（电工理论与新技术专业论文）基于dsp的光纤声发射传感系统研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文abstnd a b s t r a c t 觚峭雠e m i s s i o n ( a e ) o fo p t i c a l 劢c rt c c h n o l o g yi s al 【i l i do fa d v a n c e d t c c h n o l o g yt h a tp l 啪t n d 枷c t i v ed e t c c t i 伽p u t sf o n v a r d ，t h ef i b 盯s e n s o rh 舔 m 柚ya d v 卸t a g e s 鲫c h 鹬h i g hp r c c i s i ，i n l m 蚰i t yt oc l c c 昀忸a 印c t i ci n t e 疵啪， c 弱i l yt or c a l i z cd i s 埘b u 咖c 北a 1 t i m em e 勰u 陀m 如t 卸d ，i tw mb e 锄et h e n e w d c v e l o p m e n t 曲哪i 仰0 f 咖d e s t m c t i v cd c t 嘲i 妣l l n o l o g y ha c | i i a ld e t c c t i o n j no r d e rt ol o c a t i a e u f ，w cn c c d 幻g a t h e rt h ea es j 俨a lf r o mm 蛆y p 勰g c w a y s 砒t h c 锄c t i m e t o b eu s e d t o 柚a l y s i s n 蚰i t m u s t l v e f o rh a v i i l g p 刚u c c dt h ep l e n t yo fd a t ao f m a lt i l l l c 锄dh o wt o a l i t h eh i 曲s p c c dd a t a l l e c t i 衄觚d 舯) c c s 血gs y s t 锄o fh i g l ip c 触a n t 0b e m et h ep r o b l e mt h a t m u s tb c l v c d 1 ka i mo f t h i st a s ki st od e s i 印ah i g h 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yh 弱 b c b m u g h tf o 州棚，w h i c h 镊t d st h cp r o g r a mm e m o r y 彻dt l l ed a t am e m o r y s p a c co fd s ps 印町a t c l y ，w 胁t h ca d v 柚t a g e so fn c x i b l ei n t c r f a ( 船锄dc o n v c n i e n c e f o r 叩e r a t i n g i nt l i ew a yo ft r 柚s l a t i ，i ta d o p t 鹤y n c 啪n y r i a lo 啪m u n i c a t i 蚰 b a s e d0 ne x t c n d su a r tc h i pt or c a l i m m u n j c a t i 伽sb e 忉e e nd s p 卸dp c 1 k s m e t h o dn o th 舔t of a m i l i a r i z a t i o nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 柚dm a l ( e st h cp r o 铲锄 s i m p l y ，f i l r t h e 姗o r em a k e st l i es y s t e mh 弱h i g ht 姗s l a t i o ne f f i d e n c y 觚dr c i i a b i l i t y ht h es o f 腑a 地d e s i 印o fs y s t e m ，w ep r e s c n t 玎o wc h a no fp r o 鲋啦柚dd i s c l l s s i n i t j a l i z a t i o nm o d u l ea l l dd a t a p r o c e s s i n ga r i t h m e t i c f u n h e 加o r c ，p a p c rs i m p l y i n t r o d u c c ss c v e r a lk e yp r o b l e m so ft h ed e s i 印o fd s p a p p l i c a t i o ns y s t e m 柚dt h e 、税y o fb o o tl o a d e r p a p c ra