基于OMAPL138處理器的磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李智勇，杜 江，朱 強(qiáng)

(重慶郵電大學(xué) 信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

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基于OMAPL138處理器的磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李智勇，杜 江，朱 強(qiáng)

(重慶郵電大學(xué) 信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

介紹了一種基于OMAPL138嵌入式處理器的球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)實(shí)際需求和當(dāng)前球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)方法，提出對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)方案。該方案利用OMAPL138內(nèi)部?jī)蓚€(gè)處理器內(nèi)核在架構(gòu)上的非對(duì)稱性，更為高效地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的人機(jī)交互功能和數(shù)字信號(hào)處理。通過(guò)對(duì)球磨機(jī)產(chǎn)生的磨音信號(hào)進(jìn)行頻域分析，判斷球磨機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)，為球磨機(jī)控制策略的調(diào)整提供相關(guān)參考依據(jù)。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于水泥制造、金屬選礦等使用球磨機(jī)的行業(yè)。

球磨機(jī)；負(fù)荷檢測(cè)；嵌入式；OMAPL138處理器

0 引言

球磨機(jī)被廣泛應(yīng)用在水泥制造、金屬選礦等需要將原材料碾磨成粉末的作業(yè)中。由于球磨機(jī)內(nèi)部的不透明性，其負(fù)荷狀態(tài)很難直接檢測(cè)，因此工作人員無(wú)法及時(shí)調(diào)整球磨機(jī)工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致了球磨機(jī)多數(shù)時(shí)間工作在“飽磨”或“空磨”的狀態(tài)，造成球磨機(jī)本身的損耗和大量能源浪費(fèi)[1]。為避免此類磨損并降低能耗，需要實(shí)時(shí)獲取球磨機(jī)負(fù)荷信息，以此為依據(jù)，調(diào)整其工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的球磨機(jī)負(fù)荷測(cè)量方法有球磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸振動(dòng)信號(hào)分析法、物料進(jìn)出口重量壓差檢測(cè)法、轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)工作電流檢測(cè)法等，每種方法都有其獨(dú)到之處，但也有很大的局限性。相關(guān)研究表明，通過(guò)對(duì)球磨機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的磨音信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析可以更好地獲取到球磨機(jī)負(fù)荷相關(guān)的信息[2-5]。

某水泥生產(chǎn)企業(yè)一線工作人員提出希望可以直接觀測(cè)到磨音信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)波形，以便協(xié)助他們更準(zhǔn)確地判斷出球磨機(jī)的工作狀態(tài)。其管理人員也希望可以在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)直接觀測(cè)磨音信號(hào)的頻域波形，以便獲得更多球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息。這些需求使得原本單一的磨音信號(hào)分析系統(tǒng)需要具備更強(qiáng)大的人機(jī)交互、數(shù)據(jù)通信等實(shí)用功能。

傳統(tǒng)的球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)使用單一處理器作為系統(tǒng)的控制及運(yùn)算核心[6-8]，處理器既要兼顧繁瑣的系統(tǒng)控制操作，又要兼顧龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算。實(shí)際工程中，使用精簡(jiǎn)指令集(RISC)的微控制處理器很難克服復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算龐大的資源開銷，使用復(fù)雜指令集(CISC)的數(shù)字信號(hào)處理器則不擅長(zhǎng)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制等控制類操作[9]。這使得此類單一處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要在控制功能和數(shù)學(xué)計(jì)算性能上尋找平衡。

為了解決單一處理器在架構(gòu)上的缺陷導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行效率不高的問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)使用OMAPL138處理器作為系統(tǒng)的核心，該處理器兼顧RISC架構(gòu)和CISC架構(gòu)處理器的特性，可以有效解決單一架構(gòu)處理器在處理上述問(wèn)題時(shí)遇到的困難。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以O(shè)MAPL138嵌入式處理器為核心，該處理器內(nèi)部包含了一個(gè)ARM內(nèi)核和一個(gè)CISC架構(gòu)的DSP內(nèi)核。在工作中，采用RISC架構(gòu)的ARM核完成包括磨音信號(hào)采集與存儲(chǔ)、異常情況報(bào)警、圖形化的人機(jī)交互功能在內(nèi)的以控制指令為主的簡(jiǎn)單操作；采用CISC架構(gòu)的DSP核用于對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行一系列數(shù)學(xué)分析。這種將簡(jiǎn)單控制操作和復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算操作分而治之的方法使得系統(tǒng)可以高效地完成多樣化的功能。本系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)的硬件主要分為三個(gè)部分，分別為磨音信號(hào)采集部分、ARM核和DSP核在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的雙核通信部分以及系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)分析之后將數(shù)據(jù)輸出的接口部分。

