基于DSP的雞蛋裂紋多通道檢測(cè)系統(tǒng)

胥保文 孫 力 蔡健榮 戴其俊

XU Bao-wen SUN Li CAI Jian-rong DAI Qi-jun

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

(Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)

裂紋蛋極易受到致病微生物的污染而腐敗變質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)與處理，有利于保障食品質(zhì)量安全、減少經(jīng)濟(jì)損失。由于人工檢測(cè)雞蛋裂紋的效率低且準(zhǔn)確率受人為因素影響大，因此開發(fā)自動(dòng)化裂紋檢測(cè)技術(shù)是雞蛋商品化處理的必經(jīng)之路。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)禽蛋蛋殼裂紋的聲學(xué)特性檢測(cè)進(jìn)行了大量研究。潘磊慶等[1-3]建立了基于聲學(xué)特性的禽蛋裂紋檢測(cè)裝置，通過聲音信號(hào)分析提取特征參數(shù)，并對(duì)比不同判別模型的優(yōu)劣性，其研究重點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)處理與判別模型建立的方法，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少。丁幼春等[4-7]設(shè)計(jì)了一套基于微處理器的禽蛋裂紋敲擊檢測(cè)系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置敲擊效果穩(wěn)定，但未對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)際檢測(cè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本研究擬利用敲擊響應(yīng)聲學(xué)特性的方法對(duì)雞蛋蛋殼裂紋進(jìn)行快速無損檢測(cè)，為了準(zhǔn)確采集雞蛋敲擊響應(yīng)聲音信號(hào)，采用TMS320F28335作為系統(tǒng)核心處理器，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)棒的敲擊動(dòng)作控制和音頻信號(hào)實(shí)時(shí)采集，通過音頻編解碼芯片TLV320AIC23完成采集。

1 雞蛋裂紋檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

雞蛋裂紋檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 雞蛋裂紋檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

采用TMS320F28335為主處理器，控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)激勵(lì)棒敲擊雞蛋赤道附近位置，敲擊產(chǎn)生的聲音信號(hào)由麥克風(fēng)接收，通過TLV320AIC23音頻編解碼芯片送至DSP處理。激勵(lì)棒的質(zhì)量<5.6 g，材質(zhì)為尼龍，以避免雞蛋在檢測(cè)過程中二次損傷[8]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)硬件包括主處理器模塊、聲音信號(hào)采集模塊、電源模塊以及串口通信模塊等，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

硬件供電為+5 V直流穩(wěn)壓電源。由于TMS320F28335工作要求電壓有2種：1.9 V為內(nèi)核電壓、3.3 V為I/O口供電電壓，其對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高，需要高精度穩(wěn)壓芯片。

圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 電源模塊電路圖

設(shè)計(jì)了圖3所示電源模塊電路，由TPS54310型穩(wěn)壓芯片提供3.3 V電壓作為電路板主電源，TPS62040轉(zhuǎn)換芯片提供1.9 V給DSP內(nèi)核使用，電壓輸出誤差在1%以內(nèi)。電路輸出端接入一個(gè)47 μF的電容可有效改善瞬態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性[9]。

2.2 音頻接口設(shè)計(jì)

通過麥克風(fēng)和音頻Codec芯片完成雞蛋敲擊響應(yīng)信號(hào)采集。采用TI公司的TLV320AIC23型語音芯片，將駐極體電容麥克風(fēng)獲取的聲音信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。TLV320AIC23內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，且?guī)в型暾臄?shù)字濾波器，采用先進(jìn)的Σ-Δ過采樣技術(shù)，可以在8～96 kHz的采樣率下提供16，20，24，32 bit的采樣精度。當(dāng)ADC采樣頻率達(dá)到96 kHz時(shí)輸出信噪比為90 dB，能高保真采集雞蛋敲擊響應(yīng)聲音信號(hào)。

音頻接口電路圖如圖4所示。TLV320AIC23與TMS320F28335 DSP的接口包括2個(gè)部分：控制接口和數(shù)據(jù)接口?？刂瓶谕瓿蓪?duì)AIC23的控制部分功能，設(shè)計(jì)中將MODE引腳接地，將控制接口類型配置為2線制的I2C方式；數(shù)據(jù)口是實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)傳輸?shù)墓δ?，設(shè)置AIC23工作于DSP模式下。在VMID將0.1，10 μF電容并聯(lián)到VMID端子以實(shí)現(xiàn)濾除噪聲的作用。

圖4 音頻接口電路圖

蛋殼裂紋檢測(cè)時(shí)，只有在裂紋處或附近敲擊產(chǎn)生的聲音信號(hào)才與完好蛋存在顯著差異，因此同一枚雞蛋需要在不同位置多次敲擊，在輸送帶上并列安裝多個(gè)激勵(lì)棒，雞蛋向前滾動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置的敲擊，因此在每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)附近需安裝麥克風(fēng)。采用美信公司MAX4781型多路模擬開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)麥克風(fēng)輸出信號(hào)的順序采樣，圖5為8通道模擬開關(guān)電路圖。

