專利名稱：耐火磚內部質量在線檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種質量檢測技術領域，特別是涉及一種耐火磚內部質量在線檢測裝 置，通過在線檢測裝置采集耐火磚的敲擊聲音數據，利用主元分析加Fisher判別式分析方 法(PCA-FDA)，通過裝置運算自動分析聲音數據，判斷耐火磚內部是否存在缺陷，并進一步 區分缺陷類別。
背景技術：
進入21世紀以來，生產自動化和產品質量的提高一直都是工業生產的目標。隨著 鋼鐵生產行業的高速發展，對耐火材料這個煉鋼行業輔料的質量要求也逐漸提高。燒結耐 火磚是耐火材料主要應用之一。耐火磚作為爐襯材料、爐頂或鋼包內襯等參與了鋼鐵冶煉 過程，是鋼鐵生產的重要輔助材料。目前我國鋼鐵、建材等工業將進入控制總量、調整結構、 持續穩步發展時期，耐火磚消耗總量將有大幅度下降，所以今后若干年對中國耐火磚工業 來說，是一個經歷結構優化，企業重組和品種結構調整的時期。這就要求耐火磚工業必須面 對這些工業技術進步和發展的挑戰，抓住機遇，大力發展優質高效耐火磚。并保證其質量可 靠，以滿足先進的高溫工業發展和要求。 產品使用的可靠性是由其生產的質量和檢驗的可靠性共同決定的，所以為了保證 耐火磚在使用中的可靠性，保護人民生命和財產安全，有必要在耐火磚生產技術達到一定 水平的基礎上，對其質量進行檢測，確保耐火磚質量安全可靠，避免發生不必要的事故造成 損失。對于耐火磚的缺陷分兩大類，其中一類為表面缺陷，包括欠火磚、過燒磚(焦磚)、裂 紋磚、壓花磚及黑心磚等，這些缺陷一般可以從形狀特征或表面顏色區分，目前在耐火磚表 面檢測方面主要包括面料表面裂縫、色斑、色度和尺寸等的檢測。耐火磚內部缺陷檢測。內 部缺陷檢測從耐火磚生產有史以來就一直伴隨著耐火磚生產，足以見得它的重要性，但是， 耐火磚的內部質量檢測技術水平卻一直沒有太大的發展，至今為止，絕大多數耐火材料生 產廠家仍然采用傳統的人工敲擊聽聲法來實現耐火磚內部質量檢測。這種傳統的人工敲擊 聽聲法考慮的是敲擊在整體結構上的一個點所產生的整體響應，通過區分敲擊導致的聲音 變化來判斷耐火磚內部是否存在缺陷。這種方法只是用來確定耐火磚有無內部缺陷，這樣 檢測有很多缺點 1、不能進一步確定缺陷類型。 2、需要檢測人員有豐富的經驗。 3 、無法客觀判斷檢測結果的正確性和可靠性。 4、不能批量檢測或大量抽檢，只能小量抽檢。
發明內容
本發明的目的，是提供一種耐火磚內部質量在線檢測裝置，本裝置采用基于聲音 的檢測方法，根據敲擊正常以及不同缺陷類耐火磚發出的聲音不同的原理，采集聲音信號 進行處理，獲得數據，利用主元分析加Fisher判別式分析方法(PCA-FDA)檢測耐火磚內部是否存在缺陷，并進一步區分缺陷類別，能大幅度提高耐火磚檢測質量。
采用的技術方案是 耐火磚內部質量在線檢測裝置，包括兩個部分，即裝置的硬件系統和軟件系統。
—、硬件系統采用模塊化結構，包括DSP主處理模塊、聲音采集模塊、PC機串口通 信模塊、輔助外設模塊和敲擊模塊。如圖1所示。采用模塊化結構，組裝和維護方便，安全 性能高。 (l)DSP主處理模塊DSP主處理模塊的主處理芯片采用Ti公司生產的TMS320VC5509A芯片，完成數據 處理和分析任務，外設的控制驅動和整個系統的調度任務。在主處理模塊中還要擴展存儲 器完成系統程序及系統運行時的數據存儲。
(2)聲音采集模塊 聲音采集模塊主芯片采用Ti公司生產的TLV320AIC23芯片(聲音編解碼器)來 完成模擬信號采集。 (3)串口通信模塊的主芯片采用Ti公司生產的異步通信器件TL16C550，實現 TMS320VC5509A串口通信。
(4)輔助外設模塊 輔助外設模塊包括電源與時鐘模塊、復位模塊、JTAG接口 、 LCD顯示接口以及鍵盤 輸入接口。其中電源芯片采用TI公司的TPS73HD301。時鐘模塊的晶振芯片采用TI公司的 20MHz外部晶體。復位模塊主要是當系統出現故障時，重啟CPU的。
