《高频数据线缆偏心在线检测装置技术的研究》 技术研究开发总结报告东莞岳丰电子科技有限公司电子科技大学2013年9月目录1.采用的详细技术路线，技术原理及主要技术特征 (3)1.1 非接触式高精度偏心在线检测技术 (3)1.2 测试原理研究 (4)1.2.1 激励源DDS信号发生器 (5)1.2.2 系统的硬件设计 (7)1.2.3 系统的软件设计 (7)1.3 生产信息数字化传输技术 (8)1.4 信号滤波处理技术 (8)2.项目研究的目的及意义 (10)3.主要技术经济指标 (11)1）项目预期实现的技术指标 (11)4.技术创新点，技术的新颖性、先进性、实用性和成熟度，主要技术指标与国内外同类技术先进水平的比较，对社会经济发展和科技进步的作用意义 (12)4.1生产过程的偏心在线实时检测 (12)4.2线缆制造过程监控管理 (14)5.成果转化和推广应用的条件及前景 (16)6.存在的主要问题、改进意见及进一步深入研究的设想等 (17)1.采用的详细技术路线，技术原理及主要技术特征项目以需求为研发导向，重点突破面向制造装备的可重组的开放式数字化平台的检测、控制及设计技术，开发满足特殊工艺要求的关键技术（在线检测工艺流程示意如图1所示），使之能适应各类生产制造装备的检测与控制，进而实现数字化线缆生产线的技术升级。
上位机 张力监测速度检测外径检测外径检测 偏心检测图1 生产过程在线实时检测工艺流程1.1 非接触式高精度偏心在线检测技术目前高频数据线缆生产中除了开机初期可以靠熟练工人采用人工剥切凭经验检测外，其他时段则只有无损检测方法可行。
这种方法就是对线缆成品进行切割，在线缆截面上通过千分尺测量和人的肉眼观察的方法判断线缆是否发生了偏心。
这种检测方法的缺点在于无法实现线缆偏心度的在线实时检测，检测精度较低，而且属于破坏性检验，造成了材料的浪费。
本项目提出了一种基于电涡流非接触式检测方法。
电涡流产生的磁场与检测线圈产生的交变磁场相互作用，导致原线圈磁场发生变化，从而改变检测线圈阻抗的大小。
通过测定检测线圈阻抗的变化，可以对导体试件的性质以及导体试件和检测线圈之间距离进行检测；然后对微弱电信号进行调理，经过滤波放大电路和模数转换电路后，由DSP嵌入式处理器完成数据处理和传输。
项目以DSP嵌入式处理器作为核心控制器，基于模块化组件架构思路，设计开发驱动模块、信号提取模块、数字显示模块、报警处理模块及串口通信模块等基本功能模块。
1.2 测试原理研究由涡流检测原理可知，当载有交变电流的传感器检测线圈靠近导体试件时，由于线圈交变磁场的作用，试件中会感应出电涡流，涡流的大小受导体试件的性质、导体与检测线圈之间的距离以及检测线圈内电流频率的影响。
电涡流产生的磁场与检测线圈产生的交变磁场相互作用，导致原线圈磁场发生变化，从而改变检测线圈阻抗的大小。
通过测定检测线圈阻抗的变化，可以对导体试件的性质以及导体试件和检测线圈之间距离进行检测。
电涡流式电缆偏心检测正是基于这一原理。
图2 偏心传感器示意图检测时，偏心传感器检测线圈中通有频率为400kHz的交变电流，偏心传感器的探头紧贴电缆表面绕电缆周向以1000r／min的速度旋转。
由于电缆线芯是导体，因此偏心传感器检测线圈产生的交变磁场φ，会在电缆线芯中感应出涡流，涡流产生的磁场φe会与φl相互作用。
若电缆发生偏心，则电缆周向绝缘厚度d就不均。
在偏心传感器探头旋转过程中，电缆线芯和偏心传感器检测线圈之间的距离就会发生变化。
受其影响，偏心传感器检测线圈的阻抗也会随之发生变化。
电缆偏心是指电缆的导电线芯与绝缘层不同心，造成了横截面上绝缘厚度不同，本系统选用电涡流传感器作为偏心信号的采集部件。
