经过滤波电路处理后的信号进行检波。 检波电路用l m 7 3 3 c 作为全波整流器件，电路原理如图4 8 所示，其中m a g 为 最大可用增益，v o u t 是检波后的电压输出。芯片l m 7 3 3 c 是一个具有两路独立输入、 独立输出的宽频带图像放大器。对高频噪声有极好的抑制作用，极高的稳定性，非线性 范围小，频带宽( 0 1 2 0 m h z ) ，钳位输入范围大( 0 5 v ) ，1 2 5 m w 的低功耗及2 0 0 k o 的 高阻抗输入。 图4 8 检波电路原理图 4 1 2 同步电路 为了d s p 芯片能够正确控制d 采样，必须使d 采样芯片的动作周期与发射波信 号的激励周期同步起始，所以必须由激励脉冲周期信号产生一个同步信号输入到d s p 芯 片外部中断引脚，同时同步信号的低电平必须保持1 s 以保证d s p 芯片能够正确响应中断 信号。为此，将激励脉冲作为7 4 l s l 2 3 的输入信号产生周期为2 0 0 s ，幅度为3 v 的脉 冲，一路输出到d s p j 邕= 片外部扩展总线的中断i n t 0 引脚作为并行d 采样的同步控制信 号，另一路则作为选通信号输出到接口电路部分。图4 9 所示为集成触发器7 4l s l 2 3 的 引脚图。 4 1 3 d 采样电路 一1 v i1 6 21 5 ；7 则l 霸笔 s1 0 医i 1 71 0 图4 97 4l s l 2 3 引脚图 图4 1 0 t l c 5 5 1 0 采样电路 在d 采样电路采用8 位c m o s 高速d 采样芯片t l c 5 5 1 0 对回波脉冲信号进行采 m憎一k增勰 毯 2 4 系统硬件电路设计 样，其最高采样速率可达2 0 m h z ，采样电路如图4 1 0 所示。t l c 5 5 1 0 采用5 v 单电源供 电，其功耗一般只有1 3 0 m w ，具有内部采样保持电路、高阻态并行输出及采用内部参 考电阻结构确定模拟输入信号范围等结构特点【2 2 1 。 由于t l c 5 5 1 0 对模拟输入信号动态范围的严格要求，并且提供了几种可供参考的电 压区间。为了在实际应用中根据需要方便调整数据，我们在电路中采用一组四位拨码开 关，即图4 1 0 中j p l 一j p 4 。具体设置参考依据见图4 1 1 ，t l c 5 5 1 0 采用三个内部参考 电阻产生2 v 全程转换电压范围：r 1 、r r e f 和r 2 对v d d a 分压，对外连接分别设置引脚 r e f t s 、r e f t 、r e f b 、r e f b s 和a g n d ，其相对连接产生针对数字输出的2 v 标准电压 输入。这里定义模拟输入信号的电压范围为0 5 v 一2 5 v 。在处理系统中，t l c 5 5 1 0 的采 样速率设为8 m b i t s ，工作时序如图4 1 2 所示，其对应的d s p 内部i o 地址为0 x 8 0 0 0 。采 样结果数据d 1 ，8 】并行输出到d s p 芯片并行数据口的d f 8 ，1 5 1 引脚。 图4 1 1t l c 5 5 加内部参考电阻 数字信号处理器对数据的采集通常采用中断的方式实现：当数据到来时向d s p 发出 中断信号，d s p 接收到中断信号后暂停正常程序执行，进入中断服务子程序完成数据的 接收、存储，但同时也占用了d s p 大量的工作时间，而v c 5 4 1 0 的d m a j r e c fm e m o r y a c c e s s ) 功能可以解决这一问题，所以我们采用d m a 技术控制d 采样。d m a 就是在没 有c p u 干预下直接在内存映射区域进行数据传递，可以很方便地操作内部存储器的数据 及外部设备的数据。d m a 控制器通过6 个独立可编程的通道进行d m a 传送，每个通道均 可独立工作1 7 2 3 j 。当系统开始采样时，每次数据准备好后向处理器i n t 3 引脚发出d m a 同 步信号，处理器接收到同步信号后自动调用d m a 功能，把采样数据自动放入内存缓冲 区。 洲诎，ii “il i 扩 器端粤灶 一扣十卞斗一 叩景筠= 互x i e x j ) 图4 一1 2t l c 5 5 1 0 采样时序图 东北林业大学硕二仁学位论文 在处理器控制d j 占片开始进行采样之前，首先应对d m a 通道进行初始化。