圖5 8通道多路模擬開關(guān)電路圖

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

JTAG接口用于將程序燒寫到DSP內(nèi)部FLASH和仿真調(diào)試。為了方便信號(hào)分析，借助MATLAB的工具箱CCSLink實(shí)時(shí)讀取DSP數(shù)據(jù)寄存器中的聲音信號(hào)數(shù)據(jù)，在MATLAB環(huán)境中對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行處理與分析。CCSLink支持XDS510仿真器，其通信通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)。TMS320F28335內(nèi)置SCI串行通信模塊，SCI數(shù)據(jù)傳輸時(shí)為TTL電平，因此可以通過電平轉(zhuǎn)換芯片將其設(shè)計(jì)成RS232或RS485接口。RS485接口是基于平衡發(fā)送和差分接收的串行總線，具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力[10]。采用TI公司SN65HVD08型寬電源范圍的RS485收發(fā)器將SCI串口設(shè)計(jì)為RS485接口。串行通信接口電路如圖6所示。

2.4 外部中斷模塊設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)激勵(lì)棒完成對(duì)雞蛋的敲擊動(dòng)作，通過接近開關(guān)檢測(cè)激勵(lì)棒擊打時(shí)機(jī)，將接近開關(guān)(歐姆龍公司，E2E-X1C1型，24 V)的輸出信號(hào)通過TMS320F28335的外部中斷觸發(fā)對(duì)敲擊響應(yīng)聲音信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。激勵(lì)棒從起始位置到與雞蛋接觸瞬間，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度由系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)獲得。由于TMS320F28335的I/O口電平為3.3 V，需對(duì)接近開關(guān)的輸出信號(hào)電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了減小電路干擾，采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)隔離，選擇東芝半導(dǎo)體TPL521型光電耦合器，電路如圖7所示。

圖6 串行通信接口電路

圖7 光電耦合電路

3 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)雞蛋裂紋的檢測(cè)效果，對(duì)雞蛋進(jìn)行敲擊試驗(yàn)。試驗(yàn)樣本選自江蘇省鎮(zhèn)江市東郊農(nóng)場(chǎng)產(chǎn)后1～2 d的褐色殼完好雞蛋50枚。首先對(duì)完好蛋進(jìn)行敲擊試驗(yàn)，然后對(duì)完好蛋進(jìn)行人為地制造微裂紋并標(biāo)記出裂紋位置，將其作為裂紋雞蛋試驗(yàn)樣本。

試驗(yàn)中對(duì)完好蛋與裂紋蛋分別進(jìn)行敲擊。具體步驟為：步進(jìn)電機(jī)上安裝的編碼器獲取激勵(lì)棒擊打時(shí)機(jī)，連續(xù)采集敲擊響應(yīng)聲音信號(hào)4 ms，通過A/D轉(zhuǎn)換生成數(shù)字信號(hào)，利用Matlab軟件對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行處理，去除信號(hào)平坦部分，該部分信號(hào)尚未接收到擊打信息，當(dāng)信號(hào)發(fā)生劇烈震蕩時(shí)，保留其后2.5 ms信息，該部分信號(hào)為激勵(lì)棒擊打雞蛋并被第一次彈起的時(shí)間周期。完好蛋與裂紋蛋的敲擊響應(yīng)時(shí)域信號(hào)見圖8。從圖8中發(fā)現(xiàn)兩者差異不顯著。

將時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到聲音信號(hào)頻譜圖。從頻譜圖中發(fā)現(xiàn)，完好蛋敲擊響應(yīng)聲音信號(hào)的第二共振峰所對(duì)應(yīng)的頻率，集中出現(xiàn)在6 890 Hz周圍；而裂紋蛋的聲音信號(hào)第二共振峰無明顯規(guī)律性，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示。由圖9可見，完好蛋具有明顯的統(tǒng)計(jì)特征，而裂紋蛋無統(tǒng)計(jì)規(guī)律；部分裂紋蛋的第二共振峰落入完好蛋區(qū)間的主要原因是激勵(lì)棒的敲擊點(diǎn)正好落在裂紋蛋的蛋殼完好區(qū)域，導(dǎo)致音頻響應(yīng)信號(hào)與完好蛋相似，可采用增加敲擊密度的方法避免誤判問題發(fā)生；圖中部分完好蛋偏離第二共振峰特征區(qū)間，可能是蛋殼表面質(zhì)量不均勻或蛋殼剛度較差所致。

圖8 敲擊響應(yīng)聲音信號(hào)的時(shí)域信號(hào)

圖9 聲音信號(hào)頻譜第二共振峰對(duì)應(yīng)的頻率

4 總結(jié)

設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335的雞蛋裂紋在線檢測(cè)系統(tǒng)，采用TLV320AIC23語音芯片結(jié)合電容式麥克風(fēng)采集雞蛋敲擊響應(yīng)聲音信號(hào)，將硬件系統(tǒng)集成化。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能準(zhǔn)確控制敲擊時(shí)機(jī)，實(shí)時(shí)采集聲音信號(hào)。與現(xiàn)有研究相比，突破了理論研究到實(shí)際應(yīng)用的門檻。后續(xù)將對(duì)多通道信號(hào)進(jìn)行研究和比對(duì)，以消除機(jī)械制造誤差和環(huán)境噪聲帶來的干擾。