系统进行偏心测量时，电涡流传感器与被测电缆相切绕电缆周向旋转，采集周向各不同位置传感器与导电线心之间的距离值，即电缆的绝缘厚度，从而获得偏心检测。
偏心检测系统框图如图3所示：图3 偏心检测系统框图1.2.1 激励源DDS信号发生器DDS器件采用了高速数字电路和高速D/A转换技术,具备了频率转换时间短、相对带宽宽、频率分辨率高、输出相位连续和相位可快速程控切换等优点，可以实现对信号的全数字式调制。
而且，由于DDS是数字化高密度集成电路产品，芯片体积小、功耗低，因此可以用DDS构成高性能频率合成信号源来取代传统频率信号源产品。
直接数字式频率合成技术原理如图4所示，是根据奈奎斯特采样定律，从连续信号的相位出发将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，存于EPROM中，合成时，通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量。
相位增量不同，一个正弦周期内的采样点数不同。
在时钟频率即采样频率不变的情况下，通过相位增量的改变来实现频率的改变。
图4 直接数字式频率合成技术原理DDS技术可以理解为数字信号处理中信号综合的硬件实现问题，即给定信号幅度、频率、相位参数，产生所需要的信号波形。
从系统的角度可以认为是给定输入时钟和频率控制字，输出某一对应的正弦信号。
比较了不同类型DDS芯片的特点，本系统选用AD9854。
图5 AD9854内部结构如图5所示，为AD9854内部结构图。
AD9854主要由时钟乘法器、48位频率累加器、48位相位累加器、正弦转换表、反辛格函数滤波器、数字幅度调制乘法器、编程寄存器、频率和相位控制字乘法器与调频控制逻辑、12位正交数模转换器、I/O口缓冲器、比较器等组成。
AD9854 把DDS 技术和高速D/A转换器结合在一起，形成一个全数字化、可编程的频率合成器。
在一个精确时钟源的控制下，可产生一个频谱纯正、频率-相位-幅度可编程的正弦波信号。
AD9854 工作频率高、I / O 端口功能丰富。
通过适当的测量电路，把检测线圈等效阻抗的变化转化成电压的变化，建立电压幅值和电缆绝缘厚度之间的线性对应关系。
利用DSP嵌入式处理器和A／D转换器制作数据采集器，对这电压幅值进行采样检测，根据检测到的电缆周向不同绝缘厚度对应的电压幅值，求出电缆周向不同位置对应的绝缘厚度，计算电缆的偏心度，判断电缆的偏心情况；检测装置以高性能嵌入式计算机作为控制和数据处理的平台，采用CAN总线以满足工厂现场网络的要求，可实时传送检测数据至上位机，实现实时的在线监控，RS232/485提供在线的配置功能，液晶显示提供现场检测数据显示。
1.2.2 系统的硬件设计核心运算单元采用DSP作为主处理器。
根据线缆偏心检测系统的要求和DSP 的特点，合理的设计了DSP相应的外围硬件电路以及核心电路，实现了该检测系统的各部分功能。
其中外围电路包括AD驱动电路、片外AD采样电路、数据缓存电路、CAN及串行通讯接口电路等。
1.2.3 系统的软件设计使用DSP开发环境CCS进行软件开发，主要完成了数据采集，数据处理及数据传输功能。
为了进行模块化编程同时简化编程过程，缩短开发周期，本项目使用了C和汇编语言混合编程来完成相关软件的设计开发。
本设计不仅要求能够对数据进行简单的采集，而是要对所采集的数据进行处理和传输。
普通的单片机内部少有硬件乘法器，在数据处理过程中，进行矩阵乘法就要耗费大量的时钟周期，从而降低了整个系统的性能，不能够达到设计所需要的目标。
