李智勇，杜江，朱強(qiáng)

　　（重慶郵電大學(xué) 信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

       摘要：介紹了一種基于OMAPL138嵌入式處理器的球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)實(shí)際需求和當(dāng)前球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)方法，提出對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)方案。該方案利用OMAPL138內(nèi)部?jī)蓚€(gè)處理器內(nèi)核在架構(gòu)上的非對(duì)稱(chēng)性，更為高效地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的人機(jī)交互功能和數(shù)字信號(hào)處理。通過(guò)對(duì)球磨機(jī)產(chǎn)生的磨音信號(hào)進(jìn)行頻域分析，判斷球磨機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)，為球磨機(jī)控制策略的調(diào)整提供相關(guān)參考依據(jù)。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于水泥制造、金屬選礦等使用球磨機(jī)的行業(yè)。

　　關(guān)鍵詞：球磨機(jī)；負(fù)荷檢測(cè)；嵌入式；OMAPL138處理器

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.20.024

　　引用格式：李智勇，杜江，朱強(qiáng). 基于OMAPL138處理器的磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（20）：8789.

0引言

　　球磨機(jī)被廣泛應(yīng)用在水泥制造、金屬選礦等需要將原材料碾磨成粉末的作業(yè)中。由于球磨機(jī)內(nèi)部的不透明性，其負(fù)荷狀態(tài)很難直接檢測(cè)，因此工作人員無(wú)法及時(shí)調(diào)整球磨機(jī)工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致了球磨機(jī)多數(shù)時(shí)間工作在“飽磨”或“空磨”的狀態(tài)，造成球磨機(jī)本身的損耗和大量能源浪費(fèi)［1］。為避免此類(lèi)磨損并降低能耗，需要實(shí)時(shí)獲取球磨機(jī)負(fù)荷信息，以此為依據(jù)，調(diào)整其工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的球磨機(jī)負(fù)荷測(cè)量方法有球磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸振動(dòng)信號(hào)分析法、物料進(jìn)出口重量壓差檢測(cè)法、轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)工作電流檢測(cè)法等，每種方法都有其獨(dú)到之處，但也有很大的局限性。相關(guān)研究表明，通過(guò)對(duì)球磨機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的磨音信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析可以更好地獲取到球磨機(jī)負(fù)荷相關(guān)的信息［2-5］。

　　某水泥生產(chǎn)企業(yè)一線(xiàn)工作人員提出希望可以直接觀測(cè)到磨音信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)波形，以便協(xié)助他們更準(zhǔn)確地判斷出球磨機(jī)的工作狀態(tài)。其管理人員也希望可以在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)直接觀測(cè)磨音信號(hào)的頻域波形，以便獲得更多球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息。這些需求使得原本單一的磨音信號(hào)分析系統(tǒng)需要具備更強(qiáng)大的人機(jī)交互、數(shù)據(jù)通信等實(shí)用功能。

　　傳統(tǒng)的球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)使用單一處理器作為系統(tǒng)的控制及運(yùn)算核心［6-8］，處理器既要兼顧繁瑣的系統(tǒng)控制操作，又要兼顧龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算。實(shí)際工程中，使用精簡(jiǎn)指令集(RISC)的微控制處理器很難克服復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算龐大的資源開(kāi)銷(xiāo)，使用復(fù)雜指令集(CISC)的數(shù)字信號(hào)處理器則不擅長(zhǎng)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制等控制類(lèi)操作［9］。這使得此類(lèi)單一處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要在控制功能和數(shù)學(xué)計(jì)算性能上尋找平衡。

　　為了解決單一處理器在架構(gòu)上的缺陷導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行效率不高的問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)使用OMAPL138處理器作為系統(tǒng)的核心，該處理器兼顧RISC架構(gòu)和CISC架構(gòu)處理器的特性，可以有效解決單一架構(gòu)處理器在處理上述問(wèn)題時(shí)遇到的困難。

1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)以O(shè)MAPL138嵌入式處理器為核心，該處理器內(nèi)部包含了一個(gè)ARM內(nèi)核和一個(gè)CISC架構(gòu)的DSP內(nèi)核。在工作中，采用RISC架構(gòu)的ARM核完成包括磨音信號(hào)采集與存儲(chǔ)、異常情況報(bào)警、圖形化的人機(jī)交互功能在內(nèi)的以控制指令為主的簡(jiǎn)單操作；采用CISC架構(gòu)的DSP核用于對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行一系列數(shù)學(xué)分析。這種將簡(jiǎn)單控制操作和復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算操作分而治之的方法使得系統(tǒng)可以高效地完成多樣化的功能。本系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　整個(gè)系統(tǒng)的硬件主要分為三個(gè)部分，分別為磨音信號(hào)采集部分、ARM核和DSP核在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的雙核通信部分以及系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)分析之后將數(shù)據(jù)輸出的接口部分。

　　磨音信號(hào)數(shù)據(jù)采集部分包括拾音器和語(yǔ)音芯片及相關(guān)外圍電路。拾音器將磨音信號(hào)輸入給TLV320AIC3106語(yǔ)音芯片，該信號(hào)會(huì)被嵌入式錄音軟件編碼成WAV格式的音頻文件，這個(gè)文件中的數(shù)據(jù)就是磨音信號(hào)的時(shí)域數(shù)據(jù)。和傳統(tǒng)的通過(guò)預(yù)處理電路傳輸模擬信號(hào)給模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)獲取磨音信號(hào)的方式相比，這種方法可以獲得更為精準(zhǔn)的磨音信號(hào)。

