多通道木材無損檢測設備設計

彭杰，馮海林，方益明，李劍

(浙江農林大學 信息工程學院，杭州臨安，311300)

多通道木材無損檢測設備設計

彭杰，馮海林，方益明，李劍*

(浙江農林大學 信息工程學院，杭州臨安，311300)

目前木材無損檢測技術種類繁多，專業檢測設備研發卻相對乏力，普遍存在價格昂貴，安裝復雜，操作繁瑣，檢測效率低下等問題。基于此現狀，本研究主要運用CAN總線數據傳輸，源終點可調換和多通道串行檢測等方法，開發了可自動獲得應力波傳播速度矩陣的木材無損檢測設備。該設備具有結構簡單，操作方便，穩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，仍廣泛運用于生產生活。隨著森林資源減少，使用范圍擴大，木質資源如何科學、合理、高效利用日益凸顯，眾多學者對樹木及木質材料內部空洞和腐朽狀況進行了檢測分析的研究[1]。

傳統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、操作復雜、效率低下且穩定性與重現性不足，并有一定破壞性[2]。而木材無損檢測技術無需損壞木材原有特性即可實現內部檢測，因此受到廣泛關注，并迅速發展成為一門新興、綜合的檢測技術[3]。

目前，木材無損檢測技術主要有超聲波檢測，微波檢測，應力波檢測，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突出[6-7]，已研發一系列產品，廣泛運用于古建筑木材檢測、古樹名木保護、城市林業、木材加工等領域[8-10]。

但現有設備大多采用并行數據傳輸模式，只具備數據采集記錄功能[2]。普遍存在安裝復雜，操作繁瑣，數據分析繁瑣等缺陷，給檢測分析工作帶來了諸多不便[11]。本文提出采用CAN總線通信系統和源終點可調換方法，優化數據傳輸系統，簡化安裝操作流程，研發可自動獲取速度矩陣的高效率木材無損檢測設備。

1 關鍵技術研究與分析

1.1 基于CAN總線的數據傳輸系統

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

表1 CAN總線速度和傳播距離

現有設備受限于并行通信模式，多采用節點輪詢機制，串行通信系統可突破該限制，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，使設備在復雜而惡劣的野外環境性能穩定，表現優越。

此外，CAN總線具有無主從差異特性，是源終點可調換方法的物理基礎，也是本研究中多通道串行檢測設備實現的關鍵。

1.2 應力波在木材中的傳播分析

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

面對海量的數據和信息，新媒體要不斷培養高素質的采編人才，對信息的甄別和收集能力有較高的要求。新媒體培養復合型采編人才，一方面，善于組織語言，把握大數據時代受眾的心理變化；另一方面，善于借助大數據，從民眾的信息發布中獲取有效信息，核實并且深度挖掘后進行報道，提高信息采編效率。復合型采編人才要善于經營兩微一端的媒體公共關系，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]等研究發現應力波傳播速度除與受測木材類型有關，還與傳播截面的紋理角、裂痕、空洞和腐朽等情況有關，并且推導建立一系列數學模型。總體而言，應力波在木材中的傳播時間與內部腐朽等缺陷程度呈正相關。

如圖1所示，木材受小錘敲擊，產生應力波信號，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檢測到應力波信號。分別在敲擊點與檢測點安裝計數器，可得到應力波在源點與終點間的傳播時間，結合彈性模量、二維成像等分析模型即可實現木材內部檢測。

1.3 多通道應力檢測原理及應力波速度矩陣

多通道檢測技術是指運用多個具有相同檢測功能和結構特性的模塊，構成多組信號檢測通道，以實現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檢測木材截面不同部位的同源應力波信號。各部位檢測到應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力波信號傳播通道。因此，若設備裝載有x個傳感器，則信號通道數y等于x的自由組合數，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

結合源終點可調換方法，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)個速度數據，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果及信號源終點等信息，數據提取、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 軟硬件設計

為有效改善分散并行數據傳輸模式抗干擾性弱、接線復雜等問題，本系統采用了CAN總線數據傳輸模式。并以此為基礎，結合多通道串行檢測與源終點可調換方法，即各傳感器輪流充當信號源點，產生應力波信號，由其余充當信號終點的傳感器檢測應力波信號，以實現便捷、高效的木材無損檢測。分散并行線數據傳輸系統與CAN總線數據傳輸系統模型如圖3所示。