基于上述因素的考虑，系统设计时选择了MICROCHIP公司PIC30F5011，功耗较低，性价比较高，能够较好的满足本系统性能的要求。
对线缆内部结构的研究可知，线缆具有高低密度材料交错的复合多层结构，且某些层面厚度极小。
表面上看，线缆的结构并不复杂，但从电涡流检测的原理来看，这种复合结构的微小尺寸检测要比其它检测困难得多。
在数字信号检测系统中，检测对象内部结构和具体尺寸的载体是电信号，检测结果的准确性与检测系统数据采集质量及行之有效的信号处理方法紧密相关。
考核检测系统的主要技术指标是分辨率，它包括两个方面，其一是密度分辨率即厚度对比灵敏度，它是指系统可分辨的构件的厚度相对变化的能力，主要由信号处理的对比度决定；其二是信号的空间分辨率，指从信号处理上可分辨的微细结构能力。
该检测系统最主要的就是优化系统设计，实施良好的信号采集和数字信号的处理，如何提高检测灵敏度和分辨率并据此设计一套实用的电涡流线缆尺寸检测系统是本课题研究的主要内容。
1.3 生产信息数字化传输技术各个检测环节的规范数字化接口设计。
通过对检测设备采集信号的数字化转换，形成具有统一时标的便于远程传输与实时存储的过程数据格式。
从而可以有效解决生产过程中产品检测的时空一致性问题，形成检测标准的规范化管理。
将处理后的数据通过串口发送到上位机。
1.4 信号滤波处理技术为了提高检测系统的精度，系统中采用了模拟滤波器和数字滤波器。
根据检测系统中信号的特点，分别确定了模拟滤波器和数字滤波器的性能指标，设计了抗混叠的3阶巴特沃思模拟滤波器和5阶椭圆型IIR低通数字滤波器，并采用适当的方法进行了实现。
数字滤波器的设计就是根据数字滤波器的性能指标，确定一个因果稳定的离散线性时不变系统的系统函数H(Z)，使其频率特性满足数字滤波器的性能指标。
数字滤波器的设计分为IIR数字滤波器和FIR数字滤波器两种，每一种都包括不同的方法。
IIR数字滤波器设计就是根据滤波器的性能指标，设计滤波器的分子和分母多项式。
设计IIR数字滤波器一般有以下两种方法：1）先设计一个合适的模拟滤波器，然后变换成满足预定指标的数字滤波器。
模拟滤波器已经具有很多简单而又现成的设计公式，并且设计参数已经表格化了，设计起来既方便又准确。
利用模拟滤波器设计数字滤波器就是要把s 平面映射到z平面，也就是使数字滤波器能模仿模拟滤波器的特性，主要有以下几种映射方法：冲激响应不变法、阶跃响应不变法、双线性不变法。
2）计算机辅助设计法。
先确定一种最优准则，然后求存此最优准则下滤波器系统函数的系数，这种设计一般得不到滤波器系数作为所要求的理想频率响应的闭合形式的函数表达式。
FIR数字滤波器设计就是根据滤波器性能指标，确定滤波器的系数b(n)。
IIR 数字滤波器设计中的各种变换方法对FIR数字滤波器设计是不适用的，因为IIR 滤波器设计中利用的是有理分式的系统函数，而FIR数字滤波器的系统函数只是z-1。
的多项式。
FIR数字滤波器的设计方法主要有：窗函数设计法、频率抽样法、最优化设计法。
数字滤波器的各种设计方法都具有大量的计算，人工计算相当麻烦。
利用专门的应用软件可以简化计算，为设计带来很多方便。
MATLAB具有功能强大的信号处理和滤波器设计工具箱，设计滤波器时，很多计算可以借助MATLAB来完成。
根据电涡流式电缆偏心检测系统中数字滤波的特点，选用IIR数字滤波器，IIR数字滤波器一般包括巴特沃思型、切比雪夫型和椭圆型(考尔型)。
借助MATLAB数字滤波器完全设计方法，经过仿真设计和比较，确定选用椭圆型IIR 数字滤波器。
