基于DSP的巴克豪森便携式应力检测系统的开发

王 平，朱晓雪，田贵云，2，张越兵，任紫锋

（1.南京航空航天大学 自动化学院，南京 210016；2.Newcastle大学 电子电力与计算机工程学院，英国纽卡斯尔NE17RU）

随着铁路客车密度、载重量和速度的不断提高，轨道故障逐渐增多。原因有以下两点：一是钢轨受到车轮的挤压，内部会产生局部的应力集中或松弛，产生裂纹，最终导致断轨。二是钢轨常年暴露在外，随温度变化而发生膨胀或收缩。当达到一定温度时，钢轨承受的应力过大，就会发生胀轨跑道，造成交通事故。因此，检测钢轨应力有着十分重要的实用价值。

目前检测应力的方法有磁巴克豪森噪声法、金属磁记忆法、漏磁法、涡流检测法、X射线法、电阻应变片法和盲孔法等等。综合比较它们的原理、适用范围及各自的优缺点，巴克豪森噪声检测技术以其快捷、方便、成熟，在铁磁材料的应力检测中有着较大优势。它基于铁磁性材料在磁化的过程中发生磁畴翻转这一微观理论而进行测量，通过铁磁材料表面放置的检测线圈提取磁巴克豪森噪声（MBN）信号［1－5］，来检测铁轨的应力。

笔者设计的巴克豪森便携式应力检测设备的整体系统是由激励磁化电路、传感器、信号处理电路、AD转换电路、DSP数字信号处理器、ARM嵌入式处理器、电源模块等组成。该设备在巴克豪森原理的基础上充分考虑便携式轻小方便，故尽量选择小的激励线圈和接收线圈，低功耗的硬件设备，避免了已有检测设备体积庞大，使用不方便等缺点。

1 巴克豪森应力检测的原理

1.1 MBN检测原理

磁场中的物质由于受磁场的作用而表现出一定的磁性，这种现象就称之为磁化（如图1所示）。根据磁化率的大小和符号的不同，将物质的磁性分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性和铁磁性五种。物质内部由于自身的力量，所有原子磁矩都朝一个方向排列的小区域称为磁畴。铁磁体内部有磁场能、退磁场能、交换能、磁各向异性能和热弹性能这五种相互作用的能量。同一磁畴内的原子自旋矢量方向相同，而不同磁畴的自旋矢量方向不一定相同。分割相邻磁畴的边界称为磁畴壁。对于立方晶体，根据磁畴壁两边磁畴内磁化矢量间的夹角，可将磁畴壁分为90°畴壁和180°畴壁［6］。

图1 磁化过程

巴克豪森效应是德国Dresden大学巴克豪森（Barkhausen）教授于1919年发现的。众所周知，铁磁性材料内部存在着许多微小的不同取向的磁畴。在无外界因素作用下，每个磁畴沿其易极化的结晶方向取向，其总体磁化效果为零，对外不显磁性。当有外加交变磁场或应力作用时，磁畴沿其作用方向发生90°或180°反转或磁畴壁移动，导致磁畴呈现一定规则的取向，这种磁畴变化过程使材料内部产生一系列突变、阶跃式的跳跃脉冲信号，即巴克豪森信号。这种磁化过程中的跳跃现象称为巴克豪森效应，每次巴克豪森跳跃会在铁磁材料表面的探测线圈中接收到一定功率谱分布的微弱电信号噪声，称为巴克豪森噪声（MBN）［7－8］。

磁化曲线表征的是铁磁物质在外磁场的作用下所具有的磁化规律，在外磁场的作用下铁磁性材料会发生磁化，当达到饱和之后，去掉外加磁场，铁磁质的磁化状态并不恢复到原来的状态，当磁化场在正负两个方向上往复变化时，介质的磁化过程经历着一个循环的过程，从而形成了磁滞回线［7］。MBN信号出现在磁滞回线的最陡阶段（如图2所示），以电压的形式产生一种脉冲噪声。

图2 磁滞回线与MBN信号

1.2 提取巴克豪森应力检测的特征值［9］

通常提取巴克豪森信号的平均值、均方根、包络线、振铃数、峰宽比这五种特征值来反映巴克豪森信号应力和微观组织结构的关系，从而对材料受应力的情况和疲劳损伤的程度作出估计。

