基于DSP的巴克豪森便攜式應(yīng)力檢測系統(tǒng)的開發(fā)

王 平，朱曉雪，田貴云，2，張越兵，任紫鋒

（1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210016；2.Newcastle大學(xué) 電子電力與計算機工程學(xué)院，英國紐卡斯?fàn)朜E17RU）

隨著鐵路客車密度、載重量和速度的不斷提高，軌道故障逐漸增多。原因有以下兩點：一是鋼軌受到車輪的擠壓，內(nèi)部會產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中或松弛，產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致斷軌。二是鋼軌常年暴露在外，隨溫度變化而發(fā)生膨脹或收縮。當(dāng)達(dá)到一定溫度時，鋼軌承受的應(yīng)力過大，就會發(fā)生脹軌跑道，造成交通事故。因此，檢測鋼軌應(yīng)力有著十分重要的實用價值。

目前檢測應(yīng)力的方法有磁巴克豪森噪聲法、金屬磁記憶法、漏磁法、渦流檢測法、X射線法、電阻應(yīng)變片法和盲孔法等等。綜合比較它們的原理、適用范圍及各自的優(yōu)缺點，巴克豪森噪聲檢測技術(shù)以其快捷、方便、成熟，在鐵磁材料的應(yīng)力檢測中有著較大優(yōu)勢。它基于鐵磁性材料在磁化的過程中發(fā)生磁疇翻轉(zhuǎn)這一微觀理論而進行測量，通過鐵磁材料表面放置的檢測線圈提取磁巴克豪森噪聲（MBN）信號［1－5］，來檢測鐵軌的應(yīng)力。

筆者設(shè)計的巴克豪森便攜式應(yīng)力檢測設(shè)備的整體系統(tǒng)是由激勵磁化電路、傳感器、信號處理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、DSP數(shù)字信號處理器、ARM嵌入式處理器、電源模塊等組成。該設(shè)備在巴克豪森原理的基礎(chǔ)上充分考慮便攜式輕小方便，故盡量選擇小的激勵線圈和接收線圈，低功耗的硬件設(shè)備，避免了已有檢測設(shè)備體積龐大，使用不方便等缺點。

1 巴克豪森應(yīng)力檢測的原理

1.1 MBN檢測原理

磁場中的物質(zhì)由于受磁場的作用而表現(xiàn)出一定的磁性，這種現(xiàn)象就稱之為磁化（如圖1所示）。根據(jù)磁化率的大小和符號的不同，將物質(zhì)的磁性分為抗磁性、順磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性和鐵磁性五種。物質(zhì)內(nèi)部由于自身的力量，所有原子磁矩都朝一個方向排列的小區(qū)域稱為磁疇。鐵磁體內(nèi)部有磁場能、退磁場能、交換能、磁各向異性能和熱彈性能這五種相互作用的能量。同一磁疇內(nèi)的原子自旋矢量方向相同，而不同磁疇的自旋矢量方向不一定相同。分割相鄰磁疇的邊界稱為磁疇壁。對于立方晶體，根據(jù)磁疇壁兩邊磁疇內(nèi)磁化矢量間的夾角，可將磁疇壁分為90°疇壁和180°疇壁［6］。

圖1 磁化過程

巴克豪森效應(yīng)是德國Dresden大學(xué)巴克豪森（Barkhausen）教授于1919年發(fā)現(xiàn)的。眾所周知，鐵磁性材料內(nèi)部存在著許多微小的不同取向的磁疇。在無外界因素作用下，每個磁疇沿其易極化的結(jié)晶方向取向，其總體磁化效果為零，對外不顯磁性。當(dāng)有外加交變磁場或應(yīng)力作用時，磁疇沿其作用方向發(fā)生90°或180°反轉(zhuǎn)或磁疇壁移動，導(dǎo)致磁疇呈現(xiàn)一定規(guī)則的取向，這種磁疇變化過程使材料內(nèi)部產(chǎn)生一系列突變、階躍式的跳躍脈沖信號，即巴克豪森信號。這種磁化過程中的跳躍現(xiàn)象稱為巴克豪森效應(yīng)，每次巴克豪森跳躍會在鐵磁材料表面的探測線圈中接收到一定功率譜分布的微弱電信號噪聲，稱為巴克豪森噪聲（MBN）［7－8］。

磁化曲線表征的是鐵磁物質(zhì)在外磁場的作用下所具有的磁化規(guī)律，在外磁場的作用下鐵磁性材料會發(fā)生磁化，當(dāng)達(dá)到飽和之后，去掉外加磁場，鐵磁質(zhì)的磁化狀態(tài)并不恢復(fù)到原來的狀態(tài)，當(dāng)磁化場在正負(fù)兩個方向上往復(fù)變化時，介質(zhì)的磁化過程經(jīng)歷著一個循環(huán)的過程，從而形成了磁滯回線［7］。MBN信號出現(xiàn)在磁滯回線的最陡階段（如圖2所示），以電壓的形式產(chǎn)生一種脈沖噪聲。