在初始 化过程中应确定所占用的d m a 通道，引起d m a 工作的同步事件，d m a 所要处理的数据 的源地址和目的地址，源地址和目的地址所处的空间以及地址的累加情况等。d m a 控 制器的设置和操作通过对d m a 寄存器( m m r ) 的设置来实现。这些寄存器通过一个子地 址表映射( 见附录) 。本文所采用的并行d 采样的d m a 初始化设置如下： m m r ( 5 5 h ) = 加5 h；s e l e c td m s r c l ，d m s a 、 ：s e ls o u r c ea d d r e s st od r r l 0 m m r ( 5 7 h ) = # 8 0 0 0 h ；s e l e c td r r l 0 ，d m s d n ：s o u r c ea d d r e s si s8 0 0 0 h m m r ( 5 5 h ) = 群0 6 h ；s e l e c ld m d s 1 1 ，d m s a m m r ( 5 7 h ) = 挣3 0 0 0 h；s e td e s t i n a t i o na d d r e s st o3 0 0 0 h m 肼( 5 5 h ) = 加7 h；s e l e c td m s r c l ，d m s a m m r ( 5 7 h ) = 挣1 2 8；s e tb u t t e rs i z e m m r ( 5 5 h ) = 加8 h ；s e l e c td m s f c l ，d m s a m m r ( 5 7 h ) = 撑1 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 b ；d e f i n ed m s d n o x e 0 0 0 m m r ( 5 5 h ) = 加9 h ；s e l e c td m m c r l ，d m s a m i i l r ( 5 7 h ) = 6 f 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 b m m r ( 5 5 h ) = 襻2 0 h ；s e l e c td m i d x o ，d m s a m m r ( 5 7 h ) = 群0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 b ；s e te l e m e n ta d d r e s si n d e xt o + 1 m m r ( 5 4 h ) = 加0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 b ；s e t 加0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 b ，d m p r e c 4 2 信号处理电路 尽管d s p 芯片为各种信号处理算法在嵌入式系统中实现提供了许多相关的硬件结构 支持，但是开发出高效的d s p 程序也有一定的难度。本研究采用1 6 位定点d s p 芯片作为 核心处理器，在编写算法程序时遇到了不少问题。这一节主要介绍应用d s p 信号处理系 统时的一些关键问题、相关设置及部分程序。 一 4 2 1d s p 配置 信号处理电路部分以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p 芯片为核心。与普通芯片的供电方式不 同，为实现低功耗的目的，v c 5 4 1 0 的供电分为核心电压( 1 8 v ) 和i o 电压( 3 3 v ) 两部分， 为此在系统中必须采用t p s 7 6 7 d 3 0 1 对5 v 电压转化后保证核心电压和i o 电压的供电。此 外，为了保证d s p 与外围没备在系统运行时不会形成相互干扰及数据通信的正确性在 d s p 芯片的并行数据口与外围设备间采用1 6 位双向缓冲7 4 l v t l 6 2 4 5 进行隔离。 