漏磁檢測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

章合滛，薛建彬，方燦娟

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京210016）

0 引言

漏磁無(wú)損檢測(cè)速度快，檢出率高，操作簡(jiǎn)單，不需要對(duì)試件進(jìn)行打磨、清洗和除銹，可在復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，因而在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。其檢測(cè)原理為：鐵磁性材料，在磁化裝置的磁化下，假如沒(méi)有缺陷，則磁感應(yīng)矢量絕大部分被束縛于材料內(nèi)，如果有缺陷，磁力線(xiàn)將發(fā)生彎曲，使得部分磁感應(yīng)矢量漏出壁外，此時(shí)利用探頭對(duì)表面的漏磁場(chǎng)進(jìn)行拾取，把漏磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成探頭線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析和處理，就可確定是否存在缺陷，以及缺陷的具體信息［2-3］。

DSP處理器以其強(qiáng)大的功能、靈活性和高性?xún)r(jià)比等優(yōu)勢(shì)，成為信號(hào)處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。不斷推出的新產(chǎn)品更加推動(dòng)了DSP的應(yīng)用研究，基于DSP的壓縮、識(shí)別、增強(qiáng)和去噪等技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展［4］。小波分析作為數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是針對(duì)非平穩(wěn)的強(qiáng)噪聲信號(hào)的分析與處理更顯示出良好的性能［5］。在此，利用DSP技術(shù)和小波技術(shù)，研究與開(kāi)發(fā)了漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，對(duì)該領(lǐng)域的研究具有較好的參考價(jià)值。

1 被測(cè)件柔性磁化的實(shí)現(xiàn)

在漏磁檢測(cè)中，首先要對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行磁化，它決定著被測(cè)量對(duì)象能否產(chǎn)生出足夠的可被測(cè)量和可被分辨的磁場(chǎng)信號(hào)，同時(shí)也影響著檢測(cè)信號(hào)的性能特征。一般要求以足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)進(jìn)行勵(lì)磁以獲得磁敏感應(yīng)器件可以測(cè)量的磁場(chǎng)。因此，提出柔性磁化單元概念，此單元能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸、材料參數(shù)的被測(cè)件進(jìn)行不同強(qiáng)度的磁化。該漏磁檢測(cè)系統(tǒng)采用直流磁化的方式對(duì)被測(cè)件進(jìn)行磁化，直流磁化方式控制簡(jiǎn)單，容易退磁。相比于單線(xiàn)圈對(duì)試件進(jìn)行磁化，雙線(xiàn)圈開(kāi)路磁化方式其結(jié)構(gòu)上采用了2個(gè)磁化線(xiàn)圈，在2個(gè)磁化線(xiàn)圈中通入方向相同大小一致的直流電對(duì)被測(cè)件進(jìn)行磁化，磁化和檢測(cè)效果好。檢測(cè)模型如圖1所示。

圖1 漏磁檢測(cè)模型

直流磁化方法中磁化強(qiáng)度可通過(guò)控制電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，而電流的大小可通過(guò)PWM波進(jìn)行調(diào)制。TMS320F2812芯片的事件管理器可以方便地實(shí)現(xiàn)PWM波調(diào)制，實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。為產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)，定時(shí)器需要重復(fù)按照PWM周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。比較寄存器用于保持調(diào)制值，比較寄存器中的值一直與定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值相比較，當(dāng)2個(gè)值匹配時(shí)，PWM輸出就會(huì)發(fā)生跳變。當(dāng)2個(gè)值產(chǎn)生第2次匹配或1個(gè)定時(shí)器周期結(jié)束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生第2次輸出跳變。通過(guò)這種方式就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)周期與比較寄存器值成比例的脈沖信號(hào)。在比較單元中重復(fù)完成計(jì)數(shù)、匹配輸出的過(guò)程中，就產(chǎn)生了PWM信號(hào)。輸出的PWM信號(hào)可能會(huì)比較小，以至于無(wú)法得到足夠的可被測(cè)量和可被分辨的磁場(chǎng)信號(hào)，所以TMS320F2812芯片的PWM信號(hào)輸出后，首先經(jīng)過(guò)放大環(huán)節(jié)再通到磁化線(xiàn)圈。1個(gè)比較單元可以產(chǎn)生1對(duì)互補(bǔ)的PWM信號(hào)輸出，2個(gè)磁化線(xiàn)圈分別接收這對(duì)經(jīng)過(guò)放大作用后的大小一致的直流電。改變PWM的占空比即可改變直流電流大小，比較寄存器在執(zhí)行每個(gè)PWM周期過(guò)程中可以重新寫(xiě)入新的比較值，可以通過(guò)改變比較寄存器的值進(jìn)行PWM波占空比的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)件的柔性磁化。