圖3 數據傳輸系統模型對比圖Fig.3 The comparative diagram of data transmission system model

2.1 硬件設計

如圖4所示，木材無損檢測設備由主機、傳感器和CAN通訊三部分組成。其中，主機是部件控制、人機交互應答和數據處理中心，傳感器是應力波信號檢測和數字化處理終端。CAN通訊系統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、控制模塊和數據存儲模塊組成。其中，顯示模塊采用了ATK-7′TFTLCD電容觸摸液晶屏，配合按鍵、旋鈕等控件實現參數設置和命令操作等，共同構成人機交互基礎。無線通訊模塊則采用GPRS，是中央處理器與上位機數據傳輸的橋梁，完成數據的最終匯集，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成，將應力波信號轉變為電信號，并進行濾波、放大、單極性轉化和電壓比較操作，使之轉化為可供傳感器控制單元(STM8S208C6T6單片機)捕捉、處理、傳輸的數字信號。

如圖5所示，CAN通訊系統由CAN總線及其13個通信結點組成。每個通信結點又由CAN收發器、CAN控制器和ID標識電路構成。CAN通訊系統中所有通信結點均可占有主控地位，結合源終點可調換方法即構成了多通道串行檢測的硬件基礎。

CAN收發器為TJA1050型，用于CAN控制器二進制數據與CAN總線差分信號的相互轉化。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控制器為單片機內置部件，由發送郵箱Tx_Mailboxes、接收過濾器Acceptance Filters、接收郵箱Receive FIFO及狀態的模塊構成。可儲存、自動收發、重發及過濾報文。

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的關鍵。其功能模型可簡化為一個4位撥碼開關，通過不同撥碼序列為各通信結點設定ID。ID即是通信結點的地址，又是是否接收報文的判斷依據，還是兩個或多個結點同時發送報文時，優先占用CAN總線的依據。此處，ID標識電路的應用使得各傳感器與指定ID始終一一對應，而不受系統重啟、復位或主控結點變化的影響。根據ID標識電路，中央處理器實現信號源終點的判斷、數據的分類保存。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以進行ID標識的。

2.2 軟件設計

系統程序總流程如圖6所示。設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、數據存儲、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初始化和CAN通訊系統配置初始化。

初始化完成，即進行檢測傳感器數量設定，該設置直接影響檢測效果。傳感器數目根據木材胸徑大小設定，與檢測準確度呈正相關。同時，隨傳感器數目增加，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 系統流程圖Fig.6 System flowchart

主機通過CAN通信系統，采用0.5 Mbit/s的高速傳輸模式，以廣播發送命令各傳感器打開應力波信號產生與檢測功能，開啟各傳感器內部循環計時器。對傳感器尾部物理敲擊產生應力波，通過傳感器檢測電路檢測應力波。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力波在木材中的傳播時間，保證檢測結果可靠。

檢測階段，主機依次接收各傳感器檢測數據，進行初步處理確認后保存并上傳。信號源點在信號產生瞬間向主控單元處理器發送內部計時器數值t0(即tx1)，各信號終點檢測到信號瞬間停止計時，發送計時數值tx(即tx2)。根據公式(2)可得各傳播通道速度數據v(x1,x2)，保存于速度矩陣對應位置，通過液晶予以顯示。之后設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。所有檢測數據可通過移動儲存設備保存或通過無線傳輸功能直接發送給上位機以備進一步的分析處理。

本系統軟件實現的核心是CAN通訊與源終點可互換方法的結合。如圖7所示，待CAN總線完成初始化，各節點隨即進行ID識別，并在接收到應力波信號產生與檢測功能開放命令的同時，同步開啟控制器內部計時器。此后，任意傳感器(若為A傳感器)受敲擊產生應力波信號，即停止(A傳感器)控制器內部計時器，先占用CAN總線，保證源點數據最先到中央處理器。此后各傳感器陸續接收到應力波信號，停止計時、計數、發送數據，直到所有傳感器均完成信號檢測。當第一輪檢測及數據傳輸完成后除A外的其余傳感器信號產生功能被允許，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檢測和數據傳輸與保存。

