多通道木材无损检测设备设计

彭杰，冯海林，方益明，李剑

(浙江农林大学 信息工程学院，杭州临安，311300)

多通道木材无损检测设备设计

彭杰，冯海林，方益明，李剑*

(浙江农林大学 信息工程学院，杭州临安，311300)

目前木材无损检测技术种类繁多，专业检测设备研发却相对乏力，普遍存在价格昂贵，安装复杂，操作繁琐，检测效率低下等问题。基于此现状，本研究主要运用CAN总线数据传输，源终点可调换和多通道串行检测等方法，开发了可自动获得应力波传播速度矩阵的木材无损检测设备。该设备具有结构简单，操作方便，稳定性和准确性高的特点，并能够有效提高检测效率，降低劳动强度。

CAN总线；源终点可互换；多通道串行检测；

0 引言

木材的使用与加工在人类发展历程中占有不可分割、不可替代的重要地位，至今，仍广泛运用于生产生活。随着森林资源减少，使用范围扩大，木质资源如何科学、合理、高效利用日益凸显，众多学者对树木及木质材料内部空洞和腐朽状况进行了检测分析的研究[1]。

传统方案大多运用力学试验机等检测仪器对木材进行检测，条件苛刻、操作复杂、效率低下且稳定性与重现性不足，并有一定破坏性[2]。而木材无损检测技术无需损坏木材原有特性即可实现内部检测，因此受到广泛关注，并迅速发展成为一门新兴、综合的检测技术[3]。

目前，木材无损检测技术主要有超声波检测，微波检测，应力波检测，X-射线检测，皮螺钉检测，阻力检测等方法[4-5]。其中应力波检测法因成本低廉，携带方便，检测快速，不受木材形状与尺寸限制而表现突出[6-7]，已研发一系列产品，广泛运用于古建筑木材检测、古树名木保护、城市林业、木材加工等领域[8-10]。

但现有设备大多采用并行数据传输模式，只具备数据采集记录功能[2]。普遍存在安装复杂，操作繁琐，数据分析繁琐等缺陷，给检测分析工作带来了诸多不便[11]。本文提出采用CAN总线通信系统和源终点可调换方法，优化数据传输系统，简化安装操作流程，研发可自动获取速度矩阵的高效率木材无损检测设备。

1 关键技术研究与分析

1.1 基于CAN总线的数据传输系统

CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)是两线制多节点串行通信系统，具有传输速度快，有效距离远，可靠性高等特点。其高速短距离闭环网络可达1 Mbit/s；低速远距离开环网络可达125 kbit/s[12]。有效传输距离与最大速率对应见表1。

表1 CAN总线速度和传播距离

现有设备受限于并行通信模式，多采用节点轮询机制，串行通信系统可突破该限制，有效降低中央处理器工作负荷。同时，CAN总线具有高效性和高可靠性，并支持热拔插功能，使设备在复杂而恶劣的野外环境性能稳定，表现优越。

此外，CAN总线具有无主从差异特性，是源终点可调换方法的物理基础，也是本研究中多通道串行检测设备实现的关键。

1.2 应力波在木材中的传播分析

木材受外力敲击，其应力与应变状态以波的形式向敲击点周边扩散，即应力波。应力波是以一定速度由介质的一部分向另一部分传递的可鉴别信号[13]。

面对海量的数据和信息，新媒体要不断培养高素质的采编人才，对信息的甄别和收集能力有较高的要求。新媒体培养复合型采编人才，一方面，善于组织语言，把握大数据时代受众的心理变化；另一方面，善于借助大数据，从民众的信息发布中获取有效信息，核实并且深度挖掘后进行报道，提高信息采编效率。复合型采编人才要善于经营两微一端的媒体公共关系，营造良好的组织形象，获得民众的心理认同感，从根源树立媒体的威信。

图1 木材中应力波传播模型Fig.1 The model of stress wave propagation in wood

Bullet[14]、Ross[15]、杨学春[16]、李光辉[17]和冯海林[18]等研究发现应力波传播速度除与受测木材类型有关，还与传播截面的纹理角、裂痕、空洞和腐朽等情况有关，并且推导建立一系列数学模型。总体而言，应力波在木材中的传播时间与内部腐朽等缺陷程度呈正相关。