磨音信號(hào)數(shù)據(jù)采集部分包括拾音器和語(yǔ)音芯片及相關(guān)外圍電路。拾音器將磨音信號(hào)輸入給TLV320AIC3106語(yǔ)音芯片，該信號(hào)會(huì)被嵌入式錄音軟件編碼成WAV格式的音頻文件，這個(gè)文件中的數(shù)據(jù)就是磨音信號(hào)的時(shí)域數(shù)據(jù)。和傳統(tǒng)的通過(guò)預(yù)處理電路傳輸模擬信號(hào)給模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)獲取磨音信號(hào)的方式相比，這種方法可以獲得更為精準(zhǔn)的磨音信號(hào)。

雙核通信部分的硬件主要包括一個(gè)DDR2-RAM。由于ARM核和DSP核工作時(shí)需要依賴于對(duì)方的數(shù)據(jù)，且二者無(wú)法直接進(jìn)行異步通信[10]，因此，為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)核心之間的雙核通信，在硬件電路上加入一塊兩個(gè)處理器內(nèi)核都可以使用的內(nèi)存，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)內(nèi)核之間的雙核通信。當(dāng)然，這種設(shè)計(jì)沒(méi)有硬件仲裁功能，還需要在軟件中加入有效的互斥機(jī)制才能保障雙核通信的可靠性，這部分的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙核通信硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)輸出接口包括了傳統(tǒng)的工業(yè)電流輸出接口、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口和一塊7英寸的液晶觸摸屏。

2 軟件程序設(shè)計(jì)方案

圖3 程序主要流程

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想是所有的任務(wù)由ARM核進(jìn)行調(diào)度，將DSP核看作ARM核的一個(gè)外接擴(kuò)展設(shè)備，該擴(kuò)展設(shè)備的作用是完成信號(hào)的分析，并將結(jié)果返回給ARM核。基于實(shí)現(xiàn)雙核通信的需要，本系統(tǒng)運(yùn)行Linux 3.3操作系統(tǒng)，具體的任務(wù)調(diào)度由該系統(tǒng)下運(yùn)行的嵌入式Qt應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體的程序運(yùn)行流程如圖3所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后會(huì)加載用于人機(jī)交互的Qt應(yīng)用程序，該程序會(huì)在Linux后臺(tái)調(diào)用音頻錄音軟件采集磨音信號(hào)，采集到的磨音信號(hào)文件會(huì)被ARM核存放到用于雙核通信的共享內(nèi)存空間中，為了保證雙核通信中傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)使用了自旋鎖來(lái)解決兩個(gè)處理器核同時(shí)操作共享內(nèi)存可能帶來(lái)的數(shù)據(jù)不可靠問(wèn)題。DSP核作為ARM核的外設(shè)，在獲取到數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行包括濾波、時(shí)頻變換、相似度分析在內(nèi)的一系列數(shù)學(xué)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果存放到另外一個(gè)共享內(nèi)存空間，并喚醒ARM核控制的相關(guān)進(jìn)程，ARM核就會(huì)到指定的共享內(nèi)存空間獲取這些數(shù)據(jù)，并通過(guò)人機(jī)交互接口將這些數(shù)據(jù)輸出。

3 系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試

本系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)而言，一個(gè)重要的創(chuàng)新是通過(guò)液晶觸摸屏實(shí)時(shí)輸出當(dāng)前磨音信號(hào)的頻域波形圖供工作人員參考。為了驗(yàn)證該功能的準(zhǔn)確性，使用音頻發(fā)生器輸出一個(gè)1 000 Hz的音頻信號(hào)，將顯示屏的輸出界面調(diào)到信號(hào)的頻域波形顯示界面，得到的音頻信號(hào)頻域波形如圖4淺色部分所示，圖中深色部分為音頻發(fā)生器工作時(shí)的界面。

圖4 1 kHz音頻信號(hào)頻域波形

在測(cè)試時(shí)，拾音器采集到了周圍環(huán)境中的其他的聲音，因而系統(tǒng)顯示出的頻域信號(hào)在其他頻點(diǎn)也有對(duì)應(yīng)的信號(hào)，但最為主要的成分集中在1 000 Hz這一頻點(diǎn)上，這和實(shí)際的情況完全吻合，這說(shuō)明本系統(tǒng)在音頻信號(hào)的采集、處理器內(nèi)核間的雙核通信、DSP內(nèi)核對(duì)磨音信號(hào)時(shí)頻轉(zhuǎn)換等功能上的設(shè)計(jì)確實(shí)是可行的。