圖2 磁滯回線與MBN信號

1.2 提取巴克豪森應(yīng)力檢測的特征值［9］

通常提取巴克豪森信號的平均值、均方根、包絡(luò)線、振鈴數(shù)、峰寬比這五種特征值來反映巴克豪森信號應(yīng)力和微觀組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而對材料受應(yīng)力的情況和疲勞損傷的程度作出估計。

（1）平均值：一個磁化周期中所有MBN信號被濾波后所形成包絡(luò)線的幅值電壓。

（2）均方根：噪聲的強度通常采用均方根值來表示，即表征的是噪聲的能量。

（3）包絡(luò)線：指激勵信號上升周期或下降周期內(nèi)一個MBN信號的輪廓［5］。

（4）振鈴數(shù)：在一個達(dá)飽和磁化的周期中產(chǎn)生的幅值大于某一閾值的振鈴個數(shù)，其值與閾值大小有關(guān)。

（5）峰寬比：包絡(luò)線峰值與半高全寬之比簡稱為峰寬比。

2 DSP TMS320C6747數(shù)字信號處理器

2.1 DSP的整體介紹

DSP也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。眾所周知，美國德州儀器（Texas Instruments，TI）TI公司生產(chǎn)的TMS320系列DSP芯片廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。TI主要的系列產(chǎn)品有：面向數(shù)字控制、運動控制的TMS320C2000系列；適于低功耗、手持設(shè)備、無線終端應(yīng)用的TMS320C5000系列；面向高性能、多功能、復(fù)雜應(yīng)用領(lǐng)域的TMS320C6000系列；面向移動上網(wǎng)設(shè)備和多媒體家電的OMAP系列；面向升級可編程的達(dá)芬奇平臺系列等。

基于充分考慮DSP的運算速度、運算精度、字長、存儲器等片內(nèi)硬件，資源功耗與電源管理等因素，選用浮點型的TMS320C6747型號的DSP，利用Code Composer Studio 4.1.2的軟件開發(fā)環(huán)境。

2.2 TMS320C6747DSP芯片的主要性能指標(biāo)

TMS320C6747芯片的主要性能指標(biāo)如下：

·主頻300MHz，每秒可執(zhí)行2400百萬條定點指令，或執(zhí)行1800百萬條浮點指令。

·低功耗DSP，1.2V的核電壓、3.3V的IO電壓，適用于工業(yè)控制。

·采用兩級緩沖存儲器結(jié)構(gòu)64kB的L1和256kB的L2。

·支持8／16／32／64位數(shù)據(jù)格式。

·片內(nèi)SHARERAM 128k。

·USB1.1和USB2.0接口。

·3路增強型PWM，3路增強型CAP，2路增強型QEP。

·3個多通道串行端口。

·10M／100M的太網(wǎng)口。

3 基于DSP應(yīng)力檢測的硬件平臺［10－11］

3.1 硬件框圖

硬件框圖見圖3。

圖3 基于DSP的MBN應(yīng)力檢測系統(tǒng)

3.2 激勵信號的發(fā)生電路

交變的電壓會產(chǎn)生交變的磁場，放在磁場中的鋼鐵材料就會被磁化，從而引起磁疇變化產(chǎn)生MBN信號。ARM通過串口向DSP發(fā)送產(chǎn)生DA正弦波激勵的幅值、頻率的數(shù)據(jù)，DSP通過總線訪問DAC7724芯片，控制DA電路的輸出。DAC7724是一款12位精度、－10～＋10V或0～＋10可選的4通道輸出的DA。

由于DAC7724信號輸出功率很小，基本上沒有帶負(fù)載的能力，需要設(shè)計合適的功率放大電路，將正弦波放大到足夠驅(qū)動激勵線圈。LM3886芯片采用電壓負(fù)反饋方式，很好地改善功放電路的頻率特性，降低非線性失真，保護功能齊全。

3.3 磁化器和檢測線圈的設(shè)計

在鋼軌的應(yīng)力檢測中，MBN信號產(chǎn)生的效果直接受到磁化器產(chǎn)生的外磁場的頻率和強度的影響。磁化線圈和磁軛組成磁化器，選用直徑為0.21mm的磁化線圈，體積為40.78mm×10.80mm×28.94mm的U型磁軛。

檢測線圈包括骨架、磁芯和纏繞的漆包線。骨架尺寸為5mm×15mm，磁芯尺寸也是5mm×15mm，漆包線為φ0.07mm，圈數(shù)為5000。

3.4 信號調(diào)理電路

MBN信號僅是毫伏級的微弱信號，頻帶寬度較大，選用低噪聲，低失調(diào)電壓，低溫漂，低功耗，高精度的AD620實現(xiàn)足夠的放大，考慮到便攜式設(shè)備，盡量減小體積，AD620采用貼片SOIC封裝。