如图1所示，木材受小锤敲击，产生应力波信号，并迅速向敲击点周围扩散。此后，木材截面的其他部位可陆续检测到应力波信号。分别在敲击点与检测点安装计数器，可得到应力波在源点与终点间的传播时间，结合弹性模量、二维成像等分析模型即可实现木材内部检测。

1.3 多通道应力检测原理及应力波速度矩阵

多通道检测技术是指运用多个具有相同检测功能和结构特性的模块，构成多组信号检测通道，以实现多个信号或同一信号多个部分的检测。该检测方法能够有效降低硬件故障、耦合或环境影响造成的偶然误差，提高检测精准性。

本研究运用多通道检测技术检测木材截面不同部位的同源应力波信号。各部位检测到应力波信号的时间间隔非常微小，仅以微秒计，因此必须采用相互之间完全独立的多通道检测模式。

其中，木材无损检测设备的每个传感器都是一个检测通道，任意两个传感器间都是一个应力波信号传播通道。因此，若设备装载有x个传感器，则信号通道数y等于x的自由组合数，见公式(1)。y个信号通道在检测截面相互交织，共同反映了木材截面的内部特征，如图2所示。

(1)

图2 多通道木材无损检测原理示意图Fig.2 The diagram of multi-channel wood nondestructive detection principle

结合源终点可调换方法，分别以各传感器为信号源点，其他传感器为信号终点，可获得x×(x-1)个速度数据，组成x×x的速度矩阵。见公式(2)，v(x1，x2)为速度矩阵中坐标为(x1，x2)的数值，x1为信号源点传感器编号，x2为信号终点传感器编号。该矩阵包含了检测结果及信号源终点等信息，数据提取、叠加和速度对比分析后即可最大限度的还原木材截面信息，满足弹性模量分析、二维成像分析等进一步研究的需要。

(2)

2 软硬件设计

为有效改善分散并行数据传输模式抗干扰性弱、接线复杂等问题，本系统采用了CAN总线数据传输模式。并以此为基础，结合多通道串行检测与源终点可调换方法，即各传感器轮流充当信号源点，产生应力波信号，由其余充当信号终点的传感器检测应力波信号，以实现便捷、高效的木材无损检测。分散并行线数据传输系统与CAN总线数据传输系统模型如图3所示。

图3 数据传输系统模型对比图Fig.3 The comparative diagram of data transmission system model

2.1 硬件设计

如图4所示，木材无损检测设备由主机、传感器和CAN通讯三部分组成。其中，主机是部件控制、人机交互应答和数据处理中心，传感器是应力波信号检测和数字化处理终端。CAN通讯系统则负责连接主机与各传感器。

主机部分由中央处理器、显示模块、无线通讯模块、控制模块和数据存储模块组成。其中，显示模块采用了ATK-7′TFTLCD电容触摸液晶屏，配合按键、旋钮等控件实现参数设置和命令操作等，共同构成人机交互基础。无线通讯模块则采用GPRS，是中央处理器与上位机数据传输的桥梁，完成数据的最终汇集，以供进一步分析。

传感器部分包括传感器控制单元和检测电路两部分。其中，检测电路由压电陶瓷片、电压跟随器、滤波器、运放、比较器等基本电路单元构成，将应力波信号转变为电信号，并进行滤波、放大、单极性转化和电压比较操作，使之转化为可供传感器控制单元(STM8S208C6T6单片机)捕捉、处理、传输的数字信号。

如图5所示，CAN通讯系统由CAN总线及其13个通信结点组成。每个通信结点又由CAN收发器、CAN控制器和ID标识电路构成。CAN通讯系统中所有通信结点均可占有主控地位，结合源终点可调换方法即构成了多通道串行检测的硬件基础。

CAN收发器为TJA1050型，用于CAN控制器二进制数据与CAN总线差分信号的相互转化。分别通过CAN_Tx、CAN_Rx与CAN_High、CAN_Low信号线与CAN控制器和CAN总线相连。CAN控制器为单片机内置部件，由发送邮箱Tx_Mailboxes、接收过滤器Acceptance Filters、接收邮箱Receive FIFO及状态的模块构成。可储存、自动收发、重发及过滤报文。

图4 多通道木材无损检测硬件框架图Fig.4 The hardware frame of multi-channel wood nondestructive equipment