圖2 柔性磁化原理

2 漏磁信號(hào)小波去噪模塊

2．1 小波理論基礎(chǔ)

小波變換是一種信號(hào)的時(shí)域-頻域分析方法，具有良好的時(shí)域、頻域局部化特性。在低頻時(shí)小波變換的時(shí)間分辨率較差，而頻率分辨率較高；在高頻時(shí)時(shí)間分辨率較高，而頻率分辨率較低，這正符合了低頻信號(hào)變換緩慢而高頻信號(hào)變化迅速的特點(diǎn)［6］。

設(shè)ψ（t）∈L2（R）（L2（R）表示平方可積的實(shí)數(shù)空間，即能量有限的信號(hào)空間），其傅里葉變換為＾ψ（ω）。當(dāng)＾ψ（ω）滿(mǎn)足允許條件：

則稱(chēng)ψ（t）為一個(gè)基本小波或母小波。將母函數(shù)ψ（t）經(jīng)伸縮和平移后，就可以得到一個(gè)小波序列。

對(duì)于連續(xù)的情況，小波序列為：

a為伸縮因子；b為平移因子。

對(duì)于離散的情況，小波序列為：

在實(shí)際小波技術(shù)的應(yīng)用中，尤其在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，連續(xù)小波必須加以離散化處理。這一離散化是針對(duì)連續(xù)的尺度參數(shù)和平移參數(shù)的，而不是針對(duì)時(shí)間變量的。

2．2 小波去噪應(yīng)用效果驗(yàn)證

在采集、轉(zhuǎn)換和傳輸漏磁信號(hào)的過(guò)程中，會(huì)不可避免地引入噪聲，這樣就會(huì)導(dǎo)致漏磁信號(hào)失真，如果不進(jìn)行后期去噪處理，將嚴(yán)重影響缺陷的判斷。漏磁信號(hào)混雜的噪聲基本屬于高頻部分，小波去噪技術(shù)適用于漏磁信號(hào)的去噪應(yīng)用。采用一維平穩(wěn)小波去噪，具體去噪過(guò)程為：

a．首先對(duì)一維信號(hào)的小波進(jìn)行分解，選擇1個(gè)小波基并確定小波分解的層數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行N層小波分解。

b．小波分解高頻系數(shù)的閾值量化。對(duì)第1層到第N層的每一層高頻系數(shù)，分別選擇1個(gè)閾值進(jìn)行閾值量化處理。

c．一維小波的重構(gòu)，根據(jù)小波分解的第N層的低頻系數(shù)，以及經(jīng)過(guò)閾值量化處理的高頻系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)。

仿真選取sym4作為小波基，進(jìn)行5層小波分解，采用硬閥值函數(shù)對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行處理。圖3為含噪的原始漏磁信號(hào)，圖4為去噪后的信號(hào)，圖5為殘差信號(hào)，可以看出，小波去噪效果良好。

圖3 含噪的原始漏磁信號(hào)

圖4 去噪后的信號(hào)

圖5 殘差信號(hào)

2．3 漏磁信號(hào)小波去噪在TMS320F2812芯片的算法實(shí)現(xiàn)

漏磁信號(hào)小波去噪算法在TMS320F2812芯片的實(shí)現(xiàn)分為2個(gè)部分，一是系統(tǒng)的主函數(shù)，主要完成DSP以及外設(shè)的初始化工作；二是DSP／BIOS控制模塊，DSP／BIOS是一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，數(shù)字信號(hào)算法只需以線(xiàn)程的身份嵌入到系統(tǒng)，在DSP／BIOS中預(yù)先定義各種對(duì)象模型和控制邏輯，在SWI線(xiàn)程中調(diào)用小波去噪算法對(duì)漏磁信號(hào)進(jìn)行去噪。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先執(zhí)行主函數(shù)，完成設(shè)備的初始化和參數(shù)配置工作后，把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給DSP／BIOS，預(yù)先定義的控制邏輯開(kāi)始運(yùn)行，完成承擔(dān)的具體任務(wù)，并協(xié)調(diào)各種事件和中斷。其中，小波去噪算法在SWI線(xiàn)程里實(shí)現(xiàn)，具體的實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 基于DSP的小波去噪系統(tǒng)流程

