多通道木材無損檢測設(shè)備設(shè)計

彭杰，馮海林，方益明，李劍

(浙江農(nóng)林大學 信息工程學院，杭州臨安，311300)

多通道木材無損檢測設(shè)備設(shè)計

彭杰，馮海林，方益明，李劍*

(浙江農(nóng)林大學 信息工程學院，杭州臨安，311300)

目前木材無損檢測技術(shù)種類繁多，專業(yè)檢測設(shè)備研發(fā)卻相對乏力，普遍存在價格昂貴，安裝復(fù)雜，操作繁瑣，檢測效率低下等問題?；诖爽F(xiàn)狀，本研究主要運用CAN總線數(shù)據(jù)傳輸，源終點可調(diào)換和多通道串行檢測等方法，開發(fā)了可自動獲得應(yīng)力波傳播速度矩陣的木材無損檢測設(shè)備。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，穩(wěn)定性和準確性高的特點，并能夠有效提高檢測效率，降低勞動強度。

CAN總線；源終點可互換；多通道串行檢測；

0 引言

木材的使用與加工在人類發(fā)展歷程中占有不可分割、不可替代的重要地位，至今，仍廣泛運用于生產(chǎn)生活。隨著森林資源減少，使用范圍擴大，木質(zhì)資源如何科學、合理、高效利用日益凸顯，眾多學者對樹木及木質(zhì)材料內(nèi)部空洞和腐朽狀況進行了檢測分析的研究[1]。

傳統(tǒng)方案大多運用力學試驗機等檢測儀器對木材進行檢測，條件苛刻、操作復(fù)雜、效率低下且穩(wěn)定性與重現(xiàn)性不足，并有一定破壞性[2]。而木材無損檢測技術(shù)無需損壞木材原有特性即可實現(xiàn)內(nèi)部檢測，因此受到廣泛關(guān)注，并迅速發(fā)展成為一門新興、綜合的檢測技術(shù)[3]。

目前，木材無損檢測技術(shù)主要有超聲波檢測，微波檢測，應(yīng)力波檢測，X-射線檢測，皮螺釘檢測，阻力檢測等方法[4-5]。其中應(yīng)力波檢測法因成本低廉，攜帶方便，檢測快速，不受木材形狀與尺寸限制而表現(xiàn)突出[6-7]，已研發(fā)一系列產(chǎn)品，廣泛運用于古建筑木材檢測、古樹名木保護、城市林業(yè)、木材加工等領(lǐng)域[8-10]。

但現(xiàn)有設(shè)備大多采用并行數(shù)據(jù)傳輸模式，只具備數(shù)據(jù)采集記錄功能[2]。普遍存在安裝復(fù)雜，操作繁瑣，數(shù)據(jù)分析繁瑣等缺陷，給檢測分析工作帶來了諸多不便[11]。本文提出采用CAN總線通信系統(tǒng)和源終點可調(diào)換方法，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，簡化安裝操作流程，研發(fā)可自動獲取速度矩陣的高效率木材無損檢測設(shè)備。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究與分析

1.1 基于CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò))是兩線制多節(jié)點串行通信系統(tǒng)，具有傳輸速度快，有效距離遠，可靠性高等特點。其高速短距離閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)可達1 Mbit/s；低速遠距離開環(huán)網(wǎng)絡(luò)可達125 kbit/s[12]。有效傳輸距離與最大速率對應(yīng)見表1。

表1 CAN總線速度和傳播距離

現(xiàn)有設(shè)備受限于并行通信模式，多采用節(jié)點輪詢機制，串行通信系統(tǒng)可突破該限制，有效降低中央處理器工作負荷。同時，CAN總線具有高效性和高可靠性，并支持熱拔插功能，使設(shè)備在復(fù)雜而惡劣的野外環(huán)境性能穩(wěn)定，表現(xiàn)優(yōu)越。

此外，CAN總線具有無主從差異特性，是源終點可調(diào)換方法的物理基礎(chǔ)，也是本研究中多通道串行檢測設(shè)備實現(xiàn)的關(guān)鍵。

1.2 應(yīng)力波在木材中的傳播分析

木材受外力敲擊，其應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)以波的形式向敲擊點周邊擴散，即應(yīng)力波。應(yīng)力波是以一定速度由介質(zhì)的一部分向另一部分傳遞的可鑒別信號[13]。

