基于聲波的方形木材孔洞缺陷識(shí)別系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于聲波的方形木材孔洞缺陷識(shí)別系統(tǒng)及方法。主要解決方形木材孔洞缺陷無損檢測(cè)的問題。該系統(tǒng)包括小錘、聲波信號(hào)采集模塊、聲波信號(hào)處理模塊、NiosII處理器、外部存儲(chǔ)模塊、USB通信模塊以及上位機(jī)處理模塊。其中聲波信號(hào)采集模塊完成聲波采集及AD轉(zhuǎn)換、放大和低頻濾波；聲波信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集模塊的驅(qū)動(dòng)和聲波數(shù)字信號(hào)的處理；外部存儲(chǔ)模塊包括SDRAM和EPCS配置存儲(chǔ)器；NiosII處理器對(duì)信號(hào)處理及緩存，調(diào)用USB通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)處理模塊；在上位機(jī)處理模塊中提取聲波信號(hào)時(shí)域和頻域波形特征值，采用模糊模式識(shí)別方法對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別。本發(fā)明無污染、無危害、不損傷被測(cè)木材，使用簡便，識(shí)別率高，適用于方形木材孔洞缺陷的檢測(cè)。
【專利說明】基于聲波的方形木材孔洞缺陷識(shí)別系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及木材無損檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及基于聲波的方形木材孔洞缺陷識(shí) 別系統(tǒng)及方法

【背景技術(shù)】
[0002] 我國在木材缺陷的無損檢測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了很快的發(fā)展，相繼出現(xiàn)許多方法來檢 測(cè)缺陷木材，有利用X射線、微波、核磁共振、超聲波、應(yīng)力波、紅外光譜、介電常數(shù)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(duì)人體有害；利用微波、核磁共振和紅外 光譜檢測(cè)所使用的儀器成本高，攜帶也不方便；使用超聲波檢測(cè)時(shí)需要在被測(cè)試件上涂耦 合劑；通過應(yīng)力波和介電常數(shù)檢測(cè)則需要將傳感器附貼或釘入木材內(nèi)部，會(huì)造成一定的損 壞；而利用聲波和圖像的方式進(jìn)行檢測(cè)便會(huì)改善上述問題。目前在木材聲波無損檢測(cè)方 面有通過聲級(jí)計(jì)收集聲波信號(hào)，通過電荷放大器和低通濾波器將數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)采集分析系 統(tǒng)，但是這樣一套系統(tǒng)顯然很龐大，集成度低，而且其數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)只能計(jì)算并顯示聲振特 性參數(shù)，而不能提取和選擇有效特征值進(jìn)行識(shí)別；也有利用FFT分析儀等測(cè)試木材的聲振 特性，雖然能很好地應(yīng)用于木材強(qiáng)度分等，力學(xué)性質(zhì)測(cè)試等方面，但無法做到快捷、準(zhǔn)確地 識(shí)別木材內(nèi)部缺陷，因此在這方面缺乏一套集成的專用于木材缺陷識(shí)別的系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了基于聲波的方形木材孔洞缺陷識(shí)別 系統(tǒng)及方法。能夠識(shí)別出方形木材孔洞缺陷及其位置。
[0004] 所采用的技術(shù)方案是：基于聲波的方形木材孔洞缺陷識(shí)別系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包 括：小錘、聲波信號(hào)采集模塊、聲波信號(hào)處理模塊、NiosII處理器、外部存儲(chǔ)模塊、USB通信 模塊以及上位機(jī)處理模塊。
[0005] 所述的聲波信號(hào)采集模塊驅(qū)動(dòng)接口采用IIC總線接口，數(shù)據(jù)傳輸采用SPI總線接 口，用于聲波模擬信號(hào)的收集，AD轉(zhuǎn)換，放大及低頻濾波。
[0006] 所述的聲波信號(hào)處理模塊在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)，與聲波信號(hào)采集模塊雙向連接，用 于接收并緩存聲波信號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的聲波信號(hào)是否大于閾值判別小錘敲擊行為是否發(fā) 生，如果發(fā)生則啟動(dòng)DMA將聲波信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給NiosII處理器，否則丟掉數(shù)據(jù)。
[0007] 所述的NiosII處理器通過16位總線和8位IO與聲波信號(hào)處理模塊連接，實(shí)現(xiàn) DMA數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳輸，同時(shí)NiosII處理器通過8位總線與USB通信模塊連接，將接 受到的數(shù)據(jù)截?cái)?、?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并緩存，如果USB通信模塊發(fā)出通信請(qǐng)求則建立連接，將聲波信 號(hào)數(shù)據(jù)傳輸給USB通信模塊。