l d i s c l l s s e st h ea i l t i - j 锄m i n gm e 鹤u r ei nh i g l l s p e e dp c b 西北工业大学硕士学位论文abstract d e s i g n 蛐m m a r i z t h c 即b l c m s 柚ds o l v 髓m e t h o d sj nc 砌i tb o a r dd c b u g 百n g 卸d o f f e 璐t l l cd e s i g n h e m 矾i cp i c t l l m a tt h c 蛐do fp a p a l lm o d u l 岱d c t a i l e dh 鲫h 缸ec i 姗i t sa n ds y s t e md 伪i 印s e x p e r i c l l c e s 撇g i v a i m i n ga tt l i cl a c ko ft h i ss y s t e m ，岫p a p c rb f i n 笋f o 聊a f d m en e ws 0 1 u t i o n st oi m p r o v es y s t 锄sp c r f b 咖a n c ca tt h c 如do ft h i sp a p 乩 l nt l l i sp a p c r ，t h c 砌i ss p 咖r c db yt l l cn a t u s c i e n f 0 u n d a t i o f c h i n a ( 5 ( 1 2 7 5 1 2 5 ) 粕dt h ea e r os d 锄c cf 0 蛐d a t i o fc l l i 1 5 3 0 6 8 ) k e y w o r d s ：d s ps y s t e m ，a c o u s t i ce m i 豁i o n ，d a t a l l c c l i o n c p u ) ，d a t ap m c c s s i n g i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 王再 加7 年弓月刁日 指导教师签辄，塞继 叫年弓月2 7 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导f 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已中请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：i i 坠 撕7 年弓月2 7 日 西北1 = 业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 当材料遇到。麻烦”时，它们会“讲话”，我们可以利用声发射设备来“听” 诸如裂纹扩展、纤维断裂以及材料其它形式损伤所发出的“声音”。因此。声发 射技术是监测材料损伤的重要手段。目前声发射检测正在向数字式方向发展，现 代信号处理方法也应用在其中。 本章将对声发射信号特点、声发射技术的国内外发展趋势以及d s p 技术在 声发射检测中的应用进行综述，并阐明本文的主要工作。 1 1 声发射技术概论 声发射( a 惦t i ce m i s s i 叫，a e ) 是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬 态弹性波的现象。大多数金属材料变形和断裂时有声发射发生，但许多金属材料 的声发射信号强度很弱，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。所谓的声发射 技术是用仪器探测、记录、分析声发射信号和推断声发射源。声发射技术是 一种新兴的动态无损检测技术，涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号 处理、数据显示与记录、解释与评定等方面。基本原理如图1 1 所示【1 。 图1 - 1 声发射技术基本原理 a e 是正在扩展的材料缺陷( 裂纹) 的指示器，没有扩展，裂纹或材料的缺 陷处于静止状态，就没有能量的重新分配，也就没有声发射。换句话说，只有当 物体受到了永久性形变或永久性损伤时才会产生声发射。正因为这样，a e 技术 是检测材料损伤，特别是早期损伤的有力工具，也是对材料或结构状态进行动态 监测的重要方法i 引。 近年来，a e 技术广泛用于各种无损检测领域。尤其是进入9 0 年代以后，声 发射技术在许多领域的突破和成功，使得a e 技术在无损检测和材料研究等方面 愈来愈发挥举足轻重的作用，特别在航空航天领域，声发射在美国与欧洲的航空 航天设计、研究与制造部门已成为一种必不可少的技术手段而广泛用于飞行器的 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 设计、研制与结构测试【4 j 。 声发射技术在我国航空领域7 0 8 0 年代就有人开始这方面的研究，但由于早 期声发射仪器比较落后，加之开展的不很普遍和深入，解决实际问题的效果并不 明显。