　　雙核通信部分的硬件主要包括一個(gè)DDR2RAM。由于ARM核和DSP核工作時(shí)需要依賴(lài)于對(duì)方的數(shù)據(jù)，且二者無(wú)法直接進(jìn)行異步通信［10］，因此，為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)核心之間的雙核通信，在硬件電路上加入一塊兩個(gè)處理器內(nèi)核都可以使用的內(nèi)存，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)內(nèi)核之間的雙核通信。當(dāng)然，這種設(shè)計(jì)沒(méi)有硬件仲裁功能，還需要在軟件中加入有效的互斥機(jī)制才能保障雙核通信的可靠性，這部分的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　數(shù)據(jù)輸出接口包括了傳統(tǒng)的工業(yè)電流輸出接口、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口和一塊7英寸的液晶觸摸屏。

2軟件程序設(shè)計(jì)方案

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想是所有的任務(wù)由ARM核進(jìn)行調(diào)度，將DSP核看作ARM核的一個(gè)外接擴(kuò)展設(shè)備，該擴(kuò)展設(shè)備的作用是完成信號(hào)的分析，并將結(jié)果返回給ARM核。基于實(shí)現(xiàn)雙核通信的需要，本系統(tǒng)運(yùn)行Linux 3.3操作系統(tǒng)，具體的任務(wù)調(diào)度由該系統(tǒng)下運(yùn)行的嵌入式Qt應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體的程序運(yùn)行流程如圖3所示。

　　系統(tǒng)啟動(dòng)后會(huì)加載用于人機(jī)交互的Qt應(yīng)用程序，該程序會(huì)在Linux后臺(tái)調(diào)用音頻錄音軟件采集磨音信號(hào)，采集到的磨音信號(hào)文件會(huì)被ARM核存放到用于雙核通信的共享內(nèi)存空間中，為了保證雙核通信中傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)使用了自旋鎖來(lái)解決兩個(gè)處理器核同時(shí)操作共享內(nèi)存可能帶來(lái)的數(shù)據(jù)不可靠問(wèn)題。DSP核作為ARM核的外設(shè)，在獲取到數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行包括濾波、時(shí)頻變換、相似度分析在內(nèi)的一系列數(shù)學(xué)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果存放到另外一個(gè)共享內(nèi)存空間，并喚醒ARM核控制的相關(guān)進(jìn)程，ARM核就會(huì)到指定的共享內(nèi)存空間獲取這些數(shù)據(jù)，并通過(guò)人機(jī)交互接口將這些數(shù)據(jù)輸出。

3系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試

　　本系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)而言，一個(gè)重要的創(chuàng)新是通過(guò)液晶觸摸屏實(shí)時(shí)輸出當(dāng)前磨音信號(hào)的頻域波形圖供工作人員參考。為了驗(yàn)證該功能的準(zhǔn)確性，使用音頻發(fā)生器輸出一個(gè)1 000 Hz的音頻信號(hào)，將顯示屏的輸出界面調(diào)到信號(hào)的頻域波形顯示界面，得到的音頻信號(hào)頻域波形如圖4淺色部分所示，圖中深色部分為音頻發(fā)生器工作時(shí)的界面。

　　在測(cè)試時(shí)，拾音器采集到了周?chē)h(huán)境中的其他的聲音，因而系統(tǒng)顯示出的頻域信號(hào)在其他頻點(diǎn)也有對(duì)應(yīng)的信號(hào)，但最為主要的成分集中在1000 Hz這一頻點(diǎn)上，這和實(shí)際的情況完全吻合，這說(shuō)明本系統(tǒng)在音頻信號(hào)的采集、處理器內(nèi)核間的雙核通信、DSP內(nèi)核對(duì)磨音信號(hào)時(shí)頻轉(zhuǎn)換等功能上的設(shè)計(jì)確實(shí)是可行的。

　　為驗(yàn)證其磨音信號(hào)分析功能的準(zhǔn)確性，在某水泥廠中使用該系統(tǒng)進(jìn)行了一次測(cè)試。測(cè)試對(duì)象為一臺(tái)正在工作的球磨機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員告知，球磨機(jī)當(dāng)時(shí)可能處于偏空磨的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，顯示屏輸出的磨音信號(hào)的頻域波形如圖5所示。

　　根據(jù)輸出的頻域信號(hào)波形可知，該磨音頻域主要分布在2500 Hz以下，最為主要的成分集中在1000 Hz左右的中頻段，有大約30%的信號(hào)成分集中在高頻段，這種磨音信號(hào)和經(jīng)典的水泥球磨機(jī)磨音信號(hào)處于偏空磨的頻譜分布趨勢(shì)相類(lèi)似，這和測(cè)試之前被告知的情況相同，從而驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)在磨音信號(hào)分析功能上的準(zhǔn)確性。

4結(jié)論

　　采用OMAPL138處理器作為核心的球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的人機(jī)交互功能和信號(hào)處理性能，其RISC和CISC互補(bǔ)的架構(gòu)可以輕松地完成磨音信號(hào)的分析，并將對(duì)應(yīng)的頻譜直接呈現(xiàn)出來(lái)，供一線(xiàn)工作人員參考。此外，本系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)通信接口，通過(guò)該接口，系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、算法更新等一系列實(shí)用的功能，甚至可以將數(shù)據(jù)通過(guò)這個(gè)接口連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)管理人員通過(guò)計(jì)算機(jī)、手持終端等設(shè)備直接進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能?？傊?，本文設(shè)計(jì)的球磨機(jī)負(fù)荷檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，具有很強(qiáng)維護(hù)和擴(kuò)展能力，可以很好地協(xié)助一線(xiàn)工作人員更為準(zhǔn)確地判斷球磨機(jī)的工作狀態(tài)。

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