面對海量的數(shù)據(jù)和信息，新媒體要不斷培養(yǎng)高素質(zhì)的采編人才，對信息的甄別和收集能力有較高的要求。新媒體培養(yǎng)復(fù)合型采編人才，一方面，善于組織語言，把握大數(shù)據(jù)時代受眾的心理變化；另一方面，善于借助大數(shù)據(jù)，從民眾的信息發(fā)布中獲取有效信息，核實并且深度挖掘后進行報道，提高信息采編效率。復(fù)合型采編人才要善于經(jīng)營兩微一端的媒體公共關(guān)系，營造良好的組織形象，獲得民眾的心理認同感，從根源樹立媒體的威信。

圖1 木材中應(yīng)力波傳播模型Fig.1 The model of stress wave propagation in wood

Bullet[14]、Ross[15]、楊學春[16]、李光輝[17]和馮海林[18]等研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波傳播速度除與受測木材類型有關(guān)，還與傳播截面的紋理角、裂痕、空洞和腐朽等情況有關(guān)，并且推導(dǎo)建立一系列數(shù)學模型?？傮w而言，應(yīng)力波在木材中的傳播時間與內(nèi)部腐朽等缺陷程度呈正相關(guān)。

如圖1所示，木材受小錘敲擊，產(chǎn)生應(yīng)力波信號，并迅速向敲擊點周圍擴散。此后，木材截面的其他部位可陸續(xù)檢測到應(yīng)力波信號。分別在敲擊點與檢測點安裝計數(shù)器，可得到應(yīng)力波在源點與終點間的傳播時間，結(jié)合彈性模量、二維成像等分析模型即可實現(xiàn)木材內(nèi)部檢測。

1.3 多通道應(yīng)力檢測原理及應(yīng)力波速度矩陣

多通道檢測技術(shù)是指運用多個具有相同檢測功能和結(jié)構(gòu)特性的模塊，構(gòu)成多組信號檢測通道，以實現(xiàn)多個信號或同一信號多個部分的檢測。該檢測方法能夠有效降低硬件故障、耦合或環(huán)境影響造成的偶然誤差，提高檢測精準性。

本研究運用多通道檢測技術(shù)檢測木材截面不同部位的同源應(yīng)力波信號。各部位檢測到應(yīng)力波信號的時間間隔非常微小，僅以微秒計，因此必須采用相互之間完全獨立的多通道檢測模式。

其中，木材無損檢測設(shè)備的每個傳感器都是一個檢測通道，任意兩個傳感器間都是一個應(yīng)力波信號傳播通道。因此，若設(shè)備裝載有x個傳感器，則信號通道數(shù)y等于x的自由組合數(shù)，見公式(1)。y個信號通道在檢測截面相互交織，共同反映了木材截面的內(nèi)部特征，如圖2所示。

(1)

圖2 多通道木材無損檢測原理示意圖Fig.2 The diagram of multi-channel wood nondestructive detection principle

結(jié)合源終點可調(diào)換方法，分別以各傳感器為信號源點，其他傳感器為信號終點，可獲得x×(x-1)個速度數(shù)據(jù)，組成x×x的速度矩陣。見公式(2)，v(x1，x2)為速度矩陣中坐標為(x1，x2)的數(shù)值，x1為信號源點傳感器編號，x2為信號終點傳感器編號。該矩陣包含了檢測結(jié)果及信號源終點等信息，數(shù)據(jù)提取、疊加和速度對比分析后即可最大限度的還原木材截面信息，滿足彈性模量分析、二維成像分析等進一步研究的需要。

(2)

2 軟硬件設(shè)計

為有效改善分散并行數(shù)據(jù)傳輸模式抗干擾性弱、接線復(fù)雜等問題，本系統(tǒng)采用了CAN總線數(shù)據(jù)傳輸模式。并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合多通道串行檢測與源終點可調(diào)換方法，即各傳感器輪流充當信號源點，產(chǎn)生應(yīng)力波信號，由其余充當信號終點的傳感器檢測應(yīng)力波信號，以實現(xiàn)便捷、高效的木材無損檢測。分散并行線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與CAN總線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模型對比圖Fig.3 The comparative diagram of data transmission system model

2.1 硬件設(shè)計

如圖4所示，木材無損檢測設(shè)備由主機、傳感器和CAN通訊三部分組成。其中，主機是部件控制、人機交互應(yīng)答和數(shù)據(jù)處理中心，傳感器是應(yīng)力波信號檢測和數(shù)字化處理終端。CAN通訊系統(tǒng)則負責連接主機與各傳感器。

