基于DSP的雞蛋裂紋多通道檢測系統

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，江蘇 鎮江 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，對其進行及時檢測與處理，有利于保障食品質量安全、減少經濟損失。由于人工檢測雞蛋裂紋的效率低且準確率受人為因素影響大，因此開發自動化裂紋檢測技術是雞蛋商品化處理的必經之路。為此，國內外學者對禽蛋蛋殼裂紋的聲學特性檢測進行了大量研究。潘磊慶等[1-3]建立了基于聲學特性的禽蛋裂紋檢測裝置，通過聲音信號分析提取特征參數，并對比不同判別模型的優劣性，其研究重點是數字信號處理與判別模型建立的方法，對檢測系統軟硬件設計的研究相對較少。丁幼春等[4-7]設計了一套基于微處理器的禽蛋裂紋敲擊檢測系統，試驗裝置敲擊效果穩定，但未對所設計系統實際檢測效果進行評價。

本研究擬利用敲擊響應聲學特性的方法對雞蛋蛋殼裂紋進行快速無損檢測，為了準確采集雞蛋敲擊響應聲音信號，采用TMS320F28335作為系統核心處理器，實現激勵棒的敲擊動作控制和音頻信號實時采集，通過音頻編解碼芯片TLV320AIC23完成采集。

1 雞蛋裂紋檢測系統總體設計

雞蛋裂紋檢測系統原理框圖如圖1所示。

圖1 雞蛋裂紋檢測系統原理框圖

采用TMS320F28335為主處理器，控制步進電機帶動激勵棒敲擊雞蛋赤道附近位置，敲擊產生的聲音信號由麥克風接收，通過TLV320AIC23音頻編解碼芯片送至DSP處理。激勵棒的質量<5.6 g，材質為尼龍，以避免雞蛋在檢測過程中二次損傷[8]。

2 系統硬件電路設計

檢測系統硬件包括主處理器模塊、聲音信號采集模塊、電源模塊以及串口通信模塊等，結構框圖如圖2所示，實物如圖3所示。

2.1 電源模塊設計

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

圖2 系統的硬件結構框圖

圖3 電源模塊電路圖

設計了圖3所示電源模塊電路，由TPS54310型穩壓芯片提供3.3 V電壓作為電路板主電源，TPS62040轉換芯片提供1.9 V給DSP內核使用，電壓輸出誤差在1%以內。電路輸出端接入一個47 μF的電容可有效改善瞬態響應速度和穩定性[9]。

2.2 音頻接口設計

通過麥克風和音頻Codec芯片完成雞蛋敲擊響應信號采集。采用TI公司的TLV320AIC23型語音芯片，將駐極體電容麥克風獲取的聲音信號通過A/D轉換成數字信號。TLV320AIC23內部集成了模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)，且帶有完整的數字濾波器，采用先進的Σ-Δ過采樣技術，可以在8～96 kHz的采樣率下提供16，20，24，32 bit的采樣精度。當ADC采樣頻率達到96 kHz時輸出信噪比為90 dB，能高保真采集雞蛋敲擊響應聲音信號。

音頻接口電路圖如圖4所示。TLV320AIC23與TMS320F28335 DSP的接口包括2個部分：控制接口和數據接口。控制口完成對AIC23的控制部分功能，設計中將MODE引腳接地，將控制接口類型配置為2線制的I2C方式；數據口是實現聲音信號傳輸的功能，設置AIC23工作于DSP模式下。在VMID將0.1，10 μF電容并聯到VMID端子以實現濾除噪聲的作用。

圖4 音頻接口電路圖

蛋殼裂紋檢測時，只有在裂紋處或附近敲擊產生的聲音信號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激勵棒，雞蛋向前滾動時實現對不同位置的敲擊，因此在每個激勵點附近需安裝麥克風。采用美信公司MAX4781型多路模擬開關，實現對多個麥克風輸出信號的順序采樣，圖5為8通道模擬開關電路圖。