v c 5 4 1 0 芯片是采用围绕1 组程序总线、3 组数据总线和4 组地址总线建立的改进型哈 佛结构，其功能是：程序总线俾b ) 传送从程序存储器来的指令代码和立即数，能把存储 4 系统硬件电路设计 在程序空间的数据作为操作数传送到乘法器和加法器中进行乘加运算，或者在数据移 动指令中传送到数掘空间；3 组数据总线( c b 、d b 和e b ) 连接c p u 、数据地址产生逻辑、 程序地址产生逻辑、片内外围设备和数据存储器等，c b 和d b 总线传送从数据存储器读 出数据，e b 总线传送写入到存储器的数据；4 组地址总线( p a b 、c a b 、d a b 和e a b ) 传 送执行指令所需要的地址。 在程序设计过程中会涉及到总线的复用，所以在设计输入、输出数据流控制时必须 通过使用地址信号、控制信号等合理处理总线的分配问题。本文中设计的测试系统定标 功能接口就利用数据总线的双向输入输出功能，在处理数据输出与功能键信号输入的 问题时，利用d s p 芯片的读写控制功能信号r 矿和地址总线的舢、a 1 位构成部分译码 功能，实现对总线占用的分时控制。 4 2 2 中断系统 中断系统是d s p 芯片中提供实时操作及多任务多进程操作的关键部分，v c 5 4 0 0 的中 断请求按c p u 的控制级别分为两大类： ( 1 ) 不可屏蔽中断：这类中断无法通过软件屏蔽，只要此类中断发生，c p u 立即响 应。v c 5 4 0 0 中这类中断共计1 6 个，其中两个可以通过硬件控制。其余1 4 个只能通过软 件控制。两个可以通过硬件控制的不可屏蔽中断分别是中断优先级最高( 1 级) 的复位中断 船，以及优先级为2 的n m i 。前者对芯片的所有操作产生影响，后者不会对任何c p u 的 现行操作产生影响，但是会禁止其它中断的响应。因此在v c 5 4 0 0 中的1 6 个不可屏蔽中 断中优先级分为两级：复位中断船为1 级，其余中断全部为2 级。 ( 2 ) 可屏蔽中断：这一类中断是可以通过软件屏蔽或者开放的硬件或软件中断。 v c 5 4 0 0 最多可以支持1 6 个可屏蔽中断。这些中断全部可以通过软件或者硬件对它们进 行初始化或控制。这里的软件中断是指利用程序指令。例如i n t r 、t m 廿、r e s e t 等进 行中断触发。硬件中断有两种形式：一是由片外信号触发的外部硬件中断；二是片内外 设触发的内部硬件中吲2 训。 表4 2 给出了v c 5 4 0 0 中断源的中断向量以及中断优先权的排列顺序。表中按各个 中断的优先级顺序给出了中断的序号、中断名称、中断在内存中的地址以及中断的功 能。 一 系统中断响应流程如图4 1 3 所示。过程如下：首先将p c ( 指令计数器) 值压栈( 存返 回地址，保护现场1 。其次，自动加载中断向量地址于p c 。从中断向量地址中取出下一 步运行指令，如果是延迟分支转移指令，则可以在它后面安排一条双字节指令或者两条 单字节指令，避开流水线冲突c p u 也对这两个字取指。然后，执行分支转移指令。转至 中断服务程序，如果使用延迟分支转移指令，转移指令之前执行附加指令。执行中断服 务程序，任务完成后从堆栈弹出返回地址于程序计数器p c 。恢复现场，继续执行原来被 中断的程序。 执行中断服务程序前，必须将中断程序中用到的寄存器全部保存到堆栈中去，执行 东北林业火学坝二l 学位沦文 完中断服务程序，返回时应该按压栈相反的顺序依次恢复寄存器内存。注意，块计数寄 存器b r c 应比状态控制寄存器s t l 中的块标志位b r a f 先恢复，否则，如果b r c 恢复前中 断程序中的b r c = 0 ，则先恢复的b 凡心位将被清零，出现运行错误。 使用扩展的外部中断源时应注意如下问题： ( 1 ) 中断响应时间，v c 5 4 0 0 的外部中断响应时间比较长。因为c p u 在为实际的中断 源服务之前需要执行一段引导程序，因此，对扩展的中断源而言，实际的中断响应时间 一定要把引导程序的时问计算在内。 ( 2 ) 中断申请信号宽度，扩展的外部中断源。其中断申请信号应采用负脉冲形式，而 且负脉冲要求有一定的宽度，这与引导程序的执行时间有关。 ( 3 ) 堆栈深度以及中断源的增多。会使压栈、弹栈的操作频繁，因此，堆栈的大小一 定要慎重考虑，否则会出现运行错误，造成程序混乱。 