近年来，虽然国外发达国家在航空领域的声发射研究和应用方面取得普遍 成功，声发射设备也有了长足发展，但由于经费不足、技术重视不够及与国外信 息交流方面的闭塞等原因，我国与国外在这方面的研究及应用水平差距逐渐拉 大。依据目前国际形势发展的需要，我国也相应加大对航空领域的投入，尤其加 大了对高新技术研制与发展的投入【5 】。航空航天领域的声发射无损检测技术的开 发成为了人们关注的焦点。 光纤声发射传感器与传统压电声发射传感器相比，其具有灵敏度高，体积小， 频带宽，易于构成分布式检测等特点，且能在强电磁干扰、高温高压、核辐射和 化学腐蚀等恶劣条件下使用，因此光纤与声发射技术结合形成的光纤声发射传感 系统成为了目前声发射技术的发展趋势1 6 】。 近年来，人们又发现大部分构件和材料缺陷的声发射信号是高频信号，大致 在1 0 0k h 2 1 m 之间，而且材料损伤检测、声发射源定位需要多个传感器形成 传声嚣阵列，就使得试验现场的数据量更大，这样一来，对数据采集与数据处理 酐皇提出了更高的要求。因此研制一套高性能、能够适应声发射信号特点的数 据j 集与处理系统十分必要。 由于声发射波形信号中蕴含大量的声发射源信息，因此通过对声发射波形信 号的分析来获取声发射源信息成为必然【”。计算机技术和硬件技术的发展，使声 发射波形信号分析成为声发射检测技术研究的新方向和重点。 本课题就是根据上述声发射检测技术发展的需求，结合声发射信号特点，展 开了基于d s p ( 数字信号处理器) 的光纤声发射传感系统的研究。 1 2 声发射信号的特点 根据a e 信号的特点，可以把a e 信号分为突发型和连续型两种。突发型信 号指在时域上可分离的波形，由高幅值、不连贯、持续时间为微秒级的信号组成。 实际上，所有声发射源过程均为突发过程，如断续的裂纹扩展，复合材料的纤维 断裂等。不过，当声发射频率高达时域上不可分离的程度时，就以连续型信号显 示出来，如塑性变形声发射过程前期的信号、泄漏信号、燃烧信号等。在实际检 测中，也会出现其混合型。 超过闽值的声发射信号由特征提取电路变换为几个信号特征参数。连续信号 参数包括：振铃计数、平均信号电平和有效值电压，而突发信号参数包括：撞击 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 ( 事件) 计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时问和持续时间。常用信号特 征参数的含义和用途，如表1 1 所示 表1 1 声发射信号参数 参数含义特点与用途 撞击( h n ) 是通过阚值并导致一个 撞击( 1 i i i ) 和 系统通道累计计数据的任一声发射 反映声发射活动的总量和频度， 信号。撞击计数( 碰t ) 则是系统对 撞击计数常用于声发射活动性评价 撞击的累计计数，可分为总计数和 计数率 由一个或几个撞击鉴别所得声发射 反映声发射事件的总量和频度， 事件的个数，可分为总计数、计数 用于源的活动性和定位集中度评 事件计数 率一阵列中，一个或几个撞击对 应一个事件 价 信号处理简便，适于两类信号， 越过阈值信号的振荡次数，可分为又能粗略反映信号强度和频度， 振铃计数 总计数和计数率因而广泛用于声发射活动性评 价，但甚受阈值的影响 事件信号波形的最大振幅值，通常 与事件的大小没有直接的关系， 幅度 用d b 表示( 传感器输出m v 为 不受阈值的影响，直接决定事件 的可测性，常用于波源的类型鉴 伽b ) 别，强度及衰减的测量 反映事件的相对能量或强度，对 事件信号检波包络线下的面积，可阈值、工作频率和传播特性不甚 能量计数 分为总计数和计数率敏感，可取代振铃计数，也用于 波源的类型鉴别 事件信号第一次越过阈值至晟终降 与振铃计数十分相似，但常用于 持续时间 至阈值所历程的时问间隔，以雎s 表 特殊波源类型和噪声的鉴别 示 事件信号第一次越过阈值至最大振 因易受传播的影响而其物理意义 变的不明确，有时用于机电噪声 上升时间 幅所历程的时间间隔，以s 表示 鉴别 与声发射的大小有关。测量简便， 有效值电压采样时间内。信号电平的均方根值，不受阈值的影响，适用于连续型 ( r m s ) 以v 表示信号，主要用于连续型声发射活 动性评价 提供的信息和应用与r m s 相似。 平均信号电平采样时间内，信号电平的均值，以 对幅度动态范围要求高而时间分 ( a s l ) d b 表示辨率要求不高的连续型信号尤为 有用。也用于背景噪声水平测量 材料中弹性能卸载的时间决定了a e 信号的频谱【8 】。卸载时间越短，能量释 西北丁业大学硕士学位论文第一章绪论 放越快，a e 信号的频率越高。不同材料和不同a e 产生形式，a e 信号的频率范围 会不一样，可从次声直到数十兆赫兹的超声信号，幅度范围可从几微伏到上百伏。 由于在实际应用中低频信号易受环境噪音的干扰，高频信号在传播过程中又衰减 强烈，所以，通常在几十到几兆赫兹的超声范围内对a e 信号进行采集、处理和 分析。在绝大多数a e 检测中，主要频率段集中在几百千赫兹。 