磁敏傳感器得到的漏磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)放大濾波后，可由TMS320F2812芯片的ADC模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供DSP芯片處理。TMS320F2812芯片的ADC模塊有16個(gè)通道，可配置成2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，每個(gè)模塊可以通過(guò)多路選擇器選擇8個(gè)通道中的任何一個(gè)通道，如果通道不夠，還可進(jìn)行外部ADC擴(kuò)展。當(dāng)主函數(shù)將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給DSP／BIOS后，CPU一直查詢(xún)ADC模塊的狀態(tài)寄存器，檢測(cè)ADC模塊是否開(kāi)始工作。若檢測(cè)到ADC模塊開(kāi)始模數(shù)轉(zhuǎn)換，則產(chǎn)生中斷，向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求。CPU利用DSP／BIOS的HWI線(xiàn)程響應(yīng)中斷請(qǐng)求，在HWI程序中首先重新設(shè)置ADC，以進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，利用SWI對(duì)象產(chǎn)生中斷，在CPU接收中斷請(qǐng)求后，開(kāi)始讀取ADC存放轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的寄存器，并調(diào)用小波去噪算法子程序處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)中斷子程序處理后，返回的去噪數(shù)據(jù)等待下一步的缺陷判斷處理。

由于小波去噪的數(shù)據(jù)處理可能會(huì)占用較多的CPU時(shí)間周期，因此，為了保證ADC模塊和傳輸通道的正常工作，在HWI響應(yīng)程序中首先清除ADC模塊的狀態(tài)寄存器，然后才啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理線(xiàn)程SWI，此時(shí)由于 HWI沒(méi)有執(zhí)行完，較低優(yōu)先級(jí)的SWI并不會(huì)執(zhí)行，處于等待狀態(tài)。等HWI執(zhí)行完后，SWI開(kāi)始執(zhí)行，數(shù)據(jù)處理程序被調(diào)用，同時(shí)，ADC模塊正在采集轉(zhuǎn)換下一幀數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)采集與處理過(guò)程并行的方式，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和執(zhí)行效率。

3 漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)壓縮模塊

理論上，要得到被測(cè)件精確的漏磁檢測(cè)結(jié)果，勢(shì)必得增加磁敏傳感器數(shù)量，以達(dá)到高覆蓋率的檢測(cè)要求。然而，磁敏傳感器增加的同時(shí)也增加了需要處理的數(shù)據(jù)規(guī)模，從而增加了CPU的負(fù)擔(dān)，所以對(duì)漏磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行壓縮也就顯得很有必要。而且，漏磁信號(hào)要快速傳輸與儲(chǔ)存，也需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮。在同等的通信容量下，漏磁信號(hào)的壓縮可以增加通信能力。相比一些數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，基于小波的數(shù)據(jù)壓縮可以在同樣的逼近程度或者信號(hào)保真度的情況下，獲得最佳的壓縮比。而且在不同的壓縮比下，保證原始信號(hào)的最佳逼近，顯著特征失真最小。本漏磁檢測(cè)系統(tǒng)利用小波技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，數(shù)據(jù)壓縮的步驟為：

a．對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解后，對(duì)分解的高頻系數(shù)進(jìn)行閾值量化處理。

b．對(duì)第1層到第N層的高頻系數(shù)，可選擇不同的閾值，并且用硬閾值進(jìn)行系數(shù)的量化，去除信號(hào)中的冗余信息。

c．對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)。

和小波去噪的過(guò)程相比，只是在第2步上有區(qū)別。如圖7所示，利用Matlab對(duì)基于小波技術(shù)的數(shù)據(jù)壓縮進(jìn)行效果仿真驗(yàn)證。其中，使用db3小波基，信號(hào)為截取的一段電信號(hào)，使用函數(shù)wdcbm獲取信號(hào)的壓縮閾值，采用函數(shù)wdencmp實(shí)現(xiàn)信號(hào)的壓縮。由圖7可以看出，在保證原始信號(hào)的顯著特征情況下，信號(hào)得到了壓縮，如此將減小CPU的負(fù)擔(dān)，提高通信能力。

在壓縮算法的實(shí)現(xiàn)上，TMS320F2812的擴(kuò)展單元SDRAM1用來(lái)存儲(chǔ)壓縮前的數(shù)據(jù)，SDRAM2用來(lái)存儲(chǔ)壓縮后的數(shù)據(jù)，而Flash中固化有小波壓縮算法程序。DSP／BIOS得到控制權(quán)后，首先完成漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)的小波去噪，然后調(diào)用Flash的小波壓縮程序，完成數(shù)據(jù)壓縮后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊DRAM2，等待下一步的處理。