3.5 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)MBN信號的特點，充分考慮A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間、轉(zhuǎn)換速率、分辨率和轉(zhuǎn)換精度等，選用6輸入通道，16位精度的AD7656。AD7656采用雙極性模擬輸入，可選輸入范圍為士10V或士5V，低功耗740mW（250kSPS，5V電源），待機模式時最大為375nW，高速并行、串行和菊花鏈接口模式。

3.6 DSP數(shù)據(jù)存儲及處理

3.6.1 外擴 NANDFLASH

為了能夠有足夠的存儲容量，較快的改寫速度，選擇外擴K9XXG08UXA 512M×8Bit NAND Flash內(nèi)存 ，需求的供電電源－2.70～3.60V，將外擴的FLASH映射在DSP EMIFA的CS3空間。

3.6.2 外擴 RAM

為了減小誤差，精確地得到巴克豪森信號，需要采集存儲超大量的MBN信號并對其信號進行處理等。選用兩片HY57V561620（L）T 4Banks×4M×16Bit Synchronous DRAM存儲器，空間是512 MB，映射在DSP EMIFB空間，此芯片需求的供電電源為（3.3±0.3）V。

3.7 DSP與ARM的串口通信

在TMSC6747的DSP芯片上有三個UART串口，而且串口通信使用簡單，僅需三條線：地線、發(fā)送線、接收線。在硬件上只需將DSP與ARM的串口相連即可實現(xiàn)通信。

3.8 電源模塊

5V，2000mA的供電電源經(jīng)過兩片外部調(diào)整的TPS54331電源芯片提供3.3，1.2V的電壓，其中3.3V為 TMS320C6747的IO供電，1.2V 為TMS320C6747的核供電。5V輸入經(jīng)過DC－DC模塊輸出±15V可以為DA模塊供電，±15V經(jīng)過兩片高精度AD587可以提供±10V的參考電壓?！?5V經(jīng)MC7912AC可產(chǎn)生±12V為AD模塊供電，再經(jīng)過78M05芯片可提供5.0V的模擬參考電壓。

4 基于DSP的應(yīng)力檢測的軟件實現(xiàn)

基于DSP的應(yīng)力檢測的軟件流程圖見圖2。

圖4 DSP軟件流程圖

4.1 DSP與ARM的串口通信

DSP與ARM之間的串行通信波特率設(shè)置為9600bps，數(shù)據(jù)格式為：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗。

為了盡量保證DSP與ARM串口通訊的正確性，減少干擾造成的誤差，制定串口通信的幀格式，幀頭0×55，0×55、長度、命令字、幀內(nèi)容、CRC校驗碼形成的完整幀數(shù)據(jù)。DSP將串口中斷接收的數(shù)據(jù)根據(jù)幀格式進行解析，接收正確則執(zhí)行相應(yīng)的操作，否則丟棄該幀數(shù)據(jù)。

DSP的程序在初始化結(jié)束后，進入while（1）循環(huán)，等待ARM發(fā)送的命令。若串口中斷接收到數(shù)據(jù)，按照幀格式解析命令并執(zhí)行，并向ARM發(fā)送應(yīng)答命令后等待再次讀取命令。

4.2 DA正弦波激勵信號的產(chǎn)生和停止

若解析ARM發(fā)送的串口命令是產(chǎn)生DA正弦波激勵，根據(jù)正弦波幅值、頻率的相應(yīng)要求設(shè)置參數(shù)，打開定時器0，定時的把DSP送給DA的數(shù)據(jù)鎖存到DA的輸出寄存器里進行輸出。若解析到命令是停止產(chǎn)生DA正弦波激勵信號，則關(guān)閉定時器0即可。

4.3 AD采樣MBN信號和激勵信號

若解析到ARM發(fā)送的串口命令是開始AD采樣，則設(shè)置定時器1的周期為5μs，即采樣頻率為200kHz。打開定時器1開始采樣，一路采集DA激勵信號，一路采集MBN信號，將采樣的數(shù)值放在外擴的SDRAM里。當(dāng)收到停止采樣的命令幀時，關(guān)閉定時器1，停止AD采樣。

4.4 DSP信號存儲及處理

將采樣得到的激勵信號數(shù)據(jù)經(jīng)過平滑濾波，MBN信號經(jīng)過帶通濾波，求出MBN信號的五個特征值：均方根、平均值、振鈴數(shù)、包絡(luò)線、峰寬比，經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出應(yīng)力值，通過串口傳給ARM進行顯示。

5 結(jié)論

設(shè)計了一套基于DSP和ARM相結(jié)合的便攜式設(shè)備，該設(shè)備具有強大的運算能力，較強的控制能力，友好的人機交互界面，輕小便攜，操作方便，功耗低節(jié)能，結(jié)合成熟的巴克豪森應(yīng)力檢測技術(shù)理論，該設(shè)備在應(yīng)力檢測中占有很大的優(yōu)勢。

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