圖5 8通道多路模擬開關電路圖

2.3 通信模塊設計

JTAG接口用于將程序燒寫到DSP內部FLASH和仿真調試。為了方便信號分析，借助MATLAB的工具箱CCSLink實時讀取DSP數據寄存器中的聲音信號數據，在MATLAB環境中對聲音信號進行處理與分析。CCSLink支持XDS510仿真器，其通信通過JTAG接口實現。TMS320F28335內置SCI串行通信模塊，SCI數據傳輸時為TTL電平，因此可以通過電平轉換芯片將其設計成RS232或RS485接口。RS485接口是基于平衡發送和差分接收的串行總線，具有很強的抗共模干擾能力[10]。采用TI公司SN65HVD08型寬電源范圍的RS485收發器將SCI串口設計為RS485接口。串行通信接口電路如圖6所示。

2.4 外部中斷模塊設計

步進電機帶動激勵棒完成對雞蛋的敲擊動作，通過接近開關檢測激勵棒擊打時機，將接近開關(歐姆龍公司，E2E-X1C1型，24 V)的輸出信號通過TMS320F28335的外部中斷觸發對敲擊響應聲音信號的實時采集。激勵棒從起始位置到與雞蛋接觸瞬間，步進電機轉動的角度由系統標定時獲得。由于TMS320F28335的I/O口電平為3.3 V，需對接近開關的輸出信號電平進行轉換。為了減小電路干擾，采用光電耦合器實現電平轉換和信號隔離，選擇東芝半導體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 試驗與分析

為了驗證該系統對雞蛋裂紋的檢測效果，對雞蛋進行敲擊試驗。試驗樣本選自江蘇省鎮江市東郊農場產后1～2 d的褐色殼完好雞蛋50枚。首先對完好蛋進行敲擊試驗，然后對完好蛋進行人為地制造微裂紋并標記出裂紋位置，將其作為裂紋雞蛋試驗樣本。

試驗中對完好蛋與裂紋蛋分別進行敲擊。具體步驟為：步進電機上安裝的編碼器獲取激勵棒擊打時機，連續采集敲擊響應聲音信號4 ms，通過A/D轉換生成數字信號，利用Matlab軟件對聲音信號進行處理，去除信號平坦部分，該部分信號尚未接收到擊打信息，當信號發生劇烈震蕩時，保留其后2.5 ms信息，該部分信號為激勵棒擊打雞蛋并被第一次彈起的時間周期。完好蛋與裂紋蛋的敲擊響應時域信號見圖8。從圖8中發現兩者差異不顯著。

將時域信號進行快速傅里葉變換(FFT)，得到聲音信號頻譜圖。從頻譜圖中發現，完好蛋敲擊響應聲音信號的第二共振峰所對應的頻率，集中出現在6 890 Hz周圍；而裂紋蛋的聲音信號第二共振峰無明顯規律性，統計結果如圖9所示。由圖9可見，完好蛋具有明顯的統計特征，而裂紋蛋無統計規律；部分裂紋蛋的第二共振峰落入完好蛋區間的主要原因是激勵棒的敲擊點正好落在裂紋蛋的蛋殼完好區域，導致音頻響應信號與完好蛋相似，可采用增加敲擊密度的方法避免誤判問題發生；圖中部分完好蛋偏離第二共振峰特征區間，可能是蛋殼表面質量不均勻或蛋殼剛度較差所致。

圖8 敲擊響應聲音信號的時域信號

圖9 聲音信號頻譜第二共振峰對應的頻率

4 總結

設計了基于TMS320F28335的雞蛋裂紋在線檢測系統，采用TLV320AIC23語音芯片結合電容式麥克風采集雞蛋敲擊響應聲音信號，將硬件系統集成化。試驗結果表明，系統能準確控制敲擊時機，實時采集聲音信號。與現有研究相比，突破了理論研究到實際應用的門檻。后續將對多通道信號進行研究和比對，以消除機械制造誤差和環境噪聲帶來的干擾。