條干均勻度儀波譜圖算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 征, 馬建偉

(河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471000)

條干均勻度儀波譜圖算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 征, 馬建偉

(河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471000)

條干均勻度儀的波譜圖能夠精確地反映出紗疵的周期性特征，從而可以快速地確定出紡紗工藝流程中故障的位置;但是如何將波譜圖快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)一直是研究的難點(diǎn);基于數(shù)字信號處理中的重采樣定理，通過對不同機(jī)械故障所產(chǎn)生的紗線信號進(jìn)行分析，改進(jìn)了條干均勻度儀波譜圖算法，該算法在需要觀測的波長范圍內(nèi)構(gòu)建了110個不同頻帶的帶通濾波器，根據(jù)相鄰濾波器頻帶關(guān)系分組進(jìn)行波譜分析;通過DSP28335微處理器的數(shù)據(jù)采集、信號處理和上位機(jī)波譜圖顯示的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明了該算法的可行性；其改進(jìn)后的算法極大地減小了以往所用硬件的復(fù)雜度、提高了運(yùn)算速度并拓寬了波譜圖的可觀測范圍，且能夠更精確的檢測出故障位置。

波譜圖；機(jī)械故障；帶通濾波器

0 引言

隨著人們對衣物舒適度要求的不斷提高，減少紗疵成為紡紗企業(yè)的核心任務(wù)。紗線的波譜分析是減少紗疵，提高紗線質(zhì)量，增加企業(yè)利潤的最直接有效的方式。紗線的波譜圖是通過紗線信號經(jīng)過多組通帶不同的帶通濾波器產(chǎn)生的。濾波器的數(shù)目越多，濾波效果越好，分析得到的結(jié)果越精確。在不影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的情況下，如何獲得更精確的結(jié)果是實(shí)現(xiàn)波譜圖設(shè)計(jì)面臨的最主要問題。

目前，國內(nèi)條干均勻度儀廠家技術(shù)相對落后，大多是通過使用模擬元件搭建多個帶通濾波器對紗線傳感器信號進(jìn)行濾波完成的[1]。國內(nèi)條干均勻度儀市場基本被國外廠家壟斷。采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，同時(shí)電路的可靠性和準(zhǔn)確性都大大降低。一旦出現(xiàn)故障，維修耗時(shí)耗力。伴隨著嵌入式技術(shù)大量地被運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中，使用微控制器實(shí)現(xiàn)波譜圖成為了歷史的必然。但如果不進(jìn)行任何算法優(yōu)化，單純地采用數(shù)字濾波器方式來單獨(dú)實(shí)現(xiàn)每一個濾波器，則濾波器計(jì)算會耗費(fèi)大量的CPU資源。勢必使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性極大地減弱，導(dǎo)致其他功能無法正常實(shí)現(xiàn)。

本文通過對不同工藝故障產(chǎn)生的紗線信號進(jìn)行分析，得到紗線信號的數(shù)學(xué)模型?；跀?shù)字信號處理中的重采樣定理，提出了一種濾波器分組優(yōu)化算法。在此基礎(chǔ)上，搭建了以DSP28335為核心控制器的數(shù)據(jù)采集，信號處理和上位機(jī)波譜圖顯示系統(tǒng)。該算法的提出不僅解決了硬件電路復(fù)雜和軟件實(shí)時(shí)性差的問題，同時(shí)還提高了波譜圖顯示的精度，能夠更加準(zhǔn)確地定位出紡紗過程中產(chǎn)生故障的機(jī)械設(shè)備位置。通過大量重復(fù)試驗(yàn)，產(chǎn)生的波譜圖與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)烏斯特條干均勻度儀波譜圖相比較，波形輪廓和對應(yīng)幅值基本一致，證明了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1 紗線信號數(shù)學(xué)模型

在紡紗過程中，由于紗線需要經(jīng)過多種工藝設(shè)備，任何一種工藝設(shè)備異常都會在紗線上形成紗疵。把所有工序中可能形成紗疵部位的波長計(jì)算出來，與波譜圖中異常波長相對比，即可快速確定故障的具體位置，便于工人維修。常見的部分可形成紗疵部位的波長見表1。

