基于FPGA的木材声振检测平台的设计实现

马肖祥，邢　涛*，戈　兵，张　策

(1.东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040；2.哈尔滨工业大学 信息与电气工程学院，山东 威海 264209)



基于FPGA的木材声振检测平台的设计实现

马肖祥1，邢涛1*，戈兵1，张策2

(1.东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040；2.哈尔滨工业大学 信息与电气工程学院，山东 威海 264209)

摘要：木材孔洞缺陷位置和大小会影响木材的强度和刚度，当用小锤敲击不同孔洞缺陷的木材时它们产生的声波信号也会有所不同，针对这个现象，设计开发了用于检测木材孔洞缺陷的基于FPGA的声振检测平台。该检测平台包括声波信号采集模块、声波信号处理模块、NiosII处理器、USB通信模块以及上位机处理模块等，功能上实现了声波信号的实时采集、传输、存储和显示，以及不同位置孔洞缺陷的检测识别。根据实验结果平台能够检测出色木端部孔，中间孔以及无孔洞的情况，表明将此平台作为专用木材孔洞缺陷检测平台具有一定的现实可行性。

关键词：声振；FPGA；检测平台；孔洞缺陷

0引言

基于声振法来判断物体的好坏十分普遍，农业上敲击梨等农产品，根据声音判断其成熟度[1-2]；工业上用小锤敲击被检工件，根据声波信号的特征确定工件是否有缺陷[3]；而在林业生产中以往都是用人耳听敲击木材所产生的声音来判断木材质量的好坏[4]，随着科技的发展，林业工作者开始使用声振检测仪器来研究和检测木材，1986年Sobue[5]使用FFT分析仪对木材进行了频谱分析，并探讨了测定木材抗弯弹性模量的方法，此仪器基于PC机，使用DSP处理数字信号；2005年马丽娜[6]使用声级计采集声波信号，经过电荷放大器和低通滤波器输入电脑，由声振测试分析软件进行采样和分析，但其采样频率受PC机硬件约束，检测系统集成度不高。由于目前专用检测木材孔洞缺陷的声振检测仪器还未见报道，同时又因为FPGA内部逻辑资源和管脚丰富，适合搭建数字电路，可提高系统集成度，因此设计了基于FPGA的木材声振检测平台。

1检测机理

声振法是无损检测的一种方法。声振法由激励方式可分为敲击检测和声阻抗检测，而敲击检测又可以分为整体敲击和局部敲击[7]。本文的木材无损检测平台是基于整体敲击法来实现的。木材的结构决定了其固有频率，当在理想状态下小锤敲击木材时，木材会产生振动，而其振动产生声音的频率由木材的固有频率所决定，因此当木材受损或者存在缺陷时，其结构便受到影响，从而会影响木材的振动频率[4]。综上可知，可以通过敲击得到的声音频率来检测木材。

2检测平台设计

基于声振检测原理，该平台主要由NiosII处理器、声波信号处理模块、声波信号采集模块、USB通信模块以及上位机处理模块等组成，其中NiosII处理器和声波信号处理模块是FPGA片上系统SOPC的重要组成部分，该平台总体结构框图如图1所示。小锤敲击试件产生声波，通过声波信号采集模块对声波信号进行收集、模数转换、放大以及低通滤波，然后传给声波信号处理模块，根据声波信号的幅值是否大于预设的阈值判断敲击行为是否发生，若没发生则等待，若发生就通知NiosII处理器启动DMA，将数据传输给NiosII处理器，而后对其进行数字信号处理，处理完由NiosII处理器控制传输给USB通信模块，再传给上位机处理模块进行检测识别。

图1　平台总体结构Fig.1 The overall structure of the platform

2.1SOPC设计

SOPC又称为片上系统，是在FPGA芯片中实现的，FPGA芯片选用Altera公司的EP3C16芯片，采用144个引脚的TQFP封装形式，外部时钟源为50MHz，可以通过PLL进行倍频。由于FPGA内部没有程序存储单元，因此需要一个外部扩展储存单元，所选芯片为EPCS16，实质是一个16Mbit的FLASH芯片。由于NiosII软核处理器占用大量资源，FPGA内部的ONCHIP RAM无法满足要求，所以利用SDRAM作为系统的内存，其型号为HY57V2562GTR，容量256Mbit，16bit总线，工作频率为133MHz。如图2所示，SOPC设计中主要由以下部分构成：①自定义的NiosII软核处理器、JTAG、SRAM、三态总线桥等预设的IP核；②声波信号处理模块；③CH372接口转换模块，如图2所示。

图2　平台SOPC结构框图Fig.2 SOPC structure block diagram of the platform

其中NiosII处理器为32位CPU，通过16位数据总线和8位IO与声波信号处理模块连接，实现DMA数据传输和控制指令传输以及数据处理。处理器接收到数据之后，对数据进行处理。

2.2声波信号采集模块设计

声波信号采集模块由麦克风和信号调理这两部分组成，由于系统工作电压为3.3 V，敲击木材可听声波频率范围大致在500 Hz到10 KHz内，因此采用工作电压为1.5 V，频率响应为50 Hz到16 KHz的，信噪比大于36 dB的AP-509麦克风；信号调理是通过编写基于FPGA的驱动器来配置专用的音频编解码芯片WM8731[8]，驱动器如图3所示，电路原理图如图4所示。