表4 2v c 5 4 0 0 中断源明细表 东北林业大学硕二 ：学位论文 l i u p p r o g ( a ) = 丰a r 2 a = m m r ( 2 9 h ) a = a 加胁 m m r ( 2 9 h ) = a r e t u m 4 4 本章小结 本章针对具体的超声波检测模块硬件设计。为了实现小型化、重量轻、功耗低的目 标要求，从满足具体的功能和要求入手，采用了低功耗、低噪声、集成度高、成本适当 的芯片来构成系统的硬件电路。保证了系统功能的实现。 东北林业大学硕二 ：学位论文 l i u p p r o g ( a ) = 丰a r 2 a = m m r ( 2 9 h ) a = a 加胁 m m r ( 2 9 h ) = a r e t u m 4 4 本章小结 本章针对具体的超声波检测模块硬件设计。为了实现小型化、重量轻、功耗低的目 标要求，从满足具体的功能和要求入手，采用了低功耗、低噪声、集成度高、成本适当 的芯片来构成系统的硬件电路。保证了系统功能的实现。 5 信号处理算法及其程序实现 5 信号处理算法及其程序实现 目前，针对复合材料无损检测研究是超声检测领域研究的热点之一。本课题所采用 的复合材料为碳纤维增强木材复合材料，复合工艺采用铺层法，即两面为木材，中间为 碳纤维布，叠层后热压复合。从信号处理的角度来看，超声波回波信号是一种处于复杂 干扰状态下的平稳随机过程。其中干扰源既有超声波发射波自身，也有电路中电子器件 的热噪声、背景环境的电磁辐射、机械振动及对模拟信号抽样时产生的量化噪声等等， 客观上无法得到完全没有干扰的纯回波信号【2 6 1 。 同时，经过大量的重复实验发现，在去除强干扰后识别的回波信号具有一定的统计 规律性，所以在本课题中我们对一次激励后产生的回波群进行整体分析，而不是对每一 个回波进行研究。 在对回波信号进行处理时，本文从两个角度出发：第一，从时域的角度研究回波脉 冲信号的形态随时问变化的规律，抽取必要的特征量( 如能量、衰减系数、幅值等) 作为 对信号所处状态判断与识别的依据；第二，从频域的角度，研究不同情况下回波信号的 频谱响应变化，探索不同分层程度样本上的回波的中心频率变化差异，从中总结规律。 本文中采用回波法分析问题，应同时满足以下几个条件： ( a ) 超声发射波为具有一定带宽的带限高频脉冲信号，即具有高斯包络的脉冲波； ( b ) 回波中迭加有与信号不相关的高斯分布的自噪声，且散射波信噪比较低； ( c ) 反射波的幅度远大于散射波； ( d ) 回波随深度增加产生与频率相关的衰减； ( e ) 超声波声场为一维平面波； ( f ) 两界面间的距离大于声波的纵向分辨率。 5 1 时域分析 在超声检测研究的历史上，时域分析方法因为在技术手段上较易于实现，在超声波 回波检测中较常采用。下面从三个角度进行时域分析。 5 1 1 能量算法 在对回波信号进行处理时，从时域的角度出发，主要研究回波脉冲信号的形态随时 问变化的规律，抽取必要的特征量，即能量作为对信号所处状态判断与识别的依据。 超声波在介质中传输时会有或多或少的损耗，也可以理解为超声波在传播过程中能 量不停地衰减，故其幅度和强度要随距离的增加而减少，主要表现为超声回波振幅的减 小，如图5 1 所示对一次激励后的回波脉冲样本信号采样结果图形f 纵坐标为归一化的 电压值矿，即2 2 5 5 v ；横坐标为采样时间f ，即0 0 0 0 0 0 0 1 2 5 s ，也就是采样点的位置， 以下各图均相同) 。从图中可以看出这一回波群中有五个比较明显的回波，每一个回波 范围内各采样点的幅度按某种规律呈衰减趋势；从总体的角度看，回波群中对每一次回 东：化林业大学硕：l 学位论文 波采样点的最大幅度值也呈衰减的趋势。由此不难想到，如果对回波群中每一个回波脉 冲的采样数据的最大值所构成的曲线进行分析，也可以达到所要研究目的。因此，我们 对一次激励后产生的回波群进行包络检波，进而再对检波后的信号采样并绘制曲线，则 可得到一条变化趋势比较明显的衰减曲线。 1 5 0 1 0 0 5 0 o 图5 1 信号采样图 如图3 所示：样本一是对无分层( 即探头所处位置下碳纤维复合材料良好，没有空气 间隙或异物夹杂) 样本采样数据处理后绘