图5 CAN总线传输系统模型图Fig.5 CAN bus transmission system model

ID标识电路是源终点可互换方法实现的关键。其功能模型可简化为一个4位拨码开关，通过不同拨码序列为各通信结点设定ID。ID即是通信结点的地址，又是是否接收报文的判断依据，还是两个或多个结点同时发送报文时，优先占用CAN总线的依据。此处，ID标识电路的应用使得各传感器与指定ID始终一一对应，而不受系统重启、复位或主控结点变化的影响。根据ID标识电路，中央处理器实现信号源终点的判断、数据的分类保存。实际电路通过传感器控制器指定引脚处于接地或悬空状态以进行ID标识的。

2.2 软件设计

系统程序总流程如图6所示。设备安装完毕后启动电源，初始化各功能模块。硬件安装包括传感器固定和CAN总线线路连接。初始化除液晶显示、控制按钮、GPRS、数据存储、检测电路初始化，还包括主机控制器、传感器控制器待检测状态初始化和CAN通讯系统配置初始化。

初始化完成，即进行检测传感器数量设定，该设置直接影响检测效果。传感器数目根据木材胸径大小设定，与检测准确度呈正相关。同时，随传感器数目增加，检测时间增长，分析难度加大，且对于小胸径木材传感器过多会加大安装难度，影响检测准确度。综合考虑，建议以12个传感器为宜[19-20]。

图6 系统流程图Fig.6 System flowchart

主机通过CAN通信系统，采用0.5 Mbit/s的高速传输模式，以广播发送命令各传感器打开应力波信号产生与检测功能，开启各传感器内部循环计时器。对传感器尾部物理敲击产生应力波，通过传感器检测电路检测应力波。0.5 Mbit/s高速传输模式使得各传感器几乎同步读取并处理命令，各传感器计时器最大开启时差不超过2 us，该误差时间远小于应力波在木材中的传播时间，保证检测结果可靠。

检测阶段，主机依次接收各传感器检测数据，进行初步处理确认后保存并上传。信号源点在信号产生瞬间向主控单元处理器发送内部计时器数值t0(即tx1)，各信号终点检测到信号瞬间停止计时，发送计时数值tx(即tx2)。根据公式(2)可得各传播通道速度数据v(x1,x2)，保存于速度矩阵对应位置，通过液晶予以显示。之后设备自动进入下一轮检测，直到所有传感器均轮流充当信号源点，得到完整的速度矩阵。所有检测数据可通过移动储存设备保存或通过无线传输功能直接发送给上位机以备进一步的分析处理。

本系统软件实现的核心是CAN通讯与源终点可互换方法的结合。如图7所示，待CAN总线完成初始化，各节点随即进行ID识别，并在接收到应力波信号产生与检测功能开放命令的同时，同步开启控制器内部计时器。此后，任意传感器(若为A传感器)受敲击产生应力波信号，即停止(A传感器)控制器内部计时器，先占用CAN总线，保证源点数据最先到中央处理器。此后各传感器陆续接收到应力波信号，停止计时、计数、发送数据，直到所有传感器均完成信号检测。当第一轮检测及数据传输完成后除A外的其余传感器信号产生功能被允许，并轮流充当信号源，直到所有传感器均当过信号源并完成相应检测和数据传输与保存。

图7 源终点互换的数据捕获和传输方法Fig.7 Method of data acquisition and transmission based on source end exchange

3 结论与建议

本研究建立在机械应力波木材无损检测技术 基础上，采用CAN通信系统，结合多通道串行检测与源终点可调换方法，设计了多通道木材无损检测设备。

本设备采用CAN串型通信方式，具有安装简洁，数据传输迅速和安全等特点。运用源终点调换方法，有效简化操作过程，提高检测准确度和检测效率。以速度矩阵形式保存检测数据，实现小数据量中记录多种检测信息，对后续分析十分有利。

该设备系统稳定性与便携性突出，适应多种复杂环境作业，满足林业单位和木材企业对林木保护和木材品质检测的普遍需求。为国家木质资源检测、监管以督促林业资源得到合理运用提供了新的手段和平台。

[1]顾杰，顾忠盈，朱光耀，等.我国进口木材需求及数量变化分析[J].广州农业科技，2009(10)：199-202.

[2]冯国红，王立海，杨慧敏，等.应力波木材无损检测信号采集系统[J].森林工程，2008，24(2)：22-24.