（1）平均值：一个磁化周期中所有MBN信号被滤波后所形成包络线的幅值电压。

（2）均方根：噪声的强度通常采用均方根值来表示，即表征的是噪声的能量。

（3）包络线：指激励信号上升周期或下降周期内一个MBN信号的轮廓［5］。

（4）振铃数：在一个达饱和磁化的周期中产生的幅值大于某一阈值的振铃个数，其值与阈值大小有关。

（5）峰宽比：包络线峰值与半高全宽之比简称为峰宽比。

2 DSP TMS320C6747数字信号处理器

2.1 DSP的整体介绍

DSP也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。众所周知，美国德州仪器（Texas Instruments，TI）TI公司生产的TMS320系列DSP芯片广泛应用于各个领域。TI主要的系列产品有：面向数字控制、运动控制的TMS320C2000系列；适于低功耗、手持设备、无线终端应用的TMS320C5000系列；面向高性能、多功能、复杂应用领域的TMS320C6000系列；面向移动上网设备和多媒体家电的OMAP系列；面向升级可编程的达芬奇平台系列等。

基于充分考虑DSP的运算速度、运算精度、字长、存储器等片内硬件，资源功耗与电源管理等因素，选用浮点型的TMS320C6747型号的DSP，利用Code Composer Studio 4.1.2的软件开发环境。

2.2 TMS320C6747DSP芯片的主要性能指标

TMS320C6747芯片的主要性能指标如下：

·主频300MHz，每秒可执行2400百万条定点指令，或执行1800百万条浮点指令。

·低功耗DSP，1.2V的核电压、3.3V的IO电压，适用于工业控制。

·采用两级缓冲存储器结构64kB的L1和256kB的L2。

·支持8／16／32／64位数据格式。

·片内SHARERAM 128k。

·USB1.1和USB2.0接口。

·3路增强型PWM，3路增强型CAP，2路增强型QEP。

·3个多通道串行端口。

·10M／100M的太网口。

3 基于DSP应力检测的硬件平台［10－11］

3.1 硬件框图

硬件框图见图3。

图3 基于DSP的MBN应力检测系统

3.2 激励信号的发生电路

交变的电压会产生交变的磁场，放在磁场中的钢铁材料就会被磁化，从而引起磁畴变化产生MBN信号。ARM通过串口向DSP发送产生DA正弦波激励的幅值、频率的数据，DSP通过总线访问DAC7724芯片，控制DA电路的输出。DAC7724是一款12位精度、－10～＋10V或0～＋10可选的4通道输出的DA。

由于DAC7724信号输出功率很小，基本上没有带负载的能力，需要设计合适的功率放大电路，将正弦波放大到足够驱动激励线圈。LM3886芯片采用电压负反馈方式，很好地改善功放电路的频率特性，降低非线性失真，保护功能齐全。

3.3 磁化器和检测线圈的设计

在钢轨的应力检测中，MBN信号产生的效果直接受到磁化器产生的外磁场的频率和强度的影响。磁化线圈和磁轭组成磁化器，选用直径为0.21mm的磁化线圈，体积为40.78mm×10.80mm×28.94mm的U型磁轭。

检测线圈包括骨架、磁芯和缠绕的漆包线。骨架尺寸为5mm×15mm，磁芯尺寸也是5mm×15mm，漆包线为φ0.07mm，圈数为5000。

3.4 信号调理电路

MBN信号仅是毫伏级的微弱信号，频带宽度较大，选用低噪声，低失调电压，低温漂，低功耗，高精度的AD620实现足够的放大，考虑到便携式设备，尽量减小体积，AD620采用贴片SOIC封装。

3.5 数据采集

根据MBN信号的特点，充分考虑A／D转换器的转换时间、转换速率、分辨率和转换精度等，选用6输入通道，16位精度的AD7656。AD7656采用双极性模拟输入，可选输入范围为士10V或士5V，低功耗740mW（250kSPS，5V电源），待机模式时最大为375nW，高速并行、串行和菊花链接口模式。

3.6 DSP数据存储及处理

3.6.1 外扩 NANDFLASH

为了能够有足够的存储容量，较快的改写速度，选择外扩K9XXG08UXA 512M×8Bit NAND Flash内存 ，需求的供电电源－2.70～3.60V，将外扩的FLASH映射在DSP EMIFA的CS3空间。

3.6.2 外扩 RAM

为了减小误差，精确地得到巴克豪森信号，需要采集存储超大量的MBN信号并对其信号进行处理等。选用两片HY57V561620（L）T 4Banks×4M×16Bit Synchronous DRAM存储器，空间是512 MB，映射在DSP EMIFB空间，此芯片需求的供电电源为（3.3±0.3）V。