為驗(yàn)證其磨音信號(hào)分析功能的準(zhǔn)確性，在某水泥廠中使用該系統(tǒng)進(jìn)行了一次測(cè)試。測(cè)試對(duì)象為一臺(tái)正在工作的球磨機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員告知，球磨機(jī)當(dāng)時(shí)可能處于偏空磨的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，顯示屏輸出的磨音信號(hào)的頻域波形如圖5所示。

圖5 檢測(cè)到的磨音頻域信號(hào)

根據(jù)輸出的頻域信號(hào)波形可知，該磨音頻域主要分布在2 500 Hz以下，最為主要的成分集中在1 000 Hz左右的中頻段，有大約30%的信號(hào)成分集中在高頻段，這種磨音信號(hào)和經(jīng)典的水泥球磨機(jī)磨音信號(hào)處于偏空磨的頻譜分布趨勢(shì)相類似，這和測(cè)試之前被告知的情況相同，從而驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)在磨音信號(hào)分析功能上的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

采用OMAPL138處理器作為核心的球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的人機(jī)交互功能和信號(hào)處理性能，其RISC和CISC互補(bǔ)的架構(gòu)可以輕松地完成磨音信號(hào)的分析，并將對(duì)應(yīng)的頻譜直接呈現(xiàn)出來(lái)，供一線工作人員參考。此外，本系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)通信接口，通過(guò)該接口，系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、算法更新等一系列實(shí)用的功能，甚至可以將數(shù)據(jù)通過(guò)這個(gè)接口連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)管理人員通過(guò)計(jì)算機(jī)、手持終端等設(shè)備直接進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能?？傊?，本文設(shè)計(jì)的球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，具有很強(qiáng)維護(hù)和擴(kuò)展能力，可以很好地協(xié)助一線工作人員更為準(zhǔn)確地判斷球磨機(jī)的工作狀態(tài)。

[1] 湯健,趙立杰,岳恒,等. 磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)方法研究綜述[J]. 控制工程, 2010，17(5):565-570.

[2] 楊志剛,張杰,李艷姣. 磨音影響因素分析與磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)方法綜述[J]. 金屬礦山, 2015，44(2):139-144.

[3] 王合金,郝偉,陳宏,等. 音頻信號(hào)分析在球磨機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2009(10):67-68.

[4] 楊志剛,趙莉婭,薄敬東. 基于磨音信號(hào)的磨機(jī)負(fù)荷模型[J]. 河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011，32(2):65-69.

[5] 張杰,王建民,楊志剛，等.基于功率譜分析的球磨機(jī)負(fù)荷模型[J]. 工礦自動(dòng)化, 2013，39(12):43-47.

[6] 李剛,王建民. 磨機(jī)負(fù)荷的磨音多頻帶檢測(cè)研究與開發(fā)[J]. 儀器儀表用戶, 2008，15(5):22-23.

[7] 曾旖,張彥斌,劉衛(wèi)峰,等. 基于DSP的磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)儀的研制[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2005(7):14-16.

[8] 張偉. 基于DSP的磨音特性檢測(cè)裝置的研發(fā)[D]. 濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2010.

[9] 陳瑞森. 基于CISC/RISC的混合指令集構(gòu)建[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2007，30(16):49-52.

[10] 林淦,劉建群,許東偉,等. OMAPL138的雙核通信設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓, 2014，42(22):146-149.

The design of mill load measurement system based on OMAPL138 processor

Li Zhiyong, Du Jiang, Zhu Qiang

(Chongqing Key Laboratory of Signal and Information Processing, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065， China)

A design scheme of mill load measurement system based on OMAPL138 processor is proposed. The hardware and software design scheme of corresponding system is proposed according to the current mill load measurement method. The scheme utilizes the non-symmetry of two internal processor cores to efficiently implement human-computer interaction and digital signal processing. The mill load status is determined through the analysis of frequency domain characteristic for the mill sound signal, providing relevant reference basis for the control strategy adjustment of mill. The system can be applied to the sites with cement and metal processing using mill.

mill; load measurement; embedded; OMAPL138 processor

TP216

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.024

李智勇，杜江，朱強(qiáng). 基于OMAPL138處理器的磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(20)：87-89.

2016-05-30)

李智勇(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信號(hào)處理與片上系統(tǒng)。

杜江(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信號(hào)處理與片上系統(tǒng)。

朱強(qiáng)(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：信號(hào)處理與片上系統(tǒng)。