[3]孙海波.谈木材检验发展趋势[J].民营科技，2013(11)：36.

[4]姜忠华，申世杰，翟志文，等.木材无损检测的现状与发展趋势[J].林业机械与木工设备，2010，38(2)：4-7.

[5]杨洋，申世杰.木材无损检测技术研究历史、现状和展望[J].科技导报，2010，28(14)：113-117.

[6]李光辉，尹建新.基于应力波的木材无损检测技术研究进展[C].先进制造技术高层论坛暨第六届制造业自动化与信息化技术研讨会，2007：189-193.

[7]管眴，赵茂程，王正.基于应力波技术测试木材材质的研究进展[J].林业机械与木工设备，2013，41(2)：15-17.

[8]尚大军，段新芳，杨中平.应力波无损检测技术及其在木结构古建筑保护中的应用[J].世界林业研究，2008，21(2)：44-48.

[9]Garcia R A，Carvalho A M D，Matos J L M D，et al.Nondestructive evaluation of heat-treated Eucalyptus grandis，Hill ex Maiden wood using stress wave method[J].Wood Science and Technology，2012，46(1)：41-52.

[10]李华，石志敏，张晓芳，等.无损检测技术在故宫古建筑木结构材质勘查中的应用[C].中国紫禁城学会论文集(第六辑下)，2007：613-622.

[11]Fang Y，Feng H，Li J，et al.A DSP based stress wave instrument for wood decay detection[J].International Journal of Digital Content Technology and Its Applications，2011，5(8)：415-422.

[12]林新荣.CAN总线与RS-422A通信适配器的设计与实现及抗干扰分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[13]考尔斯基.固体中的应力波[M].王仁，译.北京：科学出版社，1958.

[14]Bulleit W M，Falk R H.Modeling stress wave passage times in wood utility poles[J].Wood science and technology，1985，19(2)：183-191.

[15]Ross R J，Pellerin R F.NDE of wood-based composites with longitudinal stress waves[J].Forest Products Journal，1988，38(5)：39-45.

[16]杨学春，王立海.应力波在原木中传播理论的研究[J].林业科学，2005，41(5)：132-138.

[17]Li G，Wang X，Feng H，et al.Analysis of wave velocity patterns in black cherry trees and its effect on internal decay detection[J].Computers and Electronics in Agriculture，2014，104(2)：32-39.

[18]冯海林，李光辉，方益民，等.应力波传播模型及其在木材检测中的应用[J].系统仿真学报，2010，22(6)：1490-1493.

[19]王立海，徐华东，闫在兴，等.传感器的数量与分布对应力波检测原木缺陷效果的影响[J].林业科学，2008，44(5)：115-121.

[20]刘丰禄，张厚江，姜芳，等.人工林活立木材质应力波无损检测研究进展[J].林业机械与木工设备，2015，43(3)：8-12.

Multi-channel Wood Nondestructive Testing Equipment Design

Peng Jie，Feng Hailin，Fang Yiming，Li Jian*

(College of Electronical and Information Engineering，Zhejiang Agriculture & Forestry University，Linan，Hangzhou，311300)

There are many kinds of technology for wood nondestructive testing at present,however，the innovation and development of professional testing equipment are relatively weak with the common issues of expensive cost，complex installation，operating tediously and inefficient in detection，etc.Based on the present situation，a new type equipment for wood nondestructive testing was developed in this study mainly using the technologies of CAN bus CAN bus data transfer，source end exchange and multi-channel serial detection and so on.This nondestructive testing equipment achieves the functions to automatically obtain the stress wave propagation velocity matrix.This equipment has the characteristics of simple structure，easy operation，high stability and accuracy，and efficient as well as the characteristics in improving the testing efficiency and decreasing the labor intensity.

CAN bus；source end exchange；multi-channel serial detection

2016-07-01

国家自然科学基金项目(61272313；61302185；61472368)；浙江省自然科学基金项目(LQ14F020014)；浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划项目(2015R412016)

彭杰，本科生。研究方向：木材无损检测装备研发。

李剑，博士，讲师。研究方向：从事木材无损检测科研及教学工作。E-mail：lijian0120@foxmail.com

彭杰，冯海林，方益明，等.多通道木材无损检测设备设计[J].森林工程，2017，33(1)：47-51.

S 781

A

1001-005X(2017)01-0047-05