木材孔洞缺陷声振检测系统的研究开发

发布时间：2017-09-25 19:01

  本文关键词：木材孔洞缺陷声振检测系统的研究开发

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【摘要】：我国森林资源总量不足,分布不均,而且由于天然林保护工程的实施,使得木材资源短缺的问题日益严峻,国内的需求量却与日俱增,供求矛盾日益显现,加上我国对于木材的综合利用率较低,极大地制约了国民经济的发展。因此合理利用森林木材资源,提高其利用率十分重要,而木材缺陷无损检测正是提高木材利用率的重要举措之一。声振法以操作简单、低成本、对木材无损伤的特点在木材缺陷无损检测中逐渐受到重视。随着FPGA技术的不断发展,FPGA以其高性能、低功耗的特点逐渐应用到声振系统的开发中。因此本文基于FPGA对木材缺陷声振检测系统进行了研究和开发。本文首先研究分析了现有的木材缺陷声振检测系统的优点与不足,根据声波信号采集理论、FPGA设计方法及低功耗系统设计理论及方式、信号传输方式以及上位机处理算法等内容,分析系统需求,提出木材缺陷声振检测系统的总体结构与工作流程。其次以莱迪思FPGA芯片iCE40HX1K为核心,同时选用低功耗的音频编解码芯片WM8731、USB转换芯片FT2232H等器件,在Altium Designer中完成了系统各个模块电路原理图设计和PCB制板,包括电源模块、程序下载模块、声波信号采集模块以及USB通信模块等。然后根据莱迪思FPGA的开发流程,在iCE40 cube2开发环境中完成系统各个模块的接口设计和Verilog HDL硬件描述,其中包括全局复位设计、WM8731驱动控制器设计及一些数据处理如串并转换、阈值判断、数据截取等,以及对系统进行了升级改进,提高了采样频率和增加了采样点。还包括数据缓存器FIFO的建立以及FPGA与FTDI芯片的接口设计,实现了数据的采集、处理、上传。最后在上位机处理模块中完成数据的读取和缺陷的识别。通过对系统的实验测试验证,系统能够实现对木材孔洞缺陷的检测,包括位置和大小的识别；减少了芯片逻辑资源的消耗,大大地降低了系统静态和动态功耗,延长了电池的使用时间,实现了低功耗的设计要求。
【关键词】：木材缺陷检测 低功耗 声振 莱迪思FPGA
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP274;S781.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-15
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 木材缺陷无损检测技术概述9-13
• 1.3 木材缺陷声振检测系统的发展现状13-14
• 1.4 本文研究的主要内容14-15
• 2 木材缺陷声振检测系统概述15-21
• 2.1 木材缺陷声振检测系统的需求分析15
• 2.2 声波信号采集原理15-16
• 2.3 FPGA相关介绍16-19
• 2.3.1 FPGA特点及基本结构16-18
• 2.3.2 FPGA功耗组成18
• 2.3.3 降低功耗的方法18-19
• 2.4 木材缺陷声振检测系统的总体结构及工作流程19-20
• 2.5 本章小结20-21
• 3 检测系统硬件设计21-29
• 3.1 FPGA最小系统电路设计21-24
• 3.1.1 FPGA器件选型21
• 3.1.2 电源模块设计21-22
• 3.1.3 下载模块设计22-24
• 3.2 声波信号采集模块电路设计24-25
• 3.3 USB通信模块电路设计25-27
• 3.4 本章小结27-29
• 4 检测系统软件开发29-41
• 4.1 系统开发环境及硬件描述语言29-30
• 4.1.1 开发环境29
• 4.1.2 硬件描述语言29-30
• 4.2 全局复位设计30
• 4.3 WM8731驱动控制设计及数据处理30-36
• 4.3.1 控制接口单元31-33
• 4.3.2 数字音频接口单元33-34
• 4.3.3 阈值判断34-35
• 4.3.4 边沿D触发器的设计35-36
• 4.3.5 数据截取模块设计36
• 4.4 数据缓存FIFO模块设计36-37
• 4.5 FIFO模块与通信模块接口设计37-38
• 4.6 上位机处理模块38-40
• 4.6.1 数据接收部分38-40
• 4.6.2 数据处理部分40
• 4.7 本章小结40-41
• 5 系统测试41-46
• 5.1 孔洞缺陷位置检测41-43
• 5.2 孔洞缺陷大小检测43
• 5.3 功耗测试43-44
• 5.4 逻辑资源消耗44-45
• 5.5 本章小结45-46
• 6 结论与展望46-47
• 参考文献47-52
• 附录52-67
• 攻读学位期间发表的学术论文67-68
• 致谢68-69

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本文编号：919007