(5)敲擊控制模塊 敲擊模塊主要是在線檢測時，當檢測到新的耐火磚到位時，發出敲擊命令，以使敲 擊裝置動作。 二、耐火磚內部缺陷檢測裝置的軟件系統 利用TI公司為DSP芯片的開發設計的集成開發環境CCS(Code ComposerStudio) 設計了軟件系統。采用無操作系統自我調度形式，由中斷部分、初始化部分和主循環部分組 成，初始化部分通常完成DSP軟、硬件的初始化設置，啟動硬件系統，使能DSP中斷，之后進 入主循環等待鍵盤中斷。當鍵盤操作時跳轉到鍵盤處理中斷子程序，可以選擇系統需要執 行的相應操作，包括建模操作、檢測操作、通信操作。同時改變相應標志位與參數，然后中斷 返回。主循環部分檢測到有標志位變化執行相應的子程序。耐火磚內部質量檢測裝置軟件 系統主程序流程圖如圖3所示。 本系統軟件包括以下幾個程序模塊DSP初始化程序模塊、數據預處理程序模塊、 建立模型程序模塊、檢測程序模塊、通信程序模塊、鍵盤和顯示程序模塊。
DSP初始化程序模塊主要是完成系統運行初始化設計，以及各個輔助模塊的參數 配置。主要包括時鐘初始化、EMIF初始化、SDRAM初始化、定時器初始化、AIC23初始化、 McBSPO初始化等。 數據預處理程序模塊主要實現耐火磚敲擊聲音信號的預處理。主要包括濾波、敲 擊信號端點檢測、聲音信號的頻譜分析及頻譜信號特征點提取算法。聲音信號的預處理框 圖如圖4所示。為了濾掉現場噪聲信號，首先設計了FIR濾波器。由于真正敲擊產生的聲 音信號占整個信號的很小一部分。如果對每個濾波后的信號直接進行處理，不但存在干擾，運算量也會很大，從而直接影響著后續工作的效率和準確性。這樣就需要從濾波后的信號 中檢測到敲擊信號的開始端點，并提取敲擊的真正聲音信號。本發明采用短時能量和短時 平均過零率雙門限比較法將真正的敲擊信號提取出來。為了從信號中得到代表耐火磚內部 特征的信息，采用Welch方法估計其功率譜。功率譜代表信號能量信息，也就代表了敲擊信 號的特征信息，但是不能把所有功率譜都拿來作后期的統計分析，要提取出功率譜的主要 特征點，既可以代表信號特征信息，又可以減少數據計算量。峰值點是信號中能量最集中的 地方。將峰值點的頻率和幅值信息提取出來，作為后期處理的特征數據。上述處理方法具 有運算速度快，存儲要求低的特點。 模型程序模塊主要利用提取出來的特征數據建立統計檢測模型(主成分分析模 型，PCA模型)和缺陷診斷模型(費舍爾判別式分析模型，FDA模型)。程序流程圖如圖4 所示。設X，nXm是經過預處理后由正常耐火磚敲擊獲得的聲音特征數據矩陣，該數據矩陣 經過標準化處理，即每個變量都減去均值除以標準差，其中m為變量數，n為樣本數。利用
主元分析把數據矩陣X G RnXm分解為得分Tr G R"r以及負荷矩陣Pf G『"的乘積。 X = TrPrT+E
Tr = XPr r是根據主元對信息貢獻率確定的主元個數。r往往要比m小得多，也就是用少數 幾個線性組合以在損失很少信息的前提下來解釋原來變量絕大多數信息，也就得到了主元 模型主元分析常用T/ (稱為T2統計量)和E2 (稱為SPE統計量)來實現故障檢測。T2 統計量服從F分布，SPE統計量服從卡方分布，于是可以得到置信度a下的控制限Tr, a2、 SPEa。 缺陷診斷模型為利用已知類別的缺陷樣本建立FDA診斷模型。首先定義n為缺陷 樣本的個數，m為變量的個數，p為缺陷類數，nj是第j類缺陷樣本數，將第i個樣本變量向 量表示為Xi。可把所有類的建模數據放入矩陣X G R"m中。定義以下三個矩陣總體離散 度矩陣St、類內離散度矩陣Sw以及類間離散度Sb矩陣。 x j是屬于第j類的向量Xi的集合，則第j類的類內部離散度矩陣Sj定義為 =+z "—^ —^ r 其中:Xj為第j類的總體樣本平均值向量為弓 類內離散度矩陣Sw定義為
# S沐-IJP(沐j)S"j 其中p (Wj)第j類的先驗概率，p= l/p。
類間離散度矩陣Sb定義為
'^^'， ^ 、 ^^^^^ ..............、 y ■■.........., ■……畫:、『 & = 2^M沐j》frj — )(^ _X)
Ja歪 其中X為總體樣本平均值向量為f = :I>; FDA通過對以下目標函數尋優求得能代表不同故障類最優分離的方向，即尋找最優的FDA向量。其目標函數為 通過求解得到特征向量為wp w2， ... ， ^，構造r個判別函數gi(x) = w/xi =
1， . . . ， r，使得p類數據投影到r維空間后，實現不同類別數據的最優分離。 檢測程序模塊利用建立的兩個模型對新得到的聲音信號進行檢測，流程圖如圖5
所示。對于一個新獲得的聲音特征數據x G RmX1， x'為經過標準化后的樣本，那么其得分
和殘差向量可以分別由下式計算得到。 t = x' Pr e = x' (I-PrPrT) 進而可以得到兩個統計量 T2 = tT入—、 SPE = eTe 若T2統計量和SPE統計量有一個超過了控制限，則表明該耐火磚為有缺陷磚，否 則為質量合格磚。 對于一個被檢測的耐火磚樣本x G Rmx、若經過前面主成分分析檢測被確定為有