突发型声发射的频谱分布曲线集中，质心比较明显，表明信号包含的频谱比 较单纯。连续型声发射的频谱分布曲线平坦，质心相对不明显，表明信号所包含 的频谱成分比较丰富，分布比较宽。通过分析声发射信号的频域分布特性，了解 信号的频率成分，可以确定信号特征，更有效的进行检测分析，做到有针对性的 检测处理。 1 3 声发射检测技术的发展状况 现代声发射技术的开始以凯塞( k a i s c f ) 2 0 世纪5 0 年代初在德国所作的研 究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在 形变过程中都有声发射现象，并发现材料形变声发射的不可逆效应即“勋i s e r 效 应”，同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。 2 0 世纪7 0 年代初，d u n e g 觚等人开展了现代声发射系统的研制，他们把 仪器测试频率从声频范围提高到1 0 0 l 【h z 1 m h z 的范围内，这是声发射实验 技术的重大进展，现代声发射系统的研制成功为声发射技术从实验室走向生 产现场，用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。 声发射技术于2 0 世纪7 0 年代初开始引入我国，随后中科院沈阳金属研究 所、航空6 2 1 所、上海交通大学等一些科研院所和大学开展了金属和复合材料 的声发射特性研究。近几年来，随着计算机技术和硬件技术的高速发展，声发 射系统引进了微电子技术，从而使得声发射技术不仅仅在实验室里使用，而且发 展成为一项前景广阔的应用技术。 在a e 技术发展初期，人们就试图仿效其它无损检测方法，利用a e 波形或频 谱分析来获取有用信息。因为从理论上讲，波形分析能给出任何所需的信息，因 而也是最精确的方法，并可实现对a e 的定量认识。但是，得到真实的a e 信号本 身是一件相当困难的工作，而对一畸变信号进行频谱分析，相关分析等可能会导 致一些错误结论。因此，在a e 技术发展初期，用得更多的是参数分析方法，并 经历了从简单参数分析到复杂参数分析的漫长过程。近十几年来，随着模态声发 射理论和技术的逐渐成熟，人们又开始对波形分析技术产生浓厚兴趣【训。 目前声发射检测系统主要分为两种模式，一种是模拟式声发射系统，另一种 4 西北t 业大学硕士学位论文第一章绪论 是数字式声发射系统。两种模式的声发射系统区别在于实现最终声发射参数上的 不同。模拟式声发射系统通过模拟电路输出模拟参量，然后通过后续电路的a d 转换和计数器转换成数字参量，从而提取声发射信号的参数；而数字式声发射系 统是对前端来的声发射信号直接经a d 转换器转换成数字信号，利用高速d s p 芯 片，或者硬件数字电路及软件技术计算得到声发射信号的参剡枷。 模拟式声发射系统存在以下主要缺点： ( 1 ) 每一路模拟线路均有漂移，故需分别标定，而标定是否正确，是否需 要重新标定，是很难确定的； ( 2 ) 每一路模拟线路均引入噪声，故信噪比不太好，亦因信噪比差，来自 前置放大器的信号必然被进一步放大，每放大一次，均使饱和点降低，从而导致 前置放大器阻塞； ( 3 ) 声发射的未来是波形分析，模拟系统不适应。 上述不足，往往导致错误的测量结果，从而导致错误的结论。与模拟信号相 比，数字信号具有较强的抗干扰能力，不存在模拟器件因噪声和饱和带来的失真， 信号能够准确的传输。因此数字式声发射系统具有更好的可靠性。数字化后的信 号能够更好的保留信号的信息，便于保存，特征值提取比模拟方法容易实现，且 通过修改软件程序可以灵活的解决多种问题，从而使系统的成本降低。 数字式声发射系统将来自前置放大器放大的信号经滤波后直接送入a d 转 换器，全部声发射特征参数的提取均以数字数据进行，克服了模拟式声发射系统 的不足。它具有以下优点： ( 1 ) 数字信号具有良好的抗干扰特性，信号能够准确的发送、传递而无畸 变，不存在模拟器件因噪声和饱和带来的失真，以及因器件离散等因素产生的数 据不一致，从而使仪器的可靠性得到更好的保证； ( 2 ) 由数字化的a e 系统提取特征值比模拟方法容易实现，且通过改变程序 可以灵活多变的处理具体的问题； ( 3 ) 数字化后的信号能够保留信号的完整信息，为信号分析和特征提取提 供更大的开发潜力； ( 4 ) 能充分利用p c 机资源，降低系统的成本； ( 5 ) 能充分利用资源丰富功能强大的软件资源，实现模拟系统难以完成的 功能。 模拟声发射系统与数字声发射系统的根本区别是声发射信号特征值的提取 过程是通过硬件完成的。限于计算机的发展水平，最早的声发射系统都是模拟式 的。随着数字信号处理技术的发展，声发射技术已经从模拟声发射向全数字化声 发射技术发展。虽然国外已经研制出全数字化声发射系统，由于价格昂贵，使数 西北工业大学硕+ 学位论文第一章绪论 字声发射检测在国内的应用受到很大限制。目前，我国的声发射系统多为模拟式， 因此开展数字式声发射系统研制，缩小与国际水平的差距，具有很大意义【埘。 本文所研究的基于d s p 的声发射信号采集与处理系统就是数字式光纤声发 射检钡 仪器的重要组成部分。 