基于聲波的方形木材孔洞缺陷識別系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于聲波的方形木材孔洞缺陷識別系統及方法。主要解決方形木材孔洞缺陷無損檢測的問題。該系統包括小錘、聲波信號采集模塊、聲波信號處理模塊、NiosII處理器、外部存儲模塊、USB通信模塊以及上位機處理模塊。其中聲波信號采集模塊完成聲波采集及AD轉換、放大和低頻濾波；聲波信號處理模塊實現對采集模塊的驅動和聲波數字信號的處理；外部存儲模塊包括SDRAM和EPCS配置存儲器；NiosII處理器對信號處理及緩存，調用USB通信模塊將數據上傳到上位機處理模塊；在上位機處理模塊中提取聲波信號時域和頻域波形特征值，采用模糊模式識別方法對缺陷進行識別。本發明無污染、無危害、不損傷被測木材，使用簡便，識別率高，適用于方形木材孔洞缺陷的檢測。
【專利說明】基于聲波的方形木材孔洞缺陷識別系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及木材無損檢測【技術領域】，特別是涉及基于聲波的方形木材孔洞缺陷識 別系統及方法
【背景技術】
[0002] 我國在木材缺陷的無損檢測領域已經取得了很快的發展，相繼出現許多方法來檢 測缺陷木材，有利用X射線、微波、核磁共振、超聲波、應力波、紅外光譜、介電常數以及聲波 和圖像等方法，在這些方法中，X射線具有輻射性，對人體有害；利用微波、核磁共振和紅外 光譜檢測所使用的儀器成本高，攜帶也不方便；使用超聲波檢測時需要在被測試件上涂耦 合劑；通過應力波和介電常數檢測則需要將傳感器附貼或釘入木材內部，會造成一定的損 壞；而利用聲波和圖像的方式進行檢測便會改善上述問題。目前在木材聲波無損檢測方 面有通過聲級計收集聲波信號，通過電荷放大器和低通濾波器將數據輸入數據采集分析系 統，但是這樣一套系統顯然很龐大，集成度低，而且其數據分析系統只能計算并顯示聲振特 性參數，而不能提取和選擇有效特征值進行識別；也有利用FFT分析儀等測試木材的聲振 特性，雖然能很好地應用于木材強度分等，力學性質測試等方面，但無法做到快捷、準確地 識別木材內部缺陷，因此在這方面缺乏一套集成的專用于木材缺陷識別的系統。
【發明內容】
[0003] 為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了基于聲波的方形木材孔洞缺陷識別 系統及方法。能夠識別出方形木材孔洞缺陷及其位置。
[0004] 所采用的技術方案是：基于聲波的方形木材孔洞缺陷識別系統及方法，該系統包 括：小錘、聲波信號采集模塊、聲波信號處理模塊、NiosII處理器、外部存儲模塊、USB通信 模塊以及上位機處理模塊。
[0005] 所述的聲波信號采集模塊驅動接口采用IIC總線接口，數據傳輸采用SPI總線接 口，用于聲波模擬信號的收集，AD轉換，放大及低頻濾波。
[0006] 所述的聲波信號處理模塊在FPGA芯片中實現，與聲波信號采集模塊雙向連接，用 于接收并緩存聲波信號數據，根據采集的聲波信號是否大于閾值判別小錘敲擊行為是否發 生，如果發生則啟動DMA將聲波信號數據傳送給NiosII處理器，否則丟掉數據。
[0007] 所述的NiosII處理器通過16位總線和8位IO與聲波信號處理模塊連接，實現 DMA數據傳輸和控制指令傳輸，同時NiosII處理器通過8位總線與USB通信模塊連接，將接 受到的數據截斷、數據轉換并緩存，如果USB通信模塊發出通信請求則建立連接，將聲波信 號數據傳輸給USB通信模塊。
[0008] 所述的外部存儲模塊包含EPCS配置存儲器和SDRAM，用來存儲程序及數據和運行 NiosII 緩存。
[0009] 所述的USB通信模塊與上位機處理模塊以USB總線連接，用來將數字信號數據上 傳給上位機軟件,并進行處理。
[0010] 所述的上位機處理模塊具備時域頻域波形顯示、數據保存、時域頻域特征值提取 及采用模糊模式識別方法識別缺陷的功能。
[0011] 基于聲波的方形木材孔洞缺陷識別方法，包括以下步驟： a) 用小錘敲擊被測方形木材端部，在另一端采集聲波信號，分別對聲波信號進行AD轉 換、放大和低頻濾波 b) 通過閾值判斷啟動DMA將信號數據從聲波信號處理模塊傳輸給NiosII處理器，然后 調用USB通信模塊將信號數據傳送給上位機處理模塊 c) 在上位機處理模塊中進行時域頻域波形顯示、保存數據等，然后提取并選擇時域和 頻域特征值，采用模糊模式識別方法識別缺陷
[0012] 與現有技術相比，本發明的有益效果是能夠快捷，方便地檢測識別出方形木材孔 洞缺陷及其位置，具有無危害、清潔、不損傷被測木材，使用簡便，識別率高的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明的識別系統結構圖
[0014] 圖2為本發明的識別方法流程圖
【具體實施方式】