图3　驱动器结构图Fig.3 Structure diagram of the driver

图4　信号调理电路原理图Fig.4 The principle diagram of acoustic signal conditioning

其内部调理过程为声波先通过可编程音量调节器即放大电路，放大20 dB，如图5所示，而图4中的MICBIAS管脚是给该放大电路提供合适的静态工作点。

图5　可编程音量调节器Fig.5 Programmable volume adjustment

然后通过配置INSEL选择寄存器来选择单通道过采样模数转换器进行模数转换，如图6所示。

图6　过采样模数转换器原理图Fig.6 The principle diagram of oversampling sigma delta ADC

再配置内部使能低通滤波器滤掉信号中高频部分。为了提高采样精度，将12 MHz时钟配置为96 KHz作为采样频率，采样点为1024个。寄存器配置和数据传输方式为IIC总线，数据位为16位。

2.3声波信号处理模块设计

该模块在FPGA芯片内实现，与WM8731双向连接，由于在不同时钟域之间的数据传输需要一个数据缓冲器作为数据缓冲，而FIFO是一种先进先出的数据缓存器，它与普通存储器的区别就在于没有外部读写地址线[9]，使用起来非常简单，因此在FPGA中建立一个宽度为16，深度为1024的异步FIFO，用来采集接收并缓存声波信号数据。在处理模块中设定一个阈值，此阈值是经过反复试验确定的。根据采集的声波信号是否大于阈值来判别小锤敲击行为是否发生，如果大于阈值则认为敲击行为发生，然后将数据写入FIFO，当写满之后发送信号通知NiosII处理器，由它进行总线仲裁，启动DMA控制器，从FIFO中将数据读出，否则等待。

DMA(Direct Memory Access)即直接存储器访问，是外设与存储器之间或存储器与存储器之间直接进行大量数据交换的传输方法，不会占用CPU资源，它与Avalon总线双向连接[10]。在本设计中，有大量的音频数据在FIFO中传输，为了提高工作效率，采用DMA方式。在DMA传输过程中，由CPU对DMA初始化，打开通道，在没有CPU的干预下传送数据。DMA模块图如图7所示。

图7　DMA模块Fig.7 DMA module

2.4USB通信模块设计

USB通信模块设计由CH372芯片实现。CH372是一个USB总线的通用设备接口芯片，它具有8位数据总线和读、写、片选输入、地址输入以及中断输出，即D7-D0、RD#、WR#、CS#、A0、INT#，可以方便挂接到控制器的系统总线上，在计算机端，CH372的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的软核处理器就如同读写文件一样便捷。CH372内置USB通信底层协议，分为内置和外置固件模式，在内置模式下它能屏蔽USB通信中的所有协议，提供计算机应用层和本地端控制器的连接，可以不用了解任何通信协议、驱动和固件程序[11]。如图8所示为CH372电路设计。

图8　USB数据传送电路原理图Fig.8 USB data transmitting circuit

在本平台中CH372通过8位接口D7-D0、RD#、WR#、CS#、A0直接与NiosII处理器连接，在FPGA内部建立一个接口转换模块，从Avalon总线转换到USB总线上，如果CH372芯片发出通信请求，则建立连接，NiosII处理器就将声波信号数据传输给CH372芯片，它将接受到的数据截断、转换并缓存，然后等待上位机中断，一旦进入中断，就执行程序，释放CH372缓冲区，开始上传数据。

2.5上位机处理模块

上位机处理模块与硬件系统以USB接口连接，采用请求加应答的方式实现通信，由PC端请求，下位机应答上传数据。在计算机端基于C语言编写，由于CH372芯片开发商提供了应用层接口[12]，因此可以直接调用CH372动态链接库提供的面向功能的应用函数编写程序，完成基本的数据接收工作，然后调用FFT函数对数据处理，并显示时域与频域波形图；同时对数据进行特征值提取，构造模糊模式的隶属度函数组，采用最大隶属度原则对木材缺陷作出识别。

3平台测试与结果

实验时以尺寸为420 mm × 60 mm × 60 mm的纹理、含水量相同的长方体无孔洞，端部孔和中间孔色木为试件来测试检测平台，试件如图9所示，其孔洞内径为40 mm，检测平台如图10所示。

图9　试件结构图Fig.9 The structure of testing specimen

图10　检测平台Fig.10 The detection platform

利用该检测平台分别对这三类进行了检测，如图11～13所示分别为长方体色木无孔洞、端部孔和中间孔的频谱图，其频率分别为8.2、6.2、5.8 KHz。

图11　无孔洞频谱Fig.11 The spectrum of non-hole wood

图12　端部孔频谱Fig.12 The spectrum of wood specimen with a hole in the end

图13　中间孔频谱Fig.13 The spectrum of wood specimen with a hole in the middle

4结论

根据不同位置和大小的孔洞结构缺陷的木材受到敲击会产生不同声波信号的现象，设计开发了基于FPGA的木材声振检测平台，以FPGA为核心的硬件设计简化了系统结构，使硬件系统集成度得到了提高，并具有一定的可升级性。从功能上该平台实现了木材声波信号数据的实时采集、传输、存储和显示，通过上位机提取特征值固有频率，实现了对长方体色木中间孔、端部孔和无孔洞的识别。因此采用它作为专用检测长方体木材孔洞缺陷的平台具有一定的现实可行性。关于平台检测准确度详见西北林学院学报的“模糊聚类分析在色木孔洞缺陷位置声波检测中的应用”[13]。由于一般单路信号没有多路信号所得信息完整与准确，因此为了使检测更加可靠和准确，应采用多通道信号采集方式。

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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

中图分类号：S781；G115.28

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)02-0044-05

作者简介：第一马肖祥, 硕士研究生。 研究方向：木材无损检测。*通信作者：邢涛，博士，副教授。研究方向：木材无损检测。E-mail：xt_hit@126.com

收稿日期：2015-11-03

引文格式：马肖祥，邢涛，戈兵，等.基于FPGA的木材声振检测平台的设计实现[J].森林工程，2016，32(2)：44-48.