主機部分由中央處理器、顯示模塊、無線通訊模塊、控制模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊組成。其中，顯示模塊采用了ATK-7′TFTLCD電容觸摸液晶屏，配合按鍵、旋鈕等控件實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和命令操作等，共同構(gòu)成人機交互基礎(chǔ)。無線通訊模塊則采用GPRS，是中央處理器與上位機數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，完成?shù)據(jù)的最終匯集，以供進一步分析。

傳感器部分包括傳感器控制單元和檢測電路兩部分。其中，檢測電路由壓電陶瓷片、電壓跟隨器、濾波器、運放、比較器等基本電路單元構(gòu)成，將應(yīng)力波信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⑦M行濾波、放大、單極性轉(zhuǎn)化和電壓比較操作，使之轉(zhuǎn)化為可供傳感器控制單元(STM8S208C6T6單片機)捕捉、處理、傳輸?shù)臄?shù)字信號。

如圖5所示，CAN通訊系統(tǒng)由CAN總線及其13個通信結(jié)點組成。每個通信結(jié)點又由CAN收發(fā)器、CAN控制器和ID標識電路構(gòu)成。CAN通訊系統(tǒng)中所有通信結(jié)點均可占有主控地位，結(jié)合源終點可調(diào)換方法即構(gòu)成了多通道串行檢測的硬件基礎(chǔ)。

CAN收發(fā)器為TJA1050型，用于CAN控制器二進制數(shù)據(jù)與CAN總線差分信號的相互轉(zhuǎn)化。分別通過CAN_Tx、CAN_Rx與CAN_High、CAN_Low信號線與CAN控制器和CAN總線相連。CAN控制器為單片機內(nèi)置部件，由發(fā)送郵箱Tx_Mailboxes、接收過濾器Acceptance Filters、接收郵箱Receive FIFO及狀態(tài)的模塊構(gòu)成?？蓛Υ?、自動收發(fā)、重發(fā)及過濾報文。

圖4 多通道木材無損檢測硬件框架圖Fig.4 The hardware frame of multi-channel wood nondestructive equipment

圖5 CAN總線傳輸系統(tǒng)模型圖Fig.5 CAN bus transmission system model

ID標識電路是源終點可互換方法實現(xiàn)的關(guān)鍵。其功能模型可簡化為一個4位撥碼開關(guān)，通過不同撥碼序列為各通信結(jié)點設(shè)定ID。ID即是通信結(jié)點的地址，又是是否接收報文的判斷依據(jù)，還是兩個或多個結(jié)點同時發(fā)送報文時，優(yōu)先占用CAN總線的依據(jù)。此處，ID標識電路的應(yīng)用使得各傳感器與指定ID始終一一對應(yīng)，而不受系統(tǒng)重啟、復(fù)位或主控結(jié)點變化的影響。根據(jù)ID標識電路，中央處理器實現(xiàn)信號源終點的判斷、數(shù)據(jù)的分類保存。實際電路通過傳感器控制器指定引腳處于接地或懸空狀態(tài)以進行ID標識的。

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序總流程如圖6所示。設(shè)備安裝完畢后啟動電源，初始化各功能模塊。硬件安裝包括傳感器固定和CAN總線線路連接。初始化除液晶顯示、控制按鈕、GPRS、數(shù)據(jù)存儲、檢測電路初始化，還包括主機控制器、傳感器控制器待檢測狀態(tài)初始化和CAN通訊系統(tǒng)配置初始化。

初始化完成，即進行檢測傳感器數(shù)量設(shè)定，該設(shè)置直接影響檢測效果。傳感器數(shù)目根據(jù)木材胸徑大小設(shè)定，與檢測準確度呈正相關(guān)。同時，隨傳感器數(shù)目增加，檢測時間增長，分析難度加大，且對于小胸徑木材傳感器過多會加大安裝難度，影響檢測準確度。綜合考慮，建議以12個傳感器為宜[19-20]。

圖6 系統(tǒng)流程圖Fig.6 System flowchart

主機通過CAN通信系統(tǒng)，采用0.5 Mbit/s的高速傳輸模式，以廣播發(fā)送命令各傳感器打開應(yīng)力波信號產(chǎn)生與檢測功能，開啟各傳感器內(nèi)部循環(huán)計時器。對傳感器尾部物理敲擊產(chǎn)生應(yīng)力波，通過傳感器檢測電路檢測應(yīng)力波。0.5 Mbit/s高速傳輸模式使得各傳感器幾乎同步讀取并處理命令，各傳感器計時器最大開啟時差不超過2 us，該誤差時間遠小于應(yīng)力波在木材中的傳播時間，保證檢測結(jié)果可靠。