[0008] 所述的外部存儲(chǔ)模塊包含EPCS配置存儲(chǔ)器和SDRAM，用來存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)和運(yùn)行 NiosII 緩存。
[0009] 所述的USB通信模塊與上位機(jī)處理模塊以USB總線連接，用來將數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)上 傳給上位機(jī)軟件,并進(jìn)行處理。
[0010] 所述的上位機(jī)處理模塊具備時(shí)域頻域波形顯示、數(shù)據(jù)保存、時(shí)域頻域特征值提取 及采用模糊模式識(shí)別方法識(shí)別缺陷的功能。
[0011] 基于聲波的方形木材孔洞缺陷識(shí)別方法，包括以下步驟： a) 用小錘敲擊被測(cè)方形木材端部，在另一端采集聲波信號(hào)，分別對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn) 換、放大和低頻濾波 b) 通過閾值判斷啟動(dòng)DMA將信號(hào)數(shù)據(jù)從聲波信號(hào)處理模塊傳輸給NiosII處理器，然后 調(diào)用USB通信模塊將信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)處理模塊 c) 在上位機(jī)處理模塊中進(jìn)行時(shí)域頻域波形顯示、保存數(shù)據(jù)等，然后提取并選擇時(shí)域和 頻域特征值，采用模糊模式識(shí)別方法識(shí)別缺陷
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是能夠快捷，方便地檢測(cè)識(shí)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(cè)木材，使用簡便，識(shí)別率高的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
[0014] 圖2為本發(fā)明的識(shí)別方法流程圖

【具體實(shí)施方式】
[0015] 本發(fā)明提供了一種基于聲波的方形木材孔洞缺陷識(shí)別系統(tǒng)及方法，其結(jié)構(gòu)如圖1 所不，包括小錘、聲波信號(hào)米集模塊、聲波信號(hào)處理模塊、NiosII處理器、外部存儲(chǔ)模塊、USB 通信模塊以及上位機(jī)處理模塊。
[0016] 聲波信號(hào)采集模塊驅(qū)動(dòng)接口采用IIC總線接口，數(shù)據(jù)傳輸采用SPI總線接口，用于 聲波模擬信號(hào)的收集，AD轉(zhuǎn)換，放大及低頻濾波。
[0017] 聲波信號(hào)處理模塊在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)，與聲波信號(hào)采集模塊雙向連接，用于接收 并緩存聲波信號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的聲波信號(hào)是否大于閾值判別小錘敲擊行為是否發(fā)生，如 果發(fā)生則啟動(dòng)DMA將聲波信號(hào)數(shù)據(jù)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(diǎn)為2048個(gè)。 NiosII處理器通過16位總線和8位IO與聲波信號(hào)處理模塊連接，實(shí)現(xiàn)DMA數(shù)據(jù)傳輸 和控制指令傳輸，同時(shí)NiosII處理器通過8位總線與USB通信模塊連接，將接受到的數(shù)據(jù) 截?cái)?、?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并緩存，如果USB通信模塊發(fā)出通信請(qǐng)求則建立連接，將聲波信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸 給USB通信模塊。
[0019] 外部存儲(chǔ)模塊包含EPCS配置存儲(chǔ)器和SDRAM，用來存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)和運(yùn)行NiosII 緩存。
[0020] 所述的USB通信模塊與上位機(jī)處理模塊以USB總線連接，用來將數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)上 傳給上位機(jī)軟件,并進(jìn)行處理。
[0021] 使用不同顏色的LED燈顯示FPGA系統(tǒng)的開關(guān)、運(yùn)行等狀態(tài)是否正常。 上位機(jī)處理模塊具備時(shí)域頻域波形顯示、數(shù)據(jù)保存、時(shí)域頻域特征值提取及采用模糊 模式識(shí)別方法識(shí)別缺陷的功能。
