基于DSP的巴克豪森便攜式應力檢測系統的開發

王 平，朱曉雪，田貴云，2，張越兵，任紫鋒

（1.南京航空航天大學 自動化學院，南京 210016；2.Newcastle大學 電子電力與計算機工程學院，英國紐卡斯爾NE17RU）

隨著鐵路客車密度、載重量和速度的不斷提高，軌道故障逐漸增多。原因有以下兩點：一是鋼軌受到車輪的擠壓，內部會產生局部的應力集中或松弛，產生裂紋，最終導致斷軌。二是鋼軌常年暴露在外，隨溫度變化而發生膨脹或收縮。當達到一定溫度時，鋼軌承受的應力過大，就會發生脹軌跑道，造成交通事故。因此，檢測鋼軌應力有著十分重要的實用價值。

目前檢測應力的方法有磁巴克豪森噪聲法、金屬磁記憶法、漏磁法、渦流檢測法、X射線法、電阻應變片法和盲孔法等等。綜合比較它們的原理、適用范圍及各自的優缺點，巴克豪森噪聲檢測技術以其快捷、方便、成熟，在鐵磁材料的應力檢測中有著較大優勢。它基于鐵磁性材料在磁化的過程中發生磁疇翻轉這一微觀理論而進行測量，通過鐵磁材料表面放置的檢測線圈提取磁巴克豪森噪聲（MBN）信號［1－5］，來檢測鐵軌的應力。

筆者設計的巴克豪森便攜式應力檢測設備的整體系統是由激勵磁化電路、傳感器、信號處理電路、AD轉換電路、DSP數字信號處理器、ARM嵌入式處理器、電源模塊等組成。該設備在巴克豪森原理的基礎上充分考慮便攜式輕小方便，故盡量選擇小的激勵線圈和接收線圈，低功耗的硬件設備，避免了已有檢測設備體積龐大，使用不方便等缺點。

1 巴克豪森應力檢測的原理

1.1 MBN檢測原理

磁場中的物質由于受磁場的作用而表現出一定的磁性，這種現象就稱之為磁化（如圖1所示）。根據磁化率的大小和符號的不同，將物質的磁性分為抗磁性、順磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性和鐵磁性五種。物質內部由于自身的力量，所有原子磁矩都朝一個方向排列的小區域稱為磁疇。鐵磁體內部有磁場能、退磁場能、交換能、磁各向異性能和熱彈性能這五種相互作用的能量。同一磁疇內的原子自旋矢量方向相同，而不同磁疇的自旋矢量方向不一定相同。分割相鄰磁疇的邊界稱為磁疇壁。對于立方晶體，根據磁疇壁兩邊磁疇內磁化矢量間的夾角，可將磁疇壁分為90°疇壁和180°疇壁［6］。

圖1 磁化過程

巴克豪森效應是德國Dresden大學巴克豪森（Barkhausen）教授于1919年發現的。眾所周知，鐵磁性材料內部存在著許多微小的不同取向的磁疇。在無外界因素作用下，每個磁疇沿其易極化的結晶方向取向，其總體磁化效果為零，對外不顯磁性。當有外加交變磁場或應力作用時，磁疇沿其作用方向發生90°或180°反轉或磁疇壁移動，導致磁疇呈現一定規則的取向，這種磁疇變化過程使材料內部產生一系列突變、階躍式的跳躍脈沖信號，即巴克豪森信號。這種磁化過程中的跳躍現象稱為巴克豪森效應，每次巴克豪森跳躍會在鐵磁材料表面的探測線圈中接收到一定功率譜分布的微弱電信號噪聲，稱為巴克豪森噪聲（MBN）［7－8］。

磁化曲線表征的是鐵磁物質在外磁場的作用下所具有的磁化規律，在外磁場的作用下鐵磁性材料會發生磁化，當達到飽和之后，去掉外加磁場，鐵磁質的磁化狀態并不恢復到原來的狀態，當磁化場在正負兩個方向上往復變化時，介質的磁化過程經歷著一個循環的過程，從而形成了磁滯回線［7］。MBN信號出現在磁滯回線的最陡階段（如圖2所示），以電壓的形式產生一種脈沖噪聲。