檢測階段，主機依次接收各傳感器檢測數(shù)據(jù)，進行初步處理確認后保存并上傳。信號源點在信號產(chǎn)生瞬間向主控單元處理器發(fā)送內(nèi)部計時器數(shù)值t0(即tx1)，各信號終點檢測到信號瞬間停止計時，發(fā)送計時數(shù)值tx(即tx2)。根據(jù)公式(2)可得各傳播通道速度數(shù)據(jù)v(x1,x2)，保存于速度矩陣對應(yīng)位置，通過液晶予以顯示。之后設(shè)備自動進入下一輪檢測，直到所有傳感器均輪流充當信號源點，得到完整的速度矩陣。所有檢測數(shù)據(jù)可通過移動儲存設(shè)備保存或通過無線傳輸功能直接發(fā)送給上位機以備進一步的分析處理。

本系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的核心是CAN通訊與源終點可互換方法的結(jié)合。如圖7所示，待CAN總線完成初始化，各節(jié)點隨即進行ID識別，并在接收到應(yīng)力波信號產(chǎn)生與檢測功能開放命令的同時，同步開啟控制器內(nèi)部計時器。此后，任意傳感器(若為A傳感器)受敲擊產(chǎn)生應(yīng)力波信號，即停止(A傳感器)控制器內(nèi)部計時器，先占用CAN總線，保證源點數(shù)據(jù)最先到中央處理器。此后各傳感器陸續(xù)接收到應(yīng)力波信號，停止計時、計數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)，直到所有傳感器均完成信號檢測。當?shù)谝惠啓z測及數(shù)據(jù)傳輸完成后除A外的其余傳感器信號產(chǎn)生功能被允許，并輪流充當信號源，直到所有傳感器均當過信號源并完成相應(yīng)檢測和數(shù)據(jù)傳輸與保存。

圖7 源終點互換的數(shù)據(jù)捕獲和傳輸方法Fig.7 Method of data acquisition and transmission based on source end exchange

3 結(jié)論與建議

本研究建立在機械應(yīng)力波木材無損檢測技術(shù) 基礎(chǔ)上，采用CAN通信系統(tǒng)，結(jié)合多通道串行檢測與源終點可調(diào)換方法，設(shè)計了多通道木材無損檢測設(shè)備。

本設(shè)備采用CAN串型通信方式，具有安裝簡潔，數(shù)據(jù)傳輸迅速和安全等特點。運用源終點調(diào)換方法，有效簡化操作過程，提高檢測準確度和檢測效率。以速度矩陣形式保存檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)小數(shù)據(jù)量中記錄多種檢測信息，對后續(xù)分析十分有利。

該設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性與便攜性突出，適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境作業(yè)，滿足林業(yè)單位和木材企業(yè)對林木保護和木材品質(zhì)檢測的普遍需求。為國家木質(zhì)資源檢測、監(jiān)管以督促林業(yè)資源得到合理運用提供了新的手段和平臺。

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Multi-channel Wood Nondestructive Testing Equipment Design

Peng Jie，F(xiàn)eng Hailin，F(xiàn)ang Yiming，Li Jian*

(College of Electronical and Information Engineering，Zhejiang Agriculture & Forestry University，Linan，Hangzhou，311300)

There are many kinds of technology for wood nondestructive testing at present,however，the innovation and development of professional testing equipment are relatively weak with the common issues of expensive cost，complex installation，operating tediously and inefficient in detection，etc.Based on the present situation，a new type equipment for wood nondestructive testing was developed in this study mainly using the technologies of CAN bus CAN bus data transfer，source end exchange and multi-channel serial detection and so on.This nondestructive testing equipment achieves the functions to automatically obtain the stress wave propagation velocity matrix.This equipment has the characteristics of simple structure，easy operation，high stability and accuracy，and efficient as well as the characteristics in improving the testing efficiency and decreasing the labor intensity.

CAN bus；source end exchange；multi-channel serial detection

2016-07-01

國家自然科學基金項目(61272313；61302185；61472368)；浙江省自然科學基金項目(LQ14F020014)；浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃項目(2015R412016)

彭杰，本科生。研究方向：木材無損檢測裝備研發(fā)。

李劍，博士，講師。研究方向：從事木材無損檢測科研及教學工作。E-mail：lijian0120@foxmail.com

彭杰，馮海林，方益明，等.多通道木材無損檢測設(shè)備設(shè)計[J].森林工程，2017，33(1)：47-51.

S 781

A

1001-005X(2017)01-0047-05