表1 常見故障部位波長

待檢測的紗線信號可等效為無限帶寬、幅值在有限范圍內(nèi)隨機(jī)波動的數(shù)字信號疊加而成，如圖1所示。設(shè)t時(shí)刻紗線信號的幅值為At，頻率為f的紗線信號幅值為Aft，則紗線信號可表示為：

(1)

從表1我們可以得到，常見部位紗疵的波長在5.74 ～10 040.16 cm之間，若紗線的速度為1 000 m/min，則頻率范圍在292.43～ 0.166 Hz內(nèi)?？偟念l率范圍為300 Hz。理論上紗線信號的頻率范圍為0～+∞ Hz，波長范圍為0～ m。實(shí)際處理時(shí)將其看作有限范圍幅值、有限頻率的數(shù)字信號進(jìn)行處理。考慮到系統(tǒng)的采樣頻率fs是固定值，如果直接對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，那么高于fs/2的頻率分量被當(dāng)作低于fs/2的分量再次出現(xiàn)在頻譜中，破壞了低于fs/2的頻譜分量的完整性。為減少數(shù)據(jù)分析誤差，采取了數(shù)據(jù)壓縮算法和抗混疊濾波處理。由于CPU頻率的限制，不可能對每一微小片段紗線直徑信號都進(jìn)行采樣，因此采取1 cm采樣一個點(diǎn)的方式來采集。若紗線速度為V/(m/min)，則采樣頻率:

(2)

圖1 紗線信號的疊加

2 濾波器分組優(yōu)化算法

通過分析可以得到每隔10個頻段，相應(yīng)的頻率帶寬正好變化一倍。根據(jù)數(shù)字信號處理中的重采樣定理可知，在其他參數(shù)不變的情況下，采樣頻率升高為原來的兩倍，則濾波器的濾波頻率也會變?yōu)樵瓉淼膬杀叮値捯沧優(yōu)樵瓉淼膬杀?。由此可?10個帶通濾波器分為11組，最高頻率的10個帶通濾波器為一組，下一組濾波器的頻率為上一組濾波器頻率的一半。由此可知，只需設(shè)計(jì)出頻段最高一組的10個濾波器，然后依次對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行1/2重抽樣再通過這10個濾波器中，即可相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)110個帶通濾波器。算法結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 濾波器分組優(yōu)化算法

若不加任何優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)，則需要首先設(shè)計(jì)110個頻帶不同、頻帶窄且精度高的帶通濾波器。若采樣數(shù)目為N，每個采樣點(diǎn)都需要經(jīng)過110個帶通濾波器，則計(jì)算次數(shù)為110*N次。若采用分組優(yōu)化算法，則只需要設(shè)計(jì)出頻率最高的十個帶通濾波器，大大減少了濾波器的數(shù)目，降低了實(shí)現(xiàn)的難度。第一次N個采樣點(diǎn)通過這10個帶通濾波器，第二次N/2個采樣點(diǎn)再次通過這10個帶通濾波器。以此類推，計(jì)算次數(shù)為：20N(1-1/211)。經(jīng)過分組優(yōu)化算法后，系統(tǒng)的運(yùn)算量僅為常規(guī)算法的18.17%，極大地提高了DSP的效率。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)的工作流程為：通過電容式傳感器檢測紗線直徑的變化，輸出的電壓模擬量通過抗混疊濾波電路輸入到DSP28335中。DSP對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理后，按照分組優(yōu)化算法進(jìn)行濾波處理，同時(shí)DSP將處理后得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過RS485總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)采用電容式傳感器來檢測紗線信號，信號幅值的波動代表了紗線直徑的改變。由于紗線直徑變化很小，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求也很高，所以對選用的電容式傳感器靈敏度和動態(tài)響應(yīng)要求很高，必須能夠檢測出微小的電容變化量。經(jīng)綜合考慮，電容傳感器選擇Acam公司的PCap01。PCap01芯片內(nèi)部帶有內(nèi)部接地補(bǔ)償和外部漂移寄生電容補(bǔ)償?shù)膯纹瑱C(jī)處理單元，完美地融合了高精度測量，低功耗測量以及快速測量的優(yōu)點(diǎn)[2]。測量頻率高達(dá)500 kHz，同時(shí)具有超高的溫度穩(wěn)定性，超低溫漂，每攝氏度溫漂僅為30 af。性能特點(diǎn)完全符合該系統(tǒng)的要求。PCap01芯片支持單一接地模式、單一傳感器漂移模式、差分傳感器接地模式、差分傳感器漂移模式等連接方式[3]。本次實(shí)驗(yàn)采用差分傳感器接地模式。