3.7 DSP与ARM的串口通信

在TMSC6747的DSP芯片上有三个UART串口，而且串口通信使用简单，仅需三条线：地线、发送线、接收线。在硬件上只需将DSP与ARM的串口相连即可实现通信。

3.8 电源模块

5V，2000mA的供电电源经过两片外部调整的TPS54331电源芯片提供3.3，1.2V的电压，其中3.3V为 TMS320C6747的IO供电，1.2V 为TMS320C6747的核供电。5V输入经过DC－DC模块输出±15V可以为DA模块供电，±15V经过两片高精度AD587可以提供±10V的参考电压。±15V经MC7912AC可产生±12V为AD模块供电，再经过78M05芯片可提供5.0V的模拟参考电压。

4 基于DSP的应力检测的软件实现

基于DSP的应力检测的软件流程图见图2。

图4 DSP软件流程图

4.1 DSP与ARM的串口通信

DSP与ARM之间的串行通信波特率设置为9600bps，数据格式为：1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验。

为了尽量保证DSP与ARM串口通讯的正确性，减少干扰造成的误差，制定串口通信的帧格式，帧头0×55，0×55、长度、命令字、帧内容、CRC校验码形成的完整帧数据。DSP将串口中断接收的数据根据帧格式进行解析，接收正确则执行相应的操作，否则丢弃该帧数据。

DSP的程序在初始化结束后，进入while（1）循环，等待ARM发送的命令。若串口中断接收到数据，按照帧格式解析命令并执行，并向ARM发送应答命令后等待再次读取命令。

4.2 DA正弦波激励信号的产生和停止

若解析ARM发送的串口命令是产生DA正弦波激励，根据正弦波幅值、频率的相应要求设置参数，打开定时器0，定时的把DSP送给DA的数据锁存到DA的输出寄存器里进行输出。若解析到命令是停止产生DA正弦波激励信号，则关闭定时器0即可。

4.3 AD采样MBN信号和激励信号

若解析到ARM发送的串口命令是开始AD采样，则设置定时器1的周期为5μs，即采样频率为200kHz。打开定时器1开始采样，一路采集DA激励信号，一路采集MBN信号，将采样的数值放在外扩的SDRAM里。当收到停止采样的命令帧时，关闭定时器1，停止AD采样。

4.4 DSP信号存储及处理

将采样得到的激励信号数据经过平滑滤波，MBN信号经过带通滤波，求出MBN信号的五个特征值：均方根、平均值、振铃数、包络线、峰宽比，经过BP神经网络得出应力值，通过串口传给ARM进行显示。

5 结论

设计了一套基于DSP和ARM相结合的便携式设备，该设备具有强大的运算能力，较强的控制能力，友好的人机交互界面，轻小便携，操作方便，功耗低节能，结合成熟的巴克豪森应力检测技术理论，该设备在应力检测中占有很大的优势。

［1］John W.Wilson，Gui Yun Tian，Vaidhianathasamy Moorthy，et al.Magneto－acoustic emission and magnetic barkhausen emission for case depth measurement in En36gear steel［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2009，45（1）：177－183.

［2］Ping WANG，Shougao ZHU，Guiyun TIAN，et al.Stress Measurement Using Magnetic Barkhausen Noise and Metal Magnetic Memory Testing［R］.Accepted by Measurement Science ＆ Technology.

［3］John Wilson，Gui Yun Tian.Pulsed Magneto－Acoustic Emission Sensor Array for Stress Measurement And Material Characterisation［C］.School of Computing and Engineering Researchers'Conference.Huddersfield：2006.

［4］Stewart D M，Stevens K J，Kaiser A B.Magnetic Barkhausen noise analysis of stress in steel［J］.Current Applied Physics，2004（4）：308－311.

［5］Lo C C H，Jakubovics J P，Scruby C B.Monitoring the microstructure of pearlitic steels by magnetoacoustic emission［J］.Journal of Applied Physics，1997，81（8）：4069－4071.

［6］朱寿高.基于巴克豪森噪声应力检测系统的研究［D］.南京：南京航空航天大学，2009.

［7］杨雅荣，王平，田贵云.基于巴克豪森效应的钢轨表面应力研究［C］.2010远东无损检测新技术论坛.昆山：2010.

［8］朱秋君，王平，田贵云.基于BP神经网络的巴克豪森铁轨温度应力检测系统［C］.2011远东无损检测新技术论坛.杭州：2011.

［9］闫小明，王平，田贵云.室外温度变化对巴克豪森检测的影响的研究［C］.2011远东无损检测新技术论坛.杭州：2011.

［10］周霖，李枫，潘娜.DSP算法设计与系统方案［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［11］Robet Dshana.嵌入式实时系统的DSP软件开发技术［M］.郑红，刘振强，王鹏，译.北京：北京航空航天大学出版社，2011.