1 4d s p 技术及应用 随着微电子技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展，数字化技术已广泛应 用于各个领域。数字化技术的基础和核心是通用数字信号处理器( d i 舀t a ls i g i l a l p f o c c s r ，d s p ) 及其相应的程序软件。因此，d s p 技术的应用是当今科学和社 会发展所需。 d s p 是一种特别适合于高速数字信号处理运算的微处理器，是解决实时处理 要求的单片可编程微处理芯片。它使用灵活，比一般的微处理器速度更快，效率 更高，能胜任实时信号处理任务。d s p 系统具有接口方便、可重复性好、编程方 便、稳定性好、精度高和集成方便等优点。 目前，d s p 技术广泛应用于通信，语音处理，图象处理，军事，医疗，智能 仪表，自动控制，家用电器以及各种监测设备等多方面，几乎所有需要计算或控 制的地方都可以用到d s p 。现在的全数字式声发射系统中也要用到d s p ，以d s p 为核心的声发射系统中，可通过软件编程提取传统a e 特征参数，同时还可计算 出附加的波形特征( 频率特征、信号波形特征、组合特征和由用户开发的其它特 征) 。由于d s p 具有高度的并行处理、数据传输和寻址能力，可在近乎实时的意 义下完成数据记录和附加特征的提取，这在以往a e 仪器中是难以设想的。d s p 技术的应用为a e 信号处理技术提供了一个全新的舞台。 1 5 论文的主要研究内容 对于本设计来说，其功能是实现声发射检测系统中的数据采集与信号处理部 分，并将采样数据与处理结果传给上位机以备存储与后续分析。在认真研究分析 了航空材料声发射信号的特点的基础上，提出了几套可行的设计方案，通过比较 论证，最终选定了一个切实可行的设计方案，很好的实现了系统的性能要求。对 于本方案的具体实现，笔者通过读取大量的资料、分析各种市场上现有d s p 处理 系统的优缺点，取长补短，具体提出了自身可用的硬件和软件实现方法，并完成 硬件电路的制作和部分软件的调试工作。 本论文介绍了基于d s p 的光纤声发射信号采集与处理系统的设计。主要研究 6 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 内容有：本课题研究的背景和声发射信号的特点，以及声发射技术的发展趋势： 数据采集与处理系统的总体设计方案，讨论了几种信号处理方法，对如何选定该 方案进行了论述；数据采集模块的设计与实现，包括a ，d 转换器工作模式选择和 c p u 在数据采集过程中时序安排的实现；d s p 应用系统原理与软硬件实现，包 括硬件电路设计与软件算法设计；信号采集处理板的制作以及系统的调试过程和 结果。 1 6 本章小结 本章首先介绍了论文的科研背景和声发射信号的特点，对国内外声发射的研 究方法、发展趋势进行了综述性的介绍，并比较它们的优缺点。然后简单介绍了 d s p 技术及其在设计中的应用，最后给出本论文研究的主要内容。 7 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 一个系统能否设计成功和性能的好坏，在很大程度上取决于系统设计之初拟 定的总体方案的优劣。本课题的目标是研制一个适用于声发射检测的数据采集与 处理系统，要求系统处理速度快、功耗低、体积小、成本低。本章以此为原则拟 定出系统的总体设计方案，给出数据采集与处理系统的总体设计框图，并介绍了 系统工作流程。 2 1 总体设计思路分析 大部分构件和材料缺陷的声发射信号是高频信号，大致在1 0 0 k h z 1 m i z 之间，而且材料损伤检测、声发射源定位需要多个传感器形成传感器阵列，就使 得试验现场的数据量更大。因此，为保证信号的完整性，要求系统具有较高的采 样率及数字信号处理能力。数字信号处理的实现方法一般有以下几种【1 1 】。 ( 1 ) 在通用的计算机( 如p c ) 上用软件( 如c 语言) 实现。 ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现。 ( 3 ) 用通用的单片机( 如m c s 5 1 、9 6 系列等) 实现。这种方法可用于一 些不太复杂的数字信号处理，如数字控制等。 ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片实现。与单片机相比，d s p 芯片具有更加适 合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法。 ( 5 ) 用专用的d s p 芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极 高，用通用d s p 芯片很难实现，例如专用于h 呵、数字滤波、卷积、相关等算 法的d s p 芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无须 进行编程。 