紗線信號經(jīng)過低通濾波器(抗混疊濾波器)濾除超過900 Hz以上的高頻部分，避免發(fā)生信號混疊現(xiàn)象。如果不使用抗混疊濾波電路，會在信號頻帶內(nèi)產(chǎn)生位于期望頻帶之外的噪聲信號。抗混疊減弱了大于采樣頻率fs/2以上的全部噪聲頻譜。低通濾波器由模擬運(yùn)放組成，該電路同時(shí)把電壓調(diào)整到合適的范圍以便輸入AD轉(zhuǎn)換芯片。為了把放大器對檢測單元的影響降到最低，在對信號進(jìn)行放大之前，首先選用了由集成運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器對電路進(jìn)行了隔離處理。運(yùn)算放大器選用了具有更高輸入阻抗、具有極低輸入電流和高速性的ADTL084ARZ。由集成運(yùn)算放大器組成的放大電路相比于差分放大電路和晶體管放大電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)硬件電路簡單明了，元器件少，減小了電路板的面積；2)放大倍數(shù)和共模抑制比好，溫漂??；3)集成度高，可靠性好；4)價(jià)格低廉，易于購買。由集成運(yùn)放組成的信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理電路

A/D轉(zhuǎn)換采用的是TI公司的ADS7871。ADS7871是一款精密可編程的、14位逐次逼近式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。為提高系統(tǒng)的電磁兼容性能，A/D輸出部分需要外加隔離電路。DSP在該系統(tǒng)中處于核心地位，不僅僅需要設(shè)計(jì)帶通濾波器和波譜分析同時(shí)還需要和上位機(jī)通信。在數(shù)據(jù)通信中，常用的方式有RS485總線、工業(yè)以太網(wǎng)和can總線等。綜合考慮后，選用了硬件電路簡單、傳輸速度快、實(shí)時(shí)性好的RS485通訊。

所設(shè)計(jì)的RS485通訊電路采用的芯片是SN65HVD08。SNH65HVD08結(jié)合了三態(tài)差分內(nèi)聯(lián)驅(qū)動器和差分線路接收器，用于和ANSITIA/EIA-485-A和ISO-8482E標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行互操作。該芯片的工作電壓范圍為3～5.5 V?？刹捎门cDSP28335相同的電壓3.3 V。減少電源電路的復(fù)雜性。

DSP通過RS485總線方式把數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。上位機(jī)程序采用的是基于.NET Framework的高級程序設(shè)計(jì)語言C#。C#比其他語言更適合現(xiàn)代開發(fā)工具，同時(shí)具有Visual Basic語言的易用性和C++的高性能、低內(nèi)存訪問。系統(tǒng)核心控制器采用的是TI公司的TMS320F28335，該芯片是一款32位的浮點(diǎn)型DSP，工作頻率為150 MHz，具有獨(dú)立的硬件乘法器，指令以流水線方式運(yùn)行，運(yùn)算速度很快[4]。并且DSP28335在邏輯上有4M*16位的程序空間和4M*16位的數(shù)據(jù)空間，可以緩存大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。DSP28335具有很強(qiáng)的數(shù)字處理能力，完全滿足該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用TI官方的軟件開發(fā)工具CCS6.1.3來進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)。CCS6.1.3是官方推出的最新包含在線調(diào)試功能的開發(fā)工具，極大地方便了程序的編寫和調(diào)試。采樣部分采用數(shù)據(jù)壓縮算法。A/D采用通過DSP28335的定時(shí)器中斷中完成。采樣頻率為10 K，利用采樣壓縮算法將采樣頻率壓縮至2 K。采樣壓縮流程如圖5所示。