,『 ..............................，2
缺陷樣本，則可通過計算化2 = ￡bw—ft』(^)j ，(x j.)為第j類的第i個判別函數均
/si
值，若^:S!聘，則判斷xe j類。 通信程序主要是通過串口通信將建模、檢測信息上傳給計算機。 鍵盤和顯示程序模塊通過鍵盤和LCD液晶顯示屏進行人機交互。利用鍵盤進行系
統運行設置和操作。使用液晶顯示屏完成鍵盤操作提示，系統運行狀態顯示等功能。 本發明的優點在于解決了耐火磚內部質量檢測方法落后的問題，設計了檢測方
法，發明了一套基于TMS230VC5509A DSP的耐火磚內部缺陷檢測裝置。耐火磚內部缺陷檢
測裝置運行穩定、快速、操作簡單、功能完備，完全滿足耐火磚內部質量在線檢測的需要。可
以應用在耐火磚生產廠，幫助其提高生產質量與效率。
圖1是耐火磚內部質量檢測裝置硬件系統組成框圖。 圖2是耐火磚內部質量檢測裝置硬件部分電路原理圖。 圖3是耐火磚內部質量檢測裝置軟件系統主程序流程圖。 圖4是檢測聲音數據獲取結構框圖。 圖5是PCA-FDA方法建模算法流程圖。 圖6是PCA-FDA方法檢測算法流程圖。
具體實施例方式
— 、耐火磚內部質量檢測裝置硬件和軟件構成 耐火磚內部質量在線檢測裝置，包括硬件和軟件兩部分。 1、耐火磚內部缺陷檢測裝置的硬件系統采用模塊化結構，包括DSP主處理模塊、 聲音采集模塊、PC機串口通信模塊、輔助外設模塊和敲擊模塊，如圖1所示。
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(l)DSP主處理模塊 主處理芯片選擇TI公司的TMS320VC5509A。完成數據處理分析任務、外設的控制 驅動以及整個系統的調度任務。在主處理模塊中還要擴展存儲器完成系統程序存儲以及 系統運行時的數據存儲。5509A通過外部存儲器接口 (EMIF)這一片內外設對外部存儲空 間進行管理，外部存儲空間被分成了 CE0-CE3。每一個空間都有一個片選使能信號/CEn。 本系統的5509A采用PGE封裝，外部有14根地址線，在5509A外部擴展了一片512K字節 的FLASH(利用CPLD做地址擴展)和一片4M字節的SDRAM。 FLASH芯片選擇AMD公司的 AM29LV800B， SDRAM芯片選擇HY57V641620。
(2)聲音采集模塊 采用TI公司專為音頻處理應用設計的聲音編解碼器件TLV320AIC23來完成模擬 信號的采集。AiC23聲音編碼器利用5509A芯片內的兩個獨立的通道進行通信，通過DSP總 線的lt控制AiC23的端口配置寄存器，DSP總線的雙向數據通道McBSP傳輸數字音頻信 號； (3)串口通信模土央 由于DSP主處理模塊構成一個獨立的處理單元，需要通過異步通信接口和PC機 交換數據。異步通信接口選用Ti公司的異步通信的接口 TL16C550，用以實現處理主芯片 TMS320VC5509A串口通信，該設計系統編程簡單，具有較強的靈活性和實用性，適用于實時 通信應用。 (4)輔助外設模塊 輔助外設模塊包括電源與時鐘模塊、復位模塊、JTAG接口 、 LCD顯示接口以及鍵盤 輸入接口。其中電源芯片采用TI公司的TPS73HD301。時鐘模塊的晶振芯片采用TI公司的 20MHz外部晶體。JTAG接口實現程序的下載和計算機仿真。
(5)敲擊控制模塊 該模塊利用1路數字量輸入和1路數字量輸出來實現耐火磚的位置檢測和敲擊動 作發出。對耐火磚實施敲擊為已知裝置，故省略。 上述模塊，主處理器芯片TMS320VC5509A的D[15:0]、 A[lO:l]、 /CEX、 CLKMEN、 / SDRAS、/SDCAS、/SDWE、/BE[1:0]、A
、A[13]、A[12]、SDA10管腳分別與SDRAM的D[15:0]、 A[9:0]、/CS、CLK、/RAS、/CAS、/WE、/DQM[H:L]、BA[1]、BA
、A[11]、A[10]管腳相連。