圖2 磁滯回線與MBN信號

1.2 提取巴克豪森應力檢測的特征值［9］

通常提取巴克豪森信號的平均值、均方根、包絡線、振鈴數、峰寬比這五種特征值來反映巴克豪森信號應力和微觀組織結構的關系，從而對材料受應力的情況和疲勞損傷的程度作出估計。

（1）平均值：一個磁化周期中所有MBN信號被濾波后所形成包絡線的幅值電壓。

（2）均方根：噪聲的強度通常采用均方根值來表示，即表征的是噪聲的能量。

（3）包絡線：指激勵信號上升周期或下降周期內一個MBN信號的輪廓［5］。

（4）振鈴數：在一個達飽和磁化的周期中產生的幅值大于某一閾值的振鈴個數，其值與閾值大小有關。

（5）峰寬比：包絡線峰值與半高全寬之比簡稱為峰寬比。

2 DSP TMS320C6747數字信號處理器

2.1 DSP的整體介紹

DSP也稱數字信號處理器，是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現各種數字信號處理算法。眾所周知，美國德州儀器（Texas Instruments，TI）TI公司生產的TMS320系列DSP芯片廣泛應用于各個領域。TI主要的系列產品有：面向數字控制、運動控制的TMS320C2000系列；適于低功耗、手持設備、無線終端應用的TMS320C5000系列；面向高性能、多功能、復雜應用領域的TMS320C6000系列；面向移動上網設備和多媒體家電的OMAP系列；面向升級可編程的達芬奇平臺系列等。

基于充分考慮DSP的運算速度、運算精度、字長、存儲器等片內硬件，資源功耗與電源管理等因素，選用浮點型的TMS320C6747型號的DSP，利用Code Composer Studio 4.1.2的軟件開發環境。

2.2 TMS320C6747DSP芯片的主要性能指標

TMS320C6747芯片的主要性能指標如下：

·主頻300MHz，每秒可執行2400百萬條定點指令，或執行1800百萬條浮點指令。

·低功耗DSP，1.2V的核電壓、3.3V的IO電壓，適用于工業控制。

·采用兩級緩沖存儲器結構64kB的L1和256kB的L2。

·支持8／16／32／64位數據格式。

·片內SHARERAM 128k。

·USB1.1和USB2.0接口。

·3路增強型PWM，3路增強型CAP，2路增強型QEP。

·3個多通道串行端口。

·10M／100M的太網口。

3 基于DSP應力檢測的硬件平臺［10－11］

3.1 硬件框圖

硬件框圖見圖3。

圖3 基于DSP的MBN應力檢測系統

3.2 激勵信號的發生電路

交變的電壓會產生交變的磁場，放在磁場中的鋼鐵材料就會被磁化，從而引起磁疇變化產生MBN信號。ARM通過串口向DSP發送產生DA正弦波激勵的幅值、頻率的數據，DSP通過總線訪問DAC7724芯片，控制DA電路的輸出。DAC7724是一款12位精度、－10～＋10V或0～＋10可選的4通道輸出的DA。

由于DAC7724信號輸出功率很小，基本上沒有帶負載的能力，需要設計合適的功率放大電路，將正弦波放大到足夠驅動激勵線圈。LM3886芯片采用電壓負反饋方式，很好地改善功放電路的頻率特性，降低非線性失真，保護功能齊全。

3.3 磁化器和檢測線圈的設計

在鋼軌的應力檢測中，MBN信號產生的效果直接受到磁化器產生的外磁場的頻率和強度的影響。磁化線圈和磁軛組成磁化器，選用直徑為0.21mm的磁化線圈，體積為40.78mm×10.80mm×28.94mm的U型磁軛。

檢測線圈包括骨架、磁芯和纏繞的漆包線。骨架尺寸為5mm×15mm，磁芯尺寸也是5mm×15mm，漆包線為φ0.07mm，圈數為5000。

3.4 信號調理電路

MBN信號僅是毫伏級的微弱信號，頻帶寬度較大，選用低噪聲，低失調電壓，低溫漂，低功耗，高精度的AD620實現足夠的放大，考慮到便攜式設備，盡量減小體積，AD620采用貼片SOIC封裝。