[0015] 本發明提供了一種基于聲波的方形木材孔洞缺陷識別系統及方法，其結構如圖1 所不，包括小錘、聲波信號米集模塊、聲波信號處理模塊、NiosII處理器、外部存儲模塊、USB 通信模塊以及上位機處理模塊。
[0016] 聲波信號采集模塊驅動接口采用IIC總線接口，數據傳輸采用SPI總線接口，用于 聲波模擬信號的收集，AD轉換，放大及低頻濾波。
[0017] 聲波信號處理模塊在FPGA芯片中實現，與聲波信號采集模塊雙向連接，用于接收 并緩存聲波信號數據，根據采集的聲波信號是否大于閾值判別小錘敲擊行為是否發生，如 果發生則啟動DMA將聲波信號數據傳送給NiosII處理器，否則等待。
[0018] 由NiosII處理器選取采樣頻率為96KHz，采樣點為2048個。 NiosII處理器通過16位總線和8位IO與聲波信號處理模塊連接，實現DMA數據傳輸 和控制指令傳輸，同時NiosII處理器通過8位總線與USB通信模塊連接，將接受到的數據 截斷、數據轉換并緩存，如果USB通信模塊發出通信請求則建立連接，將聲波信號數據傳輸 給USB通信模塊。
[0019] 外部存儲模塊包含EPCS配置存儲器和SDRAM，用來存儲程序及數據和運行NiosII 緩存。
[0020] 所述的USB通信模塊與上位機處理模塊以USB總線連接，用來將數字信號數據上 傳給上位機軟件,并進行處理。
[0021] 使用不同顏色的LED燈顯示FPGA系統的開關、運行等狀態是否正常。 上位機處理模塊具備時域頻域波形顯示、數據保存、時域頻域特征值提取及采用模糊 模式識別方法識別缺陷的功能。
[0022] 基于聲波的方形木材孔洞缺陷識別方法如圖2所示，包括以下步驟： a)用小錘敲擊被測方形木材端部，在另一端采集聲波信號，分別對聲波信號進行AD轉 換、放大和低頻濾波 b) 通過閾值判斷啟動DMA將信號數據從聲波信號處理模塊傳輸給NiosII處理器，然后 調用USB通信模塊將信號數據傳送給上位機處理模塊 c) 在上位機處理模塊中進行時域頻域波形顯示、保存數據等，然后提取并選擇時域和 頻域特征值，采用模糊模式識別方法識別缺陷
[0023] 所述的識別方法c中采用模糊模式識別的方法如下： a) 提取和選擇所有樣本的3個特征量，得到初始訓練樣本 b) 規格化訓練樣本。X = [XiUi = 1，2,. . .，n ;j = 1，2,. . .，m)為原始矩陣，將X 規格化處理得到X' = [X' ij]nXm(i = 1，2, . . .，n ;j = 1，2, . . .，m)，規格化所用公式為：
【權利要求】
1. 基于聲波的方形木材孔洞缺陷識別系統，其特征在于該系統包括小錘、聲波信號米 集模塊、聲波信號處理模塊、NiosII處理器、外部存儲模塊、USB通信模塊以及上位機處理 模塊。
2. 根據權利要求1所述的聲波信號采集模塊，其特征在于該模塊驅動接口采用IIC總 線接口，數據傳輸采用SPI總線接口，用于聲波模擬信號的收集、AD轉換、放大及低頻濾波， 將處理過的信號傳給聲波信號處理模塊。
3. 根據權利要求1所述的聲波信號處理模塊，其特征在于該模塊在FPGA芯片中實現， 與聲波信號采集模塊雙向連接，用于接收并緩存聲波信號數據，根據采集的聲波信號是否 大于閾值判別小錘敲擊行為是否發生，如果發生則啟動DMA將聲波信號數據傳送給NiosII 處理器，否則等待。
4. 根據權利要求1所述的NiosII處理器，其特征在于它通過16位總線和8位10與聲 波信號處理模塊連接，實現DMA數據傳輸和控制指令傳輸，同時NiosII處理器通過8位總 線與USB通信模塊連接，將從聲波處理模塊接受到的數據截斷、數據轉換并緩存，如果USB 通信模塊發出通信請求則建立連接，將聲波信號數據傳輸給USB通信模塊。
5. 根據權利要求1所述的外部存儲模塊，其特征在于該模塊包含EPCS配置存儲器和 SDRAM，用來存儲程序及數據和運行NiosII緩存。
6. 根據權利要求1所述的USB通信模塊，其特征在于該模塊與上位機處理模塊以USB 總線連接，用來將數字信號數據上傳給上位機軟件，并進行處理。
7. 根據權利要求1所述的上位機處理模塊，其特征在于該模塊具備時域頻域波形顯 示、數據保存、時域頻域特征值提取及采用模糊模式識別方法識別缺陷的功能。
8. 基于聲波的方形木材孔洞缺陷識別方法，包括以下步驟： a) 用小錘敲擊被測方形木材端部，在另一端采集聲波信號，分別對聲波信號進行AD轉 換、放大和低頻濾波。 b) 通過閾值判斷啟動DMA將信號數據從聲波信號處理模塊傳輸給NiosII處理器，然后 調用USB通信模塊將信號數據傳送給上位機處理模塊。 c) 在上位機處理模塊中進行時域頻域波形顯示、保存數據等，然后提取并選擇時域和 頻域特征值，采用模糊模式識別方法識別缺陷。
【文檔編號】G01N29/14GK104391045SQ201410586470
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月28日 優先權日:2014年10月28日
【發明者】邢濤, 馬肖祥, 王浩洋, 郭瑞, 戈兵, 張策 申請人:邢濤