主處理器芯片TMS320VC5509A的D[15:0] 、 A[13:] 、 /CE1、 /AOE、 /AWE管腳分 別與FLASH的D[15:0]、 A [12:0]、 /CS、 /0E、 /WE管腳相連。FLASH的A [18:13]管腳與 XC95144XL-10IQ144C的10[57:52]管腳相連。 主處理器芯片TMS320VC5509A的CLKRXO、 DXO、 DRO、 FSRXO、 SCL、 SDA管腳分別與 TLV320AIC23的BCLK、 DIN、 DOUT、 LRCOUT、 SCLK、 SDIN管腳相連。TLV320AIC23的/CS、MODE 管腳與地相連。TLV320AIC23的MICIN、 MICBIAS管腳分別與麥克信號和麥克偏差信號相連。
主處理器芯片TMS320VC5509A的D [7:0] 、A[3:1]管腳分別與TL16C550的D [7:0]、 A[2:0]管腳相連。XC95144XL-10IQ144C的10[48]、 10[49]、 10[50]、 10[51]、管腳分別與 TL16C550的/CS2、/WR1、/RD1、MR管腳相連。 主處理器芯片TMS320VC5509A的D [7:0] 、 A[13， 3:0] 、 /AOE、 /AWE、 /ARE、 CE [3:0]、
9BE [1:0] 、HPIEN、GPI0[7:0] 、CLKOUT、HPIDATA管腳分別與XC95144XL-10IQ144C的10[7:0]、 工0[12:8]、 10[13]、 10[14]、 10[15]、工0[19:16]、工0[21:20]、 10[22]、工0[30:23]、 10[31]、 10[32]管腳相連。 XC95144XL-10IQ144C的10[58] 、 10[59]管腳分別與敲擊裝置的敲擊信號和位置 信號相連。 XC95144XL-10IQ144C的10[67:60] 、 10[68] 、 10[69] 、 10[70] 、 10[71]管腳分別與 T6963C的DB[7:0]、C/D、/CE、/WR、/RD管腳相連。 XC95144XL-10IQ144C的10[72] 、 10[73] 、 10[74] 、 10[75] 、 10[76] 、 10[77]管腳分 別與鍵盤相應管腳相連。 2、耐火磚內部缺陷檢測裝置的軟件系統 利用TI公司為DSP芯片的開發設計的集成開發環境CCS(Code ComposerStudio) 設計了軟件系統。采用無操作系統自我調度形式，由中斷部分、初始化部分和主循環部分組 成，初始化部分通常完成DSP軟、硬件的初始化設置，啟動硬件系統，使能DSP中斷，之后進 入主循環等待鍵盤中斷。當鍵盤操作時跳轉到鍵盤處理中斷子程序，可以選擇系統需要執 行的相應操作，同時改變相應標志位與參數，然后中斷返回。主循環部分檢測到有標志位變 化執行相應的子程序。 本系統軟件包括以下幾個程序模塊DSP初始化程序模塊、數據預處理程序模塊、 建立模型程序模塊、檢測程序模塊、通信程序模塊、鍵盤和顯示程序模塊。
(1) DSP初始化程序模塊 DSP初始化程序主要是完成系統運行初始化設計，以及各個輔助模塊的參數配 置。系統初始化程序主要包括時鐘初始化函數DPLLJnit(int freq) ;EMIF初始化函 數SDRAM_init、 EMIFjnit ;定時器初始化函數TMERjnit ;AIC23初始化函數McBSPO— InitSlave、 I2C_Init。
(2)數據預處理程序模塊 采用數據驅動的方法來分析耐火磚內部缺陷以及不同缺陷引起的敲擊聲音變化 情況。但由于耐火磚生產現場復雜，采集到的聲音信號并不是可以直接拿來做缺陷檢測和 診斷的數據，存在許多現場噪聲干擾等因素，想要得到代表聲音的特征數據，需要在缺陷檢 測和診斷之前進行處理。軟件系統預處理主要包括以下步驟 第一步，采集的敲擊聲音包含很多現場噪音的干擾，用FIR濾波器函數 fir2(DATA氺x， DATA氺h， DATA氺r， DATA氺dbuffer， ushort nx， ushort nh) ， 慮掉I見Jg^言號中白勺噪聲。 第二步，濾掉噪音后真正的敲擊信號只占整個信號的一小部分，用短時能量和短 時平均過零率雙門限敲擊信號提取函數begin—point (DATA*x)，將真正的敲擊信號提取出 來； 第三步，提取出來的敲擊信號時一段時域信號沒有明顯的特征信息，用Welch估 計其功率譜函數cpsd(DATA*X， DATA*y， DATA*z)，從時域信號估計整個信號功率譜，得到代 表耐火磚內部特征信息的信號； 第四步，得到功率譜數據量太大不能用來計算處理，用特征點提取函數 extract (DATA*x， DATA*y)，將功率譜峰值點的頻率和幅值信息提取出來，作為分析處理的特征數據。