圖7 源終點互換的數據捕獲和傳輸方法Fig.7 Method of data acquisition and transmission based on source end exchange

3 結論與建議

本研究建立在機械應力波木材無損檢測技術 基礎上，采用CAN通信系統，結合多通道串行檢測與源終點可調換方法，設計了多通道木材無損檢測設備。

本設備采用CAN串型通信方式，具有安裝簡潔，數據傳輸迅速和安全等特點。運用源終點調換方法，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據，實現小數據量中記錄多種檢測信息，對后續分析十分有利。

該設備系統穩定性與便攜性突出，適應多種復雜環境作業，滿足林業單位和木材企業對林木保護和木材品質檢測的普遍需求。為國家木質資源檢測、監管以督促林業資源得到合理運用提供了新的手段和平臺。

[1]顧杰，顧忠盈，朱光耀，等.我國進口木材需求及數量變化分析[J].廣州農業科技，2009(10)：199-202.

[2]馮國紅，王立海，楊慧敏，等.應力波木材無損檢測信號采集系統[J].森林工程，2008，24(2)：22-24.

[3]孫海波.談木材檢驗發展趨勢[J].民營科技，2013(11)：36.

[4]姜忠華，申世杰，翟志文，等.木材無損檢測的現狀與發展趨勢[J].林業機械與木工設備，2010，38(2)：4-7.

[5]楊洋，申世杰.木材無損檢測技術研究歷史、現狀和展望[J].科技導報，2010，28(14)：113-117.

[6]李光輝，尹建新.基于應力波的木材無損檢測技術研究進展[C].先進制造技術高層論壇暨第六屆制造業自動化與信息化技術研討會，2007：189-193.

[7]管眴，趙茂程，王正.基于應力波技術測試木材材質的研究進展[J].林業機械與木工設備，2013，41(2)：15-17.

[8]尚大軍，段新芳，楊中平.應力波無損檢測技術及其在木結構古建筑保護中的應用[J].世界林業研究，2008，21(2)：44-48.

[9]Garcia R A，Carvalho A M D，Matos J L M D，et al.Nondestructive evaluation of heat-treated Eucalyptus grandis，Hill ex Maiden wood using stress wave method[J].Wood Science and Technology，2012，46(1)：41-52.

[10]李華，石志敏，張曉芳，等.無損檢測技術在故宮古建筑木結構材質勘查中的應用[C].中國紫禁城學會論文集(第六輯下)，2007：613-622.

[11]Fang Y，Feng H，Li J，et al.A DSP based stress wave instrument for wood decay detection[J].International Journal of Digital Content Technology and Its Applications，2011，5(8)：415-422.

[12]林新榮.CAN總線與RS-422A通信適配器的設計與實現及抗干擾分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.

[13]考爾斯基.固體中的應力波[M].王仁，譯.北京：科學出版社，1958.

[14]Bulleit W M，Falk R H.Modeling stress wave passage times in wood utility poles[J].Wood science and technology，1985，19(2)：183-191.

[15]Ross R J，Pellerin R F.NDE of wood-based composites with longitudinal stress waves[J].Forest Products Journal，1988，38(5)：39-45.

[16]楊學春，王立海.應力波在原木中傳播理論的研究[J].林業科學，2005，41(5)：132-138.

[17]Li G，Wang X，Feng H，et al.Analysis of wave velocity patterns in black cherry trees and its effect on internal decay detection[J].Computers and Electronics in Agriculture，2014，104(2)：32-39.

[18]馮海林，李光輝，方益民，等.應力波傳播模型及其在木材檢測中的應用[J].系統仿真學報，2010，22(6)：1490-1493.

[19]王立海，徐華東，閆在興，等.傳感器的數量與分布對應力波檢測原木缺陷效果的影響[J].林業科學，2008，44(5)：115-121.

[20]劉豐祿，張厚江，姜芳，等.人工林活立木材質應力波無損檢測研究進展[J].林業機械與木工設備，2015，43(3)：8-12.

Multi-channel Wood Nondestructive Testing Equipment Design

Peng Jie，Feng Hailin，Fang 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。

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備設計[J].森林工程，2017，33(1)：47-51.

S 781

A

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