基于DSP+CPLD的高性能金屬磁記憶檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)

0引言

金屬磁記憶檢測技術(shù)自提出后一直具有良好的應(yīng)用前景，但其理論研究的不足是制約該技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的一大瓶頸，現(xiàn)有的理論研究認(rèn)為，鐵磁材料結(jié)構(gòu)表層的隱性缺陷會產(chǎn)生法向磁場分量過零值點，使得切向磁場分量取最大值。據(jù)此市場上一些檢測儀就是以法向磁場分量過零值點來判斷鐵磁材料應(yīng)力集中區(qū)域?，F(xiàn)今，國內(nèi)外一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上做更多的研究，有一部分學(xué)者，通過測量磁場信號，得到了磁場梯度，根據(jù)磁場梯度來判斷磁記憶損傷程度;另有一些學(xué)者，通過小波變換對采集的磁場信號進(jìn)行抑制細(xì)節(jié)系數(shù)、小波指數(shù)下降消噪等多種方法的分析處理，利用多種特征量對應(yīng)力集中進(jìn)行定性和定量的綜合判斷，來提高對鐵磁性金屬構(gòu)件疲勞損傷的識別率。

總之，這些方法都是在測量到鐵磁材料漏磁信號的基礎(chǔ)上建立的，本文設(shè)計的金屬磁記憶檢測儀是以DSP和CPLD為核心的嵌入式設(shè)備檢測系統(tǒng)，由于DSP藝芯片處理速度快，能對實時采集數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理，但DSP芯片資源、接口都有限，與外設(shè)的配合常常面臨接口復(fù)用、時序配合等要求。為減少DSP因?qū)ζ饽K進(jìn)行控制、通信等所帶來的時間開銷，高效發(fā)揮DSP的數(shù)據(jù)處理能力，本文實現(xiàn)了一種基于 CPLD的外圍控制樞紐，協(xié)助DSP芯片完成外設(shè)的邏輯控制和時序協(xié)調(diào)，保證了DSP芯片的數(shù)據(jù)處理速度。

1硬件接口設(shè)計

系統(tǒng)中DSP采用的是TI公司的TMS320F28335處理器，CPLD采用的是ALTERA公司的 EPM570，傳感器選用的是HONEYWELL公司的HMC1052磁阻傳感器，液晶顯示屏選用的是深圳旭升達(dá)電子廠生產(chǎn)的HW480272F-0L- 0A型號TFT液晶顯示屏。

系統(tǒng)整體實現(xiàn)流程為：傳感器采集鐵磁性零件表面的磁記憶信號，DSP通過內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換器，對傳感器的信號進(jìn)行快速采集、高速處理、提取特征信號后，DSP通過總線方式將信號傳給CPLD，CPLD將波形顯示信號存入顯存SRAM中，然后再將SRAM中存儲的 TFT顯示屏的一幀波形數(shù)據(jù)在TFT屏上用波形顯示，因此一旦屏上波形出現(xiàn)過零點，即可判斷此處存在應(yīng)力集中。為了方便系統(tǒng)的人機(jī)交流，系統(tǒng)中增加了按鍵和蜂鳴器，按鍵負(fù)責(zé)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，當(dāng)檢測到應(yīng)力集中區(qū)域時，蜂鳴器負(fù)責(zé)報警。圖1為檢測儀的硬件結(jié)構(gòu)圖。

1.1HMC1052磁阻傳感器

磁阻傳感器HMC1052是一個雙軸線性磁傳感器，每個傳感器有一個由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋。當(dāng)加上供電電壓，傳感器將磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓輸出，通過一個儀用放大器即可將信號電壓放大到AD采樣電壓量程范圍。HMC1052的磁場測量范圍是±6gauss，靈敏度是1.0mV/V/gauss。當(dāng)5V 電壓供橋時，傳感器滿量程輸出電壓范圍±30mV，DSP自帶內(nèi)部AD量程為0～3V，因此將儀用放大器參考電壓設(shè)定為1.5V，放大倍數(shù)設(shè)置成50倍，即可達(dá)到AD滿量程。利用磁原理，傳感器HMC1052測量工件表面散射磁場法向分量Hp(y)沿坐標(biāo)X-Y分量，通過計算、誤差校正，由公式：Hp=√X2+Y2即可得到Hp(y)值。Hp(y)符號與測量基準(zhǔn)方向Y的符號相同。圖2為HMC1052傳感器單軸調(diào)理電路，另一軸調(diào)理電路與圖 2相似。