(3)建立模型程序模塊 建立用于檢測混合模型包括主元分析(PCA)模型和Fisher判別式分析(FDA)模 型。利用正常數據建立PCA模型，用各類缺陷樣本數據建立FDA模型，也就是計算FDA判別 函數。在混合模型中PCA模型具有區分正常與缺陷類的能力。當不是正常類時可以用FDA 模型繼續判斷其缺陷類型。 第一步采集正常30個樣本數據經過預處理后建立PCA模型。求主元負荷矩陣 P確定主元個數r，計算T2統計量的控制限和SPE統計量的控制限，PCA模型函數為PCA_ Modelling。 第二步采集各類缺陷樣本每類30個數據，經過預處理后建立FDA模型，根據分類 貢獻率確定r。個判別函數gi (x) = WiTx， FDA模型函數為FDA_Modelling。
這樣用于檢測的模型和控制限都已經得到。 [OO96] (4)檢測程序模塊 檢測是新采集的檢測樣本經過預處理后代入PCA模型，進行檢測，首先計算T2統 計量T2 = tTA—H = x' TP,W ，然后計算SPE統計量SPE = eTe = x' T(I-PrPrT)x'， 之后判斷兩個統計量是否超過已知控制限，如果沒有超過證明是正常耐火磚，有一個超過 了控制限，就需要計算判別函數值gi(X)，并根據樣本歸類判別準則確定其歸屬的缺陷類，
缺陷檢測函數為analysis (DATA*x， DATA*y)。
(5)鍵盤和顯示程序模塊 系統通過鍵盤和LCD液晶顯示屏進行人機交互，利用鍵盤進行系統運行設置，使 用顯示能力為128列X64行的LCD液晶顯示屏完成鍵盤操作提示，系統運行狀態顯示等功 能。 二、系統工作過程 第一步，將硬件系統按照硬件構成部分搭建完成后，將JTAG接口通過仿真器與計 算機相連，裝置上電。在計算機上啟動CCS，將編輯好的程序即軟件構成部分通過仿真器下 載到硬件裝置的flash芯片里。這步完成后，耐火磚內部缺陷檢測裝置就可脫離計算機單 獨工作了。 第二步，斷開仿真器，重新啟動耐火磚內部缺陷檢測裝置。裝置進入正常工作狀 態。液晶顯示屏顯示操作界面，程序處于等待鍵盤操作狀態。如圖6所示。
第三步，當鍵盤選擇"進入"后，進入具體操作項選擇界面，包括"在線檢測"、"建立 模型"、"查看數據"、"上傳通信"功能。如圖7所示。 第四步，選擇"建立模型"，進入建模界面。如圖8所示。此時界面顯示建模信息。 建模程序首先等待耐火磚到位信號，然后發出敲擊指令，接下來按照固定采樣頻率錄音，并 按照圖2流程對聲音信號進行預處理，完成一次采樣。重復直到收集完所有建模數據，最后 按照圖4所示流程完成建模。建好的模型信息寫入flash保存。重復上述建模步驟，系統 針對預先存儲的不同耐火磚類型進行分別建模。 一旦完成建模工作后，將不需再建模。
第五步，選擇"在線檢測"，進入檢測界面。如圖9所示。此時界面顯示檢測信息。 當選擇"開始"后，檢測程序等待耐火磚到位信號，然后發出敲擊指令，接下來按照固定采樣 頻率錄音，并按照圖2流程對聲音信號進行預處理，按照圖5所示流程進行在線檢測，并將檢測結果存入flash以備查看和通信上傳。重復上述檢測步驟，直到選中"停止"結束，并 返回主界面。 ， 第六步，選擇"查看數據"，可對各種類型耐火磚檢測情況進行查看。
第七步，選擇"上傳通信"，可設置通信參數并啟動或停止通信。
權利要求
耐火磚內部質量在線檢測裝置，包括硬件系統和軟件系統，其特征在于1)所述硬件系統采用模塊化結構，包括主處理模塊、聲音采集模塊、PC機串口通信模塊、輔助外設模塊和敲擊控制模塊；DSP主處理模塊的主處理芯片為5509A芯片，5509A芯片通過外部存儲器接口這一片內外設對外部存儲空間進行管理，外部存儲空間被分成CE0-CE3，每一個空間都有一個片選使用信號/CEn；5509A芯片外部擴展了一片512K字節的FLASH和一片4M字節的SDRAM；聲音采集模塊的芯片采用AiC23聲音編解碼器，AiC23聲音編碼器利用5509A芯片內的兩個獨立的通道進行通信，通過DSP總線的I2C總線控制AiC23的端口配置寄存器，DSP總線的雙向數據通道McBSP傳輸數字音頻信號；串口通信模塊的異步通信接口選用TL16C550，用以實現與5509A的串口通信；輔助外設模塊，包括電源與時鐘模塊、復位模塊、JTAG接口、LCD顯示接口和鍵盤輸入接口；電源芯片采用TPS73HD301，時鐘模塊的晶振芯片為20MHz外部晶體；所述上述模塊，主處理器芯片TMS320VC5509A的D[15:0]、A[10:1]、/CEX、CLKMEN、/SDRAS、/SDCAS、/SDWE、/BE[1:0]、A