[0022] 基于聲波的方形木材孔洞缺陷識(shí)別方法如圖2所示，包括以下步驟： a)用小錘敲擊被測(cè)方形木材端部，在另一端采集聲波信號(hào)，分別對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn) 換、放大和低頻濾波 b) 通過閾值判斷啟動(dòng)DMA將信號(hào)數(shù)據(jù)從聲波信號(hào)處理模塊傳輸給NiosII處理器，然后 調(diào)用USB通信模塊將信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)處理模塊 c) 在上位機(jī)處理模塊中進(jìn)行時(shí)域頻域波形顯示、保存數(shù)據(jù)等，然后提取并選擇時(shí)域和 頻域特征值，采用模糊模式識(shí)別方法識(shí)別缺陷
[0023] 所述的識(shí)別方法c中采用模糊模式識(shí)別的方法如下： a) 提取和選擇所有樣本的3個(gè)特征量，得到初始訓(xùn)練樣本 b) 規(guī)格化訓(xùn)練樣本。X = [XiUi = 1，2,. . .，n ;j = 1，2,. . .，m)為原始矩陣，將X 規(guī)格化處理得到X' = [X' ij]nXm(i = 1，2, . . .，n ;j = 1，2, . . .，m)，規(guī)格化所用公式為：

【權(quán)利要求】
1. 基于聲波的方形木材孔洞缺陷識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括小錘、聲波信號(hào)米 集模塊、聲波信號(hào)處理模塊、NiosII處理器、外部存儲(chǔ)模塊、USB通信模塊以及上位機(jī)處理 模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波信號(hào)采集模塊，其特征在于該模塊驅(qū)動(dòng)接口采用IIC總 線接口，數(shù)據(jù)傳輸采用SPI總線接口，用于聲波模擬信號(hào)的收集、AD轉(zhuǎn)換、放大及低頻濾波， 將處理過的信號(hào)傳給聲波信號(hào)處理模塊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波信號(hào)處理模塊，其特征在于該模塊在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)， 與聲波信號(hào)采集模塊雙向連接，用于接收并緩存聲波信號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的聲波信號(hào)是否 大于閾值判別小錘敲擊行為是否發(fā)生，如果發(fā)生則啟動(dòng)DMA將聲波信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給NiosII 處理器，否則等待。
4. 根據(jù)權(quán)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(hào)處理模塊連接，實(shí)現(xiàn)DMA數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳輸，同時(shí)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(shù)據(jù)截?cái)唷?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并緩存，如果USB 通信模塊發(fā)出通信請(qǐng)求則建立連接，將聲波信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸給USB通信模塊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的外部存儲(chǔ)模塊，其特征在于該模塊包含EPCS配置存儲(chǔ)器和 SDRAM，用來存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)和運(yùn)行NiosII緩存。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的USB通信模塊，其特征在于該模塊與上位機(jī)處理模塊以USB 總線連接，用來將數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)軟件，并進(jìn)行處理。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的上位機(jī)處理模塊，其特征在于該模塊具備時(shí)域頻域波形顯 示、數(shù)據(jù)保存、時(shí)域頻域特征值提取及采用模糊模式識(shí)別方法識(shí)別缺陷的功能。
8. 基于聲波的方形木材孔洞缺陷識(shí)別方法，包括以下步驟： a) 用小錘敲擊被測(cè)方形木材端部，在另一端采集聲波信號(hào)，分別對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn) 換、放大和低頻濾波。 b) 通過閾值判斷啟動(dòng)DMA將信號(hào)數(shù)據(jù)從聲波信號(hào)處理模塊傳輸給NiosII處理器，然后 調(diào)用USB通信模塊將信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)處理模塊。 c) 在上位機(jī)處理模塊中進(jìn)行時(shí)域頻域波形顯示、保存數(shù)據(jù)等，然后提取并選擇時(shí)域和 頻域特征值，采用模糊模式識(shí)別方法識(shí)別缺陷。
【文檔編號(hào)】G01N29/14GK104391045SQ201410586470
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】邢濤, 馬肖祥, 王浩洋, 郭瑞, 戈兵, 張策 申請(qǐng)人:邢濤