在上述几种方法中，第1 种方法的缺点是速度较慢，一般可用于d s p 算法 的模拟与仿真；第2 种和第5 种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2 种方 法也不便于系统的独立运行；第3 种方法只适用于实现简单的d s p 算法；只有 第4 种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。 经过全面的研究和分析，我们初步拟定了三种设计方案。 方案一小波变化法； 方案二采用f p g a ( 现场可编程门阵列) 设计方式； 方案三采用通用d s p 芯片和c p u ) ( 复杂可编程逻辑器件) 共同实现方 8 西北丁= 业大学硕十学位论文 第二章系统总体方案设计 式。 这三种方案各有自己的特点，下面将分别对其进行论证 2 1 1 基于小波变换的信号处理方式 小波变换是近2 0 年来发展起来的一种新兴的信号处理方法，由于它是一种 信号的时间一频率的分析方法，具有多分辨率分析的特点，它在时域和频域都具 有表征信号局部特征的能力，突破了传统信号处理方法的局限，成为现今应用研 究最为广泛的信号处理方法。相关的研究结果指出：小波变换是目前分析瞬态非 平稳随机信号最有效的方法l ”。 然而从文献的调研情况来看，尽管小波变换对声发射信号的分析处理取得了 一定的效果，但是相关的研究大多还是停留在研究阶段，在实际声发射工程中的 应用仍是风毛麟角。这说明要把小波变换发展成为声发射检测技术工程应用中的 一种普遍适用的分析方法，相应的研究工作还需要进一步深入以及系统化。 该方案由数据采集板与微机构成，具有操作方便、成本低廉、性能可靠等优 点。但该方案有一个最大的缺点，就是所有算法都由上位机的c p u 来完成，这 样会大大增加c p u 的工作量。如上位机还有其它任务要执行，则整个系统的实 时性要求就得不到很好的满足。 2 1 2 采用f p g a 的实现方式 现场可编程门阵列( f i c l dp 1 0 孕锄m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 技术是二十年 前出现，而在近几年快速发展的可编程逻辑器件技术该方案中，声发射参数的 提取绝大部分是通过设计f p g a 的程序实现的。即把从a d 转换器获得的采样信 号作为输入量，通过设计好的f p g a 芯片求得输出量，这个输出量就是要求的声 发射参数。 该方案的优点是：f p g a 具有可编程性和实现方案容易改动的特点，它可在 其外围电路保持不动的情况下，换一块e p r o m 芯片或重新由微机下载其硬件描 述，就能实现一种新的功能。应用起来非常方便，且效率高1 1 3 1 。用f p g a 来提 取声发射参数可实现声发射监测系统的基本功能，程序代码易于改变，为更复杂 的参数的提取创造了有利的开发环境及条件。f p g a 适合做同步时序电路较多的 设计，但用它做f f l r ( 快速傅立叶变换) 等数据处理以便实现对声发射信号的频 域分析实现较为复杂。 2 1 3 采用d s p + c p l d 共同实现方式 9 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案设计 本方案采用通用d s p 芯片作为系统的核心处理器，c p u ) 作为d s p 的协处 理器，共同完成对声发射信号的采集与处理任务。在实时性要求较高的系统中， 如果由d s p 来负责数据的输入输出，d s p 核将出现大量的等待状态，其运算能 力大大的降低了，实时性将不能保证【堋。采用c p l d 作为协处理器，完成数据 采集以及系统所需的各种时序控制与组合逻辑控制等，使d s p 资源充分应用于 数据处理，充分利用了d s p 和c p u ) 的优点，将d s p 强大的数据处理功能与 c p l d 的控制功能相结合，使系统工作稳定可靠，实时性好。 该方案的缺点是开发难度大，开发周期较长，这是由于该设计方案的工作量 大，涉及到的技术也较多。包括d s p 软硬件技术、c p l d 硬件编程技术、p c b 设计与调试技术、凡a s h 存储器的烧写技术以及d s p 与上位机的通信编程技术 等。该方案的优点是容易实现对软件和硬件的重新配置。一方面，d s p 的f l a s h 存储器里面的程序可修改后重新烧写，实现不同的信号处理功能。另一方面，由 于c p u ) 具有在系统内编程i s p 功能，所以即使在硬件电路设计好以后，还可以 通过对c p l d 编程来重新对硬件进行配置，所以该方案在软硬件配置上具有很大 的灵活性。 2 2 系统方案确定 经过对上述三种方案的分析和比较发现，虽然第三种方案的开发难度和工作 量较大，但开发完成后的硬件成本较低，由于软硬件可以方便的重新配置，具有 更大的开放性和灵活性，且实时性好。故最终我们选择了第三种方案，即采用 d s p 和c p l d 共同实现方式完成系统的设计。 2 2 1 系统总体设计 系统以d s p 作为数据处理核心，c p l d 作为控制核心，首先将前端设备送 来的模拟信号转化为数字信号，接着对数据进行采集与处理，如参数提取、f f r 等，最后将数据通过串行通信接口传给p c 以备存储、显示及后续分析。