圖5 采樣壓縮流程圖

利用MATLAB軟件的FDATool模塊來設(shè)計(jì)第一組濾波器。數(shù)字濾波器可以分為IIR和FIR兩種[5-6]，IIR數(shù)字濾波器適用于待分析數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求高，對邊緣頻率要求精確的場合。FIR濾波器適用于待分析數(shù)據(jù)量小，實(shí)時(shí)性要求不高，對相位要求高的場合[7]。系統(tǒng)由于主要分析波長和紗線直徑信號的幅頻關(guān)系，對相位不做特殊要求，邊緣頻率要求高，實(shí)時(shí)性好，綜合分析后采用IIR數(shù)字類型濾波器。Chebyshev型濾波器在通帶內(nèi)呈等波紋振蕩，阻帶內(nèi)單調(diào)下降并且適用于數(shù)據(jù)量大的場合[8]。Butterworth濾波器阻帶衰減不均勻，適用于待處理數(shù)據(jù)量略小的場合。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，最終選用IIR型的Chebyshev濾波器。

IIR從結(jié)構(gòu)上可以分為直接I型、直接II型、級聯(lián)型和并聯(lián)型4種[9]?，F(xiàn)在常用的是級聯(lián)型，主要優(yōu)點(diǎn)是存儲單元少，硬件結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算量小。具體級聯(lián)結(jié)構(gòu)如式：

(3)

根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)原則：設(shè)計(jì)的濾波器的最小衰減倍數(shù)必須大于A/D所能表示的最小信號。故設(shè)計(jì)的濾波器最小衰減αs為-78 dB，通帶允許的最大衰減αp為0.1 dB。若設(shè)置紗線速度為1 000 m/min，通過壓縮采樣算法后數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz，濾波器的階數(shù)設(shè)置為四階。則設(shè)計(jì)出的第一個濾波器的幅頻響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 第一個帶通濾波器的幅頻特性曲線

用相同的方法設(shè)計(jì)出另外的九個帶通濾波器，導(dǎo)出包含有濾波器參數(shù)的C語言頭文件,利用TI官方的庫函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器達(dá)到一定值后，讓壓縮后的數(shù)據(jù)經(jīng)過第一組的10個帶通濾波器，保留結(jié)果。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行1/2重采樣后，再次經(jīng)過設(shè)計(jì)的10個帶通濾波器。以此類推，共進(jìn)行10次重抽樣，每一次處理的數(shù)據(jù)量都是上一次數(shù)據(jù)量的1/2，記錄輸出結(jié)果。軟件中利用采樣數(shù)組的下標(biāo)i來控制進(jìn)入濾波器。第一次濾波時(shí)，采樣數(shù)據(jù)全部通過10個帶通濾波器；第二次下標(biāo)為i和2求余等于0的數(shù)通過這十個濾波器。第n次時(shí)，下標(biāo)為i和2n-1求余等于0的數(shù)通過這10個濾波器。

最后，利用RS485總線傳遞給上位機(jī)進(jìn)行輸出顯示。根據(jù)紗線行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，波譜圖橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為波長對應(yīng)的幅值，利用將所得到的頻率與幅值的關(guān)系轉(zhuǎn)化為波長與幅值的關(guān)系。同時(shí)由于分組后相鄰兩個濾波器波段長度是等比關(guān)系，因此選取波長的對數(shù)為橫坐標(biāo)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述對系統(tǒng)各模塊的分析，最終設(shè)計(jì)完成了基于DSP28335的條干均勻度儀波譜圖顯示系統(tǒng)。為檢測所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，用該系統(tǒng)檢測一管紗線得到波譜如圖7所示。