、A[13]、A[12]、SDA10管腳分別與SDRAM的D[15:0]、A[9:0]、/CS、CLK、/RAS、/CAS、/WE、/DQM[H:L]、BA[1]、BA
、A[11]、A[10]管腳相連；主處理器芯片TMS320VC5509A的D[15:0]、A[13:1]、/CE1、/AOE、/AWE管腳分別與FLASH的D[15:0]、A[12:0]、/CS、/OE、/WE管腳相連；FLASH的A[18:13]管腳與XC95144XL-10IQ144C的IO[57:52]管腳相連；主處理器芯片TMS320VC5509A的CLKRX0、DX0、DR0、FSRX0、SCL、SDA管腳分別與TLV320AIC23的BCLK、DIN、DOUT、LRCOUT、SCLK、SDIN管腳相連；TLV320AIC23的/CS、MODE管腳與地相連；TLV320AIC23的MICIN、MICBIAS管腳分別與麥克信號和麥克偏差信號相連；主處理器芯片TMS320VC5509A的D[7:0]、A[3:1]管腳分別與TL16C550的D[7:0]、A[2:0]管腳相連；XC95144XL-10IQ144C的IO[48]、IO[49]、IO[50]、IO[51]、管腳分別與TL16C550的/CS2、/WR1、/RD1、MR管腳相連；主處理器芯片TMS320VC5509A的D[7:0]、A[13，3:0]、/AOE、/AWE、/ARE、CE[3:0]、BE[1:0]、HPIEN、GPIO[7:0]、CLKOUT、HPIDATA管腳分別與XC95144XL-10IQ144C的IO[7:0]、IO[12:8]、IO[13]、IO[14]、IO[15]、IO[19:16]、IO[21:20]、IO[22]、IO[30:23]、IO[31]、IO[32]管腳相連；XC95144XL-10IQ144C的IO[58]、IO[59]管腳分別與敲擊裝置的敲擊信號和位置信號相連；XC95144XL-10IQ144C的IO[67:60]、IO[68]、IO[69]、IO[70]、IO[71]管腳分別與T6963C的DB[7:0]、C/D、/CE、/WR、/RD管腳相連；XC95144XL-10IQ144C的IO[72]、IO[73]、IO[74]、IO[75]、IO[76]、IO[77]管腳分別與鍵盤相應管腳相連；2)所述軟件系統，提出了一套利用耐火磚敲擊聲音信號進行耐火磚內部缺陷檢測與診斷的方法，并開發了相應的軟件；A、檢測與診斷方法包括敲擊聲音信號預處理算法、建模算法、分析算法預處理算法為使用FIR濾波器濾掉現場敲擊聲音信號中的噪聲，用短時能量和短時平均過零率雙門限方法提取敲擊信號，用Welch譜估計方法估計其功率譜，將功率譜峰值點的頻率和幅值信息提取出來，作為分析處理的特征數據；建模算法為首先利用正常耐火磚特征數據，采用PCA方法建立檢測模型；設X，n×m是經過預處理后由正常耐火磚敲擊獲得的聲音特征數據矩陣，該數據矩陣經過標準化處理，即每個變量都減去均值除以標準差，其中m為變量數，n為樣本數；利用主元分析把數據矩陣X∈Rn×m分解為得分Tr∈Rn×r以及負荷矩陣Pr∈Rm×r的乘積； <mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>r</mi></msub><msubsup> <mi>P</mi> <mi>r</mi> <mi>T</mi></msubsup><mo>+</mo><mi>E</mi> </mrow>Tr＝XPr用Tr2(稱為T2統計量)和E2(稱為SPE統計量)來實現故障檢測；T2統計量服從F分布，SPE統計量服從卡方分布，于是可以得到置信度α下的控制限Tr，α2、SPEα；然后利用已知類別的缺陷耐火磚特征數據采用FDA方法建立診斷模型；首先定義n為缺陷樣本的個數，m為變量的個數，p為缺陷類數，nj是第j類缺陷樣本數，將第i個樣本變量向量表示為xi；可把所有類的建模數據放入矩陣X∈Rn×m中；定義以下三個矩陣總體離散度矩陣St、類內離散度矩陣Sw以及類間離散度Sb矩陣；χj是屬于第j類的向量xi的集合，則第j類的類內部離散度矩陣Sj定義為 <mrow><msub> <mi>S</mi> <mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>n</mi><mi>j</mi> </msub></mfrac><munder> <mi>Σ</mi> <mrow><msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi></msub><mo>∈</mo><msub> <mi>χ</mi> <mi>j</mi></msub> </mrow></munder><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mover> <mi>x</mi> <mo>‾</mo></mover><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mover><mi>x</mi><mo>‾</mo> </mover> <mi>j</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi></msup> </mrow>其中xj為第j類的總體樣本平均值向量為 <mrow><msub> <mover><mi>x</mi><mo>‾</mo> </mover> <mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>n</mi><mi>j</mi> </msub></mfrac><munder> <mi>Σ</mi> <mrow><msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi></msub><mo>∈</mo><msub> <mi>χ</mi> <mi>j</mi></msub> </mrow></munder><msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow>類內離散度矩陣Sw定義為 <mrow><msub> <mi>S</mi> <mi>w</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>p</mi></munderover><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>w</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>S</mi> <mi>j</mi></msub> </mrow>其中p(wj)第j類的先驗概率，一般p(wj)＝1/p；類間離散度矩陣Sb定義為 <mrow><msub> <mi>S</mi> <mi>b</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>p</mi></munderover><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>w</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mover> <mi>x</mi> <mo>‾</mo></mover><mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <mover><mi>x</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mover><mi>x</mi><mo>‾</mo> </mover> <mi>j</mi></msub><mo>-</mo><mover> <mi>x</mi> <mo>‾</mo></mover><mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi></msup> </mrow>其中x為總體樣本平均值向量為 <mrow><mover> <mi>x</mi> <mo>‾</mo></mover><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>n</mi></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi></msub><mo>;</mo> </mrow>FDA通過對以下目標函數尋優求得能代表不同故障類最優分離的方向，即尋找最優的FDA向量；其目標函數為 <mrow><munder> <mi>max</mi> <mrow><mi>v</mi><mo>≠</mo><mi>θ</mi> </mrow></munder><mfrac> <mrow><msup> <mi>w</mi> <mi>T</mi></msup><msub> <mi>S</mi> <mi>b</mi></msub><mi>w</mi> </mrow> <mrow><msup> <mi>w</mi> <mi>T</mi></msup><msub> <mi>S</mi> <mi>w</mi></msub><mi>w</mi> </mrow></mfrac> </mrow>通過求解得到特征向量為w1，w2，...，wr，構造r個判別函數i＝1，...，r，使得p類數據投影到r維空間后，實現不同類別數據的最優分離；分析算法為對于一個新獲得的聲音特征數據x∈Rm×1，x′為經過標準化后的樣本，那么其得分和殘差向量可以分別由下式計算得到；t＝x′Pr <mrow><mi>e</mi><mo>=</mo><msup> <mi>x</mi> <mo>′</mo></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>-</mo> <msub><mi>P</mi><mi>r</mi> </msub> <msup><msub> <mi>P</mi> <mi>r</mi></msub><mi>T</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow>進而可以得到兩個統計量T2＝tTλ-1tSPE＝eTe若T2統計量和SPE統計量有一個超過了控制限，則表明該耐火磚為有缺陷磚，否則為質量合格磚；對于一個被檢測的耐火磚樣本x∈Rm×1，若經過前面主成分分析檢測被確定為有缺陷樣本，則可通過計算gl，j(χj)為第j類的第l個判別函數均值，若則判斷x∈j類；B、開發的軟件包括DSP初始化程序模塊、數據預處理程序模塊、建立模型程序模塊、檢測程序模塊、鍵盤和顯示程序模塊；所述DSP初始化程序模塊的初始化程序主要包括時鐘初始化函數DPLL_Init；EMIF初始化函數SDRAM_init、EMIF_init；定時器初始化函數TIMER_init；AIC23初始化函數McBSP0_InitSlave、I2C_Init；所述數據預處理程序模塊的預處理程序包括FIR濾波器函數fir2、短時能量和短時平均過零率雙門限敲擊信號提取函數begin_point、Welch估計其功率譜函數cpsd、功率譜峰值點的頻率和幅值特征點提取函數extract；所述建立模型程序模塊包括PCA模型函數PCA_Modelling、FDA模型函數為FDA_Modelling；所述檢測程序模塊包括缺陷檢測函數為analysis；所述鍵盤和顯示程序模塊，系統通過鍵盤和LCD液晶顯示進行人機交互，利用鍵盤進行系統設置，使用顯示能力為128列×64行的LCD液晶顯示屏完成鍵盤操作提示，系統運行顯示功能。F2009102201038C0000037.tif,F2009102201038C0000041.tif,F2009102201038C0000042.tif
全文摘要
耐火磚內部質量在線檢測裝置，包括硬件系統和軟件系統，其特點是所述硬件系統采用模塊化結構，包括主處理模塊、聲音采集模塊、PC機串口通信模塊、輔助外設模塊和敲擊控制模塊；DSP主處理模塊的主處理芯片為5509A芯片，芯片通過外部存儲器接口這一片內外設對外部存儲空間進行管理，外部存儲空間被分成CE0-CE3，每一個空間都有一個片選使用信號/CEn。所述軟件系統，提出了一套利用耐火磚敲擊聲音信號進行耐火磚內部缺陷檢測與診斷方法，并開發了相應的軟件。本發明解決了耐火磚內部質量檢測方法落后的問題，使耐火磚內部缺陷檢測裝置運行穩定、快速、操作簡單、功能完備，完全滿足耐火磚內部質量在線檢測的需要。可以應用在耐火磚生產廠，幫助其提高生產質量與效率。
文檔編號G01N29/12GK101701935SQ20091022010
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月24日 優先權日2009年11月24日
發明者孟慶宇, 賈明興 申請人:東北大學