磁阻傳感器在制造過程中，選定沿著薄膜長度方向為軸，當(dāng)玻膜合金薄膜受到強(qiáng)磁場干擾時(大于20gauss)薄膜磁化極性會受到破壞，需要對傳感器施加一個瞬態(tài)強(qiáng)磁場來恢復(fù)或保持傳感器特性，這個過程只要DSP提供一個置位或復(fù)位脈沖CLOCK信號即可。圖3為單時鐘復(fù)位電路，其中CLOCK接DSP的一個 GPIO口，S/R-接HMC1052的8腳，相應(yīng)HMC1052的第六腳接地。

1.2DSP與CPLD及相關(guān)外設(shè)通信

隨著DSP芯片的工作時鐘越來越高，指令的執(zhí)行周期越來越短，而掛接在系統(tǒng)上的外設(shè)，如：按鍵、顯示屏、蜂鳴器等，速度各不相同，且均相對DSP來說，速度較慢，DSP如果直接對這些片外模塊進(jìn)行控制，將會帶來很大的時間開銷。在本系統(tǒng)中，DSP對外設(shè)的控制經(jīng)常需要用到種類較多的門電路、譯碼電路、時序電路等，為了節(jié)約PCB板的面積，增加系統(tǒng)設(shè)計的靈活性、可靠性，采用CPLD實現(xiàn)DSP的外圍電路控制，能充分地利用CPLD中的資源，減少軟件編程的復(fù)雜度，提高DSP的執(zhí)行速度。這樣，DSP對每一個外設(shè)都分配一個地址，CPLD通過DSP傳過來的地址線、控制線和數(shù)據(jù)線來進(jìn)行對相應(yīng)外設(shè)的控制。對于按鍵類型的外設(shè)，當(dāng)按鍵按下后，首先CPLD對按鍵進(jìn)行消抖，CPLD得到按鍵值后，再通過中斷通知DSP，DSP再通過總線來讀取按鍵值。

TMS320F28335 通過四位地址總線(XA[11：8])、數(shù)據(jù)總線(XD[11：0])、外部讀寫使能信號(RD、WR)、片選信號(CS)及I/O中斷信號與CPLD相連，由這些信號連線完成DSP對CPLD內(nèi)的相關(guān)寄存器或I/O的讀寫操作。掛接在CPLD上的所有外設(shè)DSP都可以通過地址線XA[8：11]來分配一個對應(yīng)的地址，當(dāng)在DSP中執(zhí)行寫指令：*(0x0400)=0x001時，地址總線XA[11：8]=0100B，數(shù)據(jù)線 XD[11：0]=0x001，同時控制線中CS、WR為低電平，RD為高電平，CPLD接收到總線電平后，進(jìn)行地址鎖存、數(shù)據(jù)譯碼等操作，即可對相應(yīng)地址上分配的外設(shè)進(jìn)行控制。CPLD與DSP的連接關(guān)系如圖4所示。

1.3TFT真彩液晶屏

液晶屏分辨率為272×480，尺寸為4.3英寸。顯示色彩為16位，RGB各占6位、5位、6位，采用3.3V電壓供電。CPLD上外掛一片 16×256kB的SRAM作為顯示屏的顯存，存儲一幀屏顯的數(shù)據(jù)。CPLD將DSP總線上傳來的數(shù)據(jù)，先存入顯存，然后再從顯存中讀取出來，配合液晶屏驅(qū)動時序，在液晶屏上將波形顯示出來。圖5為液晶控制圖。

2軟件設(shè)計

本儀器所實現(xiàn)的主要功能有：漏磁信號采集處理、信號波形液晶顯示、聲音報警和按鍵功能設(shè)定。其中信號采集由DSP內(nèi)部AD中斷完成，只需要設(shè)置好相關(guān)寄存器即可。由于波形顯示和聲音報警是直接由DSP通過總線將命令發(fā)送到CPLD;而按鍵功能設(shè)定是：當(dāng)按鍵按下后由CPLD通過中斷來通知DSP，然后DSP 通過總線讀取按鍵值，根據(jù)這些功能畫出如圖6、7的系統(tǒng)軟件流程圖，分別表示兩塊CPU各自內(nèi)部程序流程。圖6為信號波形顯示和聲音報警軟件設(shè)計流程圖，圖7為按鍵功能設(shè)定流程圖。

3總結(jié)

金屬磁記憶作為一項新的無損檢測技術(shù)，已在石油化工管道、發(fā)電站汽輪機(jī)、工程機(jī)械裝備等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，采用DSP和CPLD組合設(shè)計的檢測儀，不僅能保證高速的信號采集處理，而且利用了CPLD內(nèi)部的硬件資源，大大簡化了DSP訪問外設(shè)時的時間開銷，提高整個系統(tǒng)的執(zhí)行速度。同時，CPLD預(yù)留了一定擴(kuò)展接口，方便今后系統(tǒng)更新和升級。