圖7 原始信號(hào)和壓縮信號(hào)對(duì)比

4 外設(shè)通信模塊

在漏磁檢測(cè)系統(tǒng)中，DSP芯片需要與外設(shè)共享數(shù)據(jù)，外部處理器能對(duì)DSP的存儲(chǔ)器資源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，并能實(shí)現(xiàn)一定的外部控制。TMS320F2812芯片擁有外部擴(kuò)展接口XINTF，XINTF能配置成各種參數(shù)，與眾多不同的外部擴(kuò)展設(shè)備無(wú)縫連接。該接口有數(shù)據(jù)、地址和控制指令3個(gè)傳輸通道，可以完成外部設(shè)備與DSP的信息交流。DSP處理完的漏磁信號(hào)數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)酵庠O(shè)，進(jìn)行顯示、打印等操作，利用DSP的指令可以完成數(shù)據(jù)的傳輸，但是實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)規(guī)模大，因此，通過(guò)DSP指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸會(huì)占用大量的CPU資源。本漏磁檢測(cè)系統(tǒng)采用DMA傳輸方式，完成主機(jī)與DSP的數(shù)據(jù)傳輸，從而降低CPU的負(fù)擔(dān)。TMS320F2812芯片的外部接口XINTF支持外部程序／數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的DMA傳輸，由XHOLD和XHOLDA信號(hào)控制完成。復(fù)位時(shí)，使能 HOLD模式，允許使用XHOLD請(qǐng)求從外部存儲(chǔ)器引導(dǎo)加載程序。當(dāng)檢測(cè)到XHOLD有效時(shí)，可以通過(guò)HOLD模式位使能自動(dòng)產(chǎn)生XHOLDA信號(hào)，允許外部總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)，同時(shí)在HOLD模式下，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行片上存儲(chǔ)器的程序，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的工作效率。

5 缺陷標(biāo)記模塊

經(jīng)過(guò)漏磁檢測(cè)的被測(cè)體，如果沒(méi)有對(duì)缺陷進(jìn)行標(biāo)記，雖然通過(guò)系統(tǒng)報(bào)警可以發(fā)現(xiàn)缺陷的存在，但是在后續(xù)觀(guān)察中難以找到缺陷的位置從而分析缺陷產(chǎn)生的原因。設(shè)計(jì)缺陷標(biāo)記模塊時(shí)，本可以在檢測(cè)裝置發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)產(chǎn)生DSP中斷而立即進(jìn)行缺陷標(biāo)記，但是由于被測(cè)件輸送裝置是處于一直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而從發(fā)現(xiàn)缺陷到標(biāo)記有一定的時(shí)間間隔，故不能準(zhǔn)確標(biāo)記缺陷。同時(shí)缺陷標(biāo)記裝置如果安裝在檢測(cè)裝置里，則增大檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。本檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)裝置外安裝缺陷標(biāo)記裝置，通過(guò)位置傳感器和DSP的簡(jiǎn)單計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)記功能。在漏磁檢測(cè)裝置入口和出口各安裝1個(gè)位置傳感器，并輸出到DSP的通用I／O接口，此I／O接口一直讀取位置傳感器的輸出。當(dāng)被測(cè)件開(kāi)始進(jìn)入檢測(cè)裝置時(shí)，指定I／O接口讀取到入口處的傳感器輸出狀態(tài)變化，此時(shí)啟動(dòng)TMS320F2812芯片計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，在檢測(cè)過(guò)程中當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，DSP程序讀取計(jì)時(shí)器值，同時(shí)可進(jìn)行報(bào)警等操作。假設(shè)被測(cè)件是以恒定速度前進(jìn)，則缺陷位置即為計(jì)時(shí)器的時(shí)間值與前進(jìn)速度的乘積。當(dāng)被測(cè)件全部完成漏磁檢測(cè)時(shí)，得到的缺陷位置信息輸出到標(biāo)記裝置，進(jìn)行缺陷位置標(biāo)記。而指定I／O接口讀取到出口處的傳感器輸出狀態(tài)變化時(shí)，通過(guò)預(yù)設(shè)程序使得計(jì)時(shí)器重新開(kāi)始計(jì)時(shí)。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用DSP技術(shù)和小波技術(shù)，構(gòu)建了一套適合鐵磁性材料的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)不同材料、尺寸的被測(cè)件需要不同的磁化強(qiáng)度，提出了基于DSP事件管理器PWM信號(hào)輸出的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)件的柔性磁化。去噪是漏磁信號(hào)處理時(shí)關(guān)鍵的一環(huán)，檢測(cè)系統(tǒng)利用小波技術(shù)對(duì)漏磁信號(hào)進(jìn)行去噪，并研究了在TMS320F2812芯片的算法實(shí)現(xiàn)。傳感器增加帶來(lái)的更多數(shù)據(jù)處理會(huì)增加CPU的負(fù)擔(dān)，基于小波變換的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)減小了DSP的運(yùn)算量。同時(shí)構(gòu)建了DSP與外圍設(shè)備信息交流通道，實(shí)現(xiàn)外界與DSP芯片的資源共享。最后，設(shè)計(jì)了缺陷標(biāo)記模塊，完善了漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。所構(gòu)建的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)漏磁檢測(cè)領(lǐng)域的研究具有較好的參考價(jià)值。

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