本设计 将d s p 的高速信号处理能力与c p u ) 的时序与逻辑控制能力相结合，从而发挥 了不同类型可编程芯片的优势，提高了系统的性能。整个系统主要由a f d 转换 模块、c p l d 控制模块、数据存储模块、d s p 数据处理模块和数据传输模块等几 部分组成，总体设计框图如图2 1 所示。各模块实现的功能如下。 1 、a d 转换模块 将模拟信号转换成数字信号。 1 0 西北t 业大学硕十学位论文 第二章系统总体方案设计 a n o l o g 呵 图2 - 1 系统总体设计框图 2 、c p u ) 控制模块 ( 1 ) 时钟分频； ( 2 ) 产生控制刖d 转换的各种时序； ( 3 ) 完成对d s p 输入控制信号的组合逻辑控制，实现d s p 外扩展存储器 的选通与读写操作； ( 4 ) 外扩数据存储器s l 认m 的写入地址信号产生，并在采样结束后向d s p 发出中断信号。 3 、数据存储模块 采样数据和处理后数据的暂存。 4 、d s p 模块 ( 1 ) 硬件电路，d s p 与外设的接口设计； ( 2 ) 软件实现，应用程序及系统b 0 0 t 程序的编写。 5 、数据传输模块 通过扩展异步串行接口实现与p c 的通信。 2 2 2 系统工作流程 d s p 为系统的核心芯片。负责总体工作状态控制，c p u ) 作为系统时序与逻 辑控制芯片，配合d s p 共同实现数据采集、信号处理及传输等功能。其工作流 程如图2 2 所示。 西北t 业大学硕+ 学位论文第二章系统总体方案设计 图2 - 2 数据采集与处理系统工作流程 系统上电后首先初始化，然后处于等待状态。当前端设备检测到有声发射信 号的时候，将发出信号通知d s p 系统准备开始工作。d s p 收到开始指令后，向 c p l d 发出开始采集信号，通知c p l d 准备采集数据。c p l d 应答以后控制数据 总线，并启动a 仍转换器开始转换。同时，c p l d 产生s r a m 的写地址，在s r a m 的地址线和数据线稳定后，将从a ，d 转换器数据线送来的数据写入s r a m 。数 据采集结束后，c p l d 发送中断信号给d s p ，d s p 应答以后控制数据总线，由 d s p 完成参数提取、时频变换等数据处理操作。最后，d s p 将数据通过串行通 信方式发送给p c 机，进行存储与后续分析。d s p 除对a 仍转换芯片进行初始化 及与c p l d 通信外，不需要参与数据采集过程，这样使d s p 可以全速工作，保 证了系统运行的实时性。 2 3d s p 芯片的选型和特点 1 2 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 2 3 1d s p 芯片的选型 设计d s p 应用系统，选择d p 芯片是非常重要的一个环节在众多可供选 择的d s p 型号中确定合适的片种，可从诸如d s p 处理器的运算速度、价格、硬 件资源、运算精度、开发工具、功耗，以及封装等方面考虑【1 5 】。 本系统选择1 1 公司的1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( 以下简称v c 5 加2 ) d s p 处理器是 基于这样一些原则【坷。 1 、d s p 芯片的运算速度 运算速度是d s p 芯片的一个重要的性能指标，也是选择d s p 芯片时所需要 考虑的一个主要因素。v c 5 4 0 2 的处理能力可以达到1 0 0 m 玎p s ，即每秒可执行1 亿条指令。在本系统中，完全可以达到实时处理的要求。 2 、d s p 芯片的价格 d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需要考虑的一个重要因素。如果采用 价格昂贵的d s p 芯片，即使性能再高，其应用范围也会受到一定的限制。v c 5 4 0 2 目前的市场价仅4 0 元左右，具有很高的性价比。 3 、d s p 芯片的硬件资源 v a 4 0 2 片内r o m 容量为4 k 1 6 位，片内双访问r a m 容量为1 6 k 1 6 位 v c 5 加2 片内、外设资源丰富，包括软件可编程等待状态发生器、主机接口( h p l 接口) 、时钟发生器、2 个多通道缓冲串行口( m c b s p ) 等。 v c 5 4 0 2 可以与通用片外存储器实现无缝接口，当用户使用低速的片外存储 器时，v c 5 4 0 2 可以自动在接口信号中插入等待时间。v c 5 4 0 2 的串口可以配置 为通用的l o 接口和s p l 口，从而方便地进行外围电路设计。 4 、d s p 芯片的运算精度 v c 5 4 0 2 为1 6 位定点d s p ，可以满足系统需要。 5 、d s p 芯片的开发工具 1 1 公司提供方便的d s p 开发系统，如软件平台c c s ，支持软件仿真，用户 可以在做出目标板之前，利用o c s 作算法仿真，与硬件设计同步进行。