圖7 紗線波譜圖

由分析可知，紗線信號可視為幅值在一定范圍內(nèi)波動的隨機(jī)信號，不具有任何周期性特征。波譜圖上如果有某一波長的幅值相對比較突出，則說明該波長相對應(yīng)的機(jī)械設(shè)備部位有故障，需要對該部位進(jìn)行檢查維修。將實(shí)驗(yàn)獲取到的波譜圖與作為棉紡行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的烏斯特條干均勻度儀獲取到的波譜圖進(jìn)行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)在各個波段幅值基本相同，波形的輪廓也基本相似。相對于國內(nèi)條干均勻度儀產(chǎn)生的55個波段的波譜圖，110個波段能夠更精確、全面地反映出紗線的波譜結(jié)構(gòu)。同時(shí)為檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對同一批紗線進(jìn)行多次測量對比后，結(jié)果也基本一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的可行性。

6 結(jié)論

在紗線生產(chǎn)過程中，條干均勻度儀波譜圖通過檢測紗疵的周期性特征來確定機(jī)械設(shè)備的故障位置，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義。采用優(yōu)化算法后實(shí)現(xiàn)的波譜圖解決了硬件電路復(fù)雜和軟件計(jì)算量大的問題，采用110個帶通濾波器也提高了波譜圖顯示的精度和顯示范圍，更為全面地反映出紗線的特征。系統(tǒng)如果想提高波譜圖顯示的精度，可考慮增加濾波器的數(shù)目、重新分組或優(yōu)化濾波器參數(shù)等方法。這樣都能夠更精確快速地找到故障部位，但同時(shí)對濾波器的頻帶范圍和DSP的運(yùn)算速度有了更高的要求。該算法也可用于其他工業(yè)生產(chǎn)中，用來檢測類似工序中的故障部位。

[1] 李俊美, 謝經(jīng)明, 陳 冰, 等. 基于DSP的棉條信號波譜分析及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2012, 20 (3): 761-763,767.

[2] 蔡成濤, 鄭 佳,韓光照. 多段電容式鍋爐液位測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2016, 24(7): 35-38.

[3] 招惠玲, 周美娟, 胡遠(yuǎn)忠. 電容式液位測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 傳感器技術(shù), 2004, 23 (3): 40-41.

[4] Texas Instrument Corporation. TMS320F 28335 Digital Signal Controllers Data Manual[Z]. Texas Instrument Corporation, 2007.

[5] Johansson H. On the design of IIR bandpass filters with an adjustable bandwidth and centre frequency[J]. Circuits and Systems, 2004, 16 (1): 1-12.

[6] 宋毅珺, 宋耀良, 李文淵. 分?jǐn)?shù)階IIR和FIR濾波器及其逆系統(tǒng)的研究[J]. 電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2011 (06): 41-45.

[7] 胡廣書. 數(shù)字信號處理：理論、算法與實(shí)現(xiàn)(第三版)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[8] 王易煒, 張金鵬, 王 龍. 基于MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及其在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J]. 航空兵器, 2011(4): 43 -47.

[9] 謝海霞, 孫志雄. IIR濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)[J]. 電子器件, 2013(2): 194-196.

Realization of Spectro Graphic Algorithm of Strip Evenness

Li Zheng，Ma Jianwei

(College of Information Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471000, China)

The spectrogram of the dryness uniformity instrument can accurately reflect the periodic characteristics of the yarn defect, so that the position of the fault in the spinning process can be quickly determined. But how to quickly and accurately realize the spectrum is always the focus of the study. Based on the resampling theorem in digital signal processing, this paper analyzes the yarn signal generated by different mechanical faults, and improves the spectral algorithm of the uniformity of the strip. The algorithm builds 110 different wavelengths bandpass filter in the wavelength range that needs to be observed, according to the adjacent filter band relationship grouping analysis. Through the DSP28335 microprocessor data acquisition, signal processing and host computer spectrum display system experiments, the results prove the feasibility of the algorithm. The improved algorithm greatly reduces the complexity of the hardware used in the past, improves the operation speed and increases the observable range of the spectrum, and can detect the fault position more accurately.

spectro graphic; mechanical failure; bandpass filter

2017-02-15；

2017-03-03。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1504617)。

李 征(1991-)，男，河南省平頂山市人，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方向的研究。馬建偉(1965-)，男，河南鞏義人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事自動化測量、控制與組合導(dǎo)航方向的研究。

1671-4598(2017)08-0179-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.046

TN911.72

A