3.5 數據采集

根據MBN信號的特點，充分考慮A／D轉換器的轉換時間、轉換速率、分辨率和轉換精度等，選用6輸入通道，16位精度的AD7656。AD7656采用雙極性模擬輸入，可選輸入范圍為士10V或士5V，低功耗740mW（250kSPS，5V電源），待機模式時最大為375nW，高速并行、串行和菊花鏈接口模式。

3.6 DSP數據存儲及處理

3.6.1 外擴 NANDFLASH

為了能夠有足夠的存儲容量，較快的改寫速度，選擇外擴K9XXG08UXA 512M×8Bit NAND Flash內存 ，需求的供電電源－2.70～3.60V，將外擴的FLASH映射在DSP EMIFA的CS3空間。

3.6.2 外擴 RAM

為了減小誤差，精確地得到巴克豪森信號，需要采集存儲超大量的MBN信號并對其信號進行處理等。選用兩片HY57V561620（L）T 4Banks×4M×16Bit Synchronous DRAM存儲器，空間是512 MB，映射在DSP EMIFB空間，此芯片需求的供電電源為（3.3±0.3）V。

3.7 DSP與ARM的串口通信

在TMSC6747的DSP芯片上有三個UART串口，而且串口通信使用簡單，僅需三條線：地線、發送線、接收線。在硬件上只需將DSP與ARM的串口相連即可實現通信。

3.8 電源模塊

5V，2000mA的供電電源經過兩片外部調整的TPS54331電源芯片提供3.3，1.2V的電壓，其中3.3V為 TMS320C6747的IO供電，1.2V 為TMS320C6747的核供電。5V輸入經過DC－DC模塊輸出±15V可以為DA模塊供電，±15V經過兩片高精度AD587可以提供±10V的參考電壓。±15V經MC7912AC可產生±12V為AD模塊供電，再經過78M05芯片可提供5.0V的模擬參考電壓。

4 基于DSP的應力檢測的軟件實現

基于DSP的應力檢測的軟件流程圖見圖2。

圖4 DSP軟件流程圖

4.1 DSP與ARM的串口通信

DSP與ARM之間的串行通信波特率設置為9600bps，數據格式為：1個起始位，8個數據位，1個停止位，無奇偶校驗。

為了盡量保證DSP與ARM串口通訊的正確性，減少干擾造成的誤差，制定串口通信的幀格式，幀頭0×55，0×55、長度、命令字、幀內容、CRC校驗碼形成的完整幀數據。DSP將串口中斷接收的數據根據幀格式進行解析，接收正確則執行相應的操作，否則丟棄該幀數據。

DSP的程序在初始化結束后，進入while（1）循環，等待ARM發送的命令。若串口中斷接收到數據，按照幀格式解析命令并執行，并向ARM發送應答命令后等待再次讀取命令。

4.2 DA正弦波激勵信號的產生和停止

若解析ARM發送的串口命令是產生DA正弦波激勵，根據正弦波幅值、頻率的相應要求設置參數，打開定時器0，定時的把DSP送給DA的數據鎖存到DA的輸出寄存器里進行輸出。若解析到命令是停止產生DA正弦波激勵信號，則關閉定時器0即可。

4.3 AD采樣MBN信號和激勵信號

若解析到ARM發送的串口命令是開始AD采樣，則設置定時器1的周期為5μs，即采樣頻率為200kHz。打開定時器1開始采樣，一路采集DA激勵信號，一路采集MBN信號，將采樣的數值放在外擴的SDRAM里。當收到停止采樣的命令幀時，關閉定時器1，停止AD采樣。

4.4 DSP信號存儲及處理

將采樣得到的激勵信號數據經過平滑濾波，MBN信號經過帶通濾波，求出MBN信號的五個特征值：均方根、平均值、振鈴數、包絡線、峰寬比，經過BP神經網絡得出應力值，通過串口傳給ARM進行顯示。

5 結論

設計了一套基于DSP和ARM相結合的便攜式設備，該設備具有強大的運算能力，較強的控制能力，友好的人機交互界面，輕小便攜，操作方便，功耗低節能，結合成熟的巴克豪森應力檢測技術理論，該設備在應力檢測中占有很大的優勢。

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