1 1 提供 的硬件平台包括各种类型的硬件仿真器，如x d s 5 1 0 可以将仿真头直接插到目标 板上，对系统进行实时软硬件调试，或者用户可以直接在e v m 板等系统上进行 硬件仿真。 6 、d s p 芯片的功耗 v a i 4 0 2 的核电压为1 8 v ，i 0 电压为3 3 v ，工作电压低，功耗小。 2 3 2v c 5 4 0 2 的特点 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 v c 5 4 0 2 的c p u 结构特征如下： ( 1 ) 具有高性能的改进的哈佛总线结构，即具有三条独立的1 6 b i t 数据存储 器总线和一条1 6 b i t 的程序存储器总线； ( 2 ) 具有一个4 0 b i t 的算术逻辑单元，包括一个4 0 b i t 的桶形移位器和两个 独立的加法器； ( 3 ) 1 7 1 7 b i t 的并行乘法器与专用的4 0 b i t 加法器相结合可以在一个非并行 指令周期内完成一次乘加操作( m a c ) ； ( 4 ) 具有专用于v i t e r b i 碟形算法的比较、选择和存储单元( c s s u ) ； ( 5 ) 指数译码器可以在一个指令周期内求一个加b i t 累加数的指数值，这里 指数定义为累加器中没有数据占用的位数个数减去8 ，因此指数范围为8 3 1 ； ( 6 ) 两个地址发生器、八个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元 ( a r a u ) ； ( 7 ) 单周期定点指令执行时间为1 0 n s 。 v c 5 加2 还具有十分丰富的片上资源，其片上外设包括： ( 1 ) 软件可编程的等待状态发生器、可编程的块切换等待状态； ( 2 ) 并行加口； ( 3 ) 一个增强的8 b i t 主机接口( h p l 8 ) ； ( 4 ) 两个多通道缓冲串行口( m c b s p s ) ； ( 5 ) 两个硬件计时器； ( 6 ) 一个带有锁相环( p u 。) 的时钟发生器； ( 7 ) 一个直接内存访问( d m a ) 控制器。 2 4 课题研究的关键技术 本课题涉及的技术较多，主要用到了以下关键技术： ( 1 ) 数字电路与模拟电路共存的混合电路设计； ( 2 ) 多电压供电与电平匹配，电路中存在5 v ，3 3 v 和1 g v 三种电压分别 对不同芯片进行供电，要注意模块间的电平匹配； ( 3 ) c p l d 的硬件编程技术； ( 4 ) 系统存储空间的扩展与分配，由于d s p 本身的存储空间与寻址空间相 对有限，因此要进行外部存储空间的扩展，并对d s p 所能寻址的数据空间进行 扩展和有效分配： ( 5 ) d s p 的c 语言与汇编语言的混合编程技术； ( 6 ) n a s h 存储器的程序烧写及d s p 的b 0 0 tl 0 a d e r 设计： 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 ( 7 ) d s p 的u a l 盯( 通用异步收发器) 接口扩展及与p c 的通信。 2 5 本章小结 对于设计一个系统来说，总体方案的设计至关重要。本章结合声发射信号的 特点与系统需求，通过对三种方案的论证，提出了以d s p 为核心的脱机数据采 集与处理方式。 本章从全局出发讨论了基于d s p 的声发射信号采集与处理系统的总体设计 方案，阐述了系统组成及各模块实现的功能，并介绍了d s p 芯片的选型与特点， 最后讨论了系统涉及的关键技术问题。整个设计体现了模块化的设计思想，使设 计思路一目了然，方便了读者对系统总体的掌握和理解。 西北工业大学硕士学位论文 第三章数据采集模块设计 第三章数据采集模块设计 由前端设备送来的声发射信号是经过放大、滤波等预处理的模拟信号，信号 在进行数字处理前必须经过a d 转换和数据采集。数据采集是声发射信号采集 处理系统的重要组成部分，它是对信号实现数据处理的一个步骤。本章详细介绍 了声发射信号采集的实现过程。 3 1a d 转换的实现 系统前端的a ，d 转换是数据采集部分非常重要的一个环节，基于不同的应 用，选用不同性能指标的芯片。对于a d 转换芯片的选择，主要考虑转换器的 速率、精度、转换时间、功耗等因素。这里声发射信号的主要频率集中在5 0 k h 匕 5 0 0 k h z 的范围内，根据奈奎斯特采样定理，采样频率须大于信号最高频率的两 倍，因此j d 的采样速率必须大于1 m s p s 。由于d s p 是1 6 位精度，且要对信 号做一些处理，所以a ，d 最理想的精度应为1 2 位，留出4 位做算法溢出保护位。 d s p 的指令周期为纳秒级，运算速度相当快，为了体现它的优势，它的外围设备 的速度应尽可能与它匹配。同时，转换时间也决定了系统的运行速度。 常用射d 转换器有；积分型、逐次逼近型、v f 型、型和闪烁型等。其 中a 型的精度最高，但转换速率较低；闪烁型的转换速率最高，但其分辨率一 般只有8 位左右为兼顾高速率和高精度的要求，流水线结构的a