（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp技术的复合材料实时小波分析模块设计.pdf

堕塞塾窒塾墨奎兰堡主兰鱼堡茎 一 摘要 ( 结构健康监测是智能材料与结构研究领域的一个重要研究方向，而小波分析被认 为是提取材料结构损伤特征的重要方法托本文中，针对复合材料结构主动监测系统 设计了基于d s p 技术的小波分析模块，从而使得小波分析实时性加强，实现了系统 小型化。论文中重点讨论的是小波分析m a l l a t 算法。小波分析模块实现了以t i 公司生产的d s p 系列中的1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为核心芯片，采用采样速率为4 0 0 k 的 a d 7 8 6 5 ，辅助c p l d ，成功实现了对复合材料引出的传感信号的数据采集，并进行实 时小波处理的功能。在将来的工作中，通过比较复合材料损伤信号和无损伤信号的细 节信号的差异，提取同损伤相联系的特征，就能进行材料损伤位置及损伤程度等判定 工作。所有的工作都可采用d s p 技术进行系统集成。 关键字：结构健康监测；主动监测系统，小波分析j d s p 技术 第1 页 苎王里翌茎查竺茎宣塑壁壅堕! ：茎坌堑堡苎堡盐一 a b s t r a c t s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h eh o ta r e a o fs m a r tm a t e r i a la n ds t r u c t u r ea n dw a v e l e ta n a l y s i sm e t h o di sd e m o n s t r a t e dt ob ea p r o m i s i n gm e t h o dt oe x t r a c tt h ef e a t u r e so fs t r u c t u r a ld a m a g e h at h i sp a p e r ，aw a v e l e t a n a l y s i sm o d u l eb a s e do nd s pi m p l e m e n t a t i o nw a sd e v e l o p e df o ra c t i v ec o m p o s i t e h e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e mt om a k e t h ew a v e l c ta n a l y s i ss y s t e mm u c hn 1 0 r es m a l l e ra n dp o r t a b l e t h ei m p l e m e n t a t i o no f 【a l l a ta l g o r i t h m 、i t l ld s ps y s t e r nf o rw a v e l e ta n a l y s i sw a s d i s c u s s e di nd e t a i l t h ed s p s y s t e mi sc o m p o s e do ft m s 3 2 0 v c 5 4 0 2c h i p a d7 8 6 5w i t h 4 0 0 ks a m p l er a t i n ga n dc l o c kc i r c u i t e t c t h es i g n a lf r o mt h em a t e r i a li ss e n ti n t ot h e d s p s y s t e m ，t h e l lt h ed e c o m p o s e ds i g n a l sa r es h o w n o nt h es c r e e n i nt h ef u t u r ew o r k t h r o u g hc o m p a r i n gt h ed e t a i ls i g n a lf r o md a m a g es p e c i m e nw i t ht h es i g n a lf r o mh e a l t h y s p e c i m e n ，t h ed a m a g es i g n a t u r e c a nb ee x t r a c t e d k e y w o r d s ：w a v e l e t a n a l y s i s ；d s pt e c h n o l o g y ；d a m a g em o n i t o r i n g ；c o m p o s i t e m a t e r i a l 第2 页 ：直塞塾皇堕丕查兰堡主兰垡堡苎 第一章绪论 1 1 结构健康监测的概念、研究内容及前景 1 1 1 结构健康监测的概念 结构健康监测的系统来源于仿生，它采用埋入或表面粘贴的传感器作为神经系 统，能感知和预报结构内部缺陷和损伤，结构整体与局部的变形、腐蚀，支撑失效等 一系列的非健康因素，是一种对材料或结构进行无损评估的方法。结构健康监测的提 出，将有可能把目前广泛采用的离线，静态，被动的材料及结构的损伤监测，转变为 在线、动态实时健康监测，导致工程结构及材料安全监测与性能改善的思路产生质 的飞跃，是结构及材料设计思想的一场革命。 理想的结构健康监测方法应能准确地在损伤发生的初期，发现损伤并能够定位及 确定损伤的程度，进而提供结构的安全性评估，并能预测损伤结构的剩余寿命。通常 损伤监测有五个目标，其难易程度和复杂性逐次增加【l 捌： 目标一：确定损伤有无： 目标二：确定损伤位置： 目标三：结构安全性评估； 目标四：预测结构安全寿命： 目标五：健康自适应控制。 1 1 2 结构健康监测的研究内容 结构健康监测的主要研究内容包括传感技术、信号处理技术、识别与诊断技术 与集成技术。 l 传感技术 在结构健康监测中最常用的传感器有：光纤传感器和压电材料。光纤传感器有电 绝缘、耐腐蚀、能在强电磁干扰等条件下工作等优点，但成本较高，设备也比较复杂， 应用范围可以从民用结构到航空航天结构。压电材料既可以用作传感器也可以用作驱 动器，灵敏度高，动态性能好，应用也较广泛。但它有脆性大，不易埋入结构中，低频 特性差等缺点。上述传感器不仅应该满足点测量的要求，而且应该能够组成一种经 济可靠的分布式传感网络，从而实现大范围连续的健康监测。 通常的监测系统可分为主动监测系统和被动监测系统。在被动测试系统中，只 是通过传感器用以测量结构的响应，感知外界的温度、机械、或化学变化，这些未知 的机械和飞机械的信号需要通过传感器来确定。不同于被动监测系统的是，主动监测 系统通过驱动器对结构施加主动激励信号，通过传感器接收结构的响应信号。具体步 骤是p 】：传感器通过内置的驱动器来产生激励信号，并通过传感网络感知系统的响应， 第1 贾 受控的激励信号用来查询结构内部是否存在损伤，损伤特征可以在响应信号中通过传 感信号反映出来。其优于被动监测系统的地方是可在任何需要的时刻对结构进行在线 监测，无需时刻监测，有效节省能源，同时对环境噪声和干扰具有抑制能力a 2 信号处理 从传感器采集的信号包含很多信息。通常情况下，由于外界环境噪声的影响，使 得对损伤特征信号的分析和提取异常困难。因此选择合适的信号处理方法就显得尤为 重要。如传统的傅立叶分析方法、时一频分析方法。 信号处理技术包括信号的前处理( 预处理) 以及信号分析等部分。在对信号进行 分析之前，从传感器采集到的信号需要进行前处理，过滤掉大部分的无用及干扰信号。 如利用时一频分析方法中的小波分析m a l l a t 算法可将含有噪声信号的传感信号分解 到不同频段上，根据先验知识去掉噪声信号所在的频率段，再对信号进行重构。信号 分析则是对信号进行损伤特征提取，获得结构的损伤特征，如采用先进的小波神经网 络方法( 4 。“，从而判断结构的健康状况。 3 损伤的识别及判断 损伤的识别与判断是结构损伤诊断中的核心内容，它决定了系统的准确性及可 靠性。建立损伤特征与传感信号特征之间的关系是系统的基本要求。除了损伤之外， 还有很多因素影响传感信号，因此获得结构损伤与特征信号之间的关系有很多困难需 要克服。 从数学意义上来说，结构健康监控是一个非线性的反问题。采用模型分析，系 统识别，人工神经网络、遗传算法，优化计算等在结构健康监控上已经取到了不少 结果。然而，大部分的研究是建立在结构简化以及可控制的实验室环境下完成的。因 此无论从实际结构获得的测试数据还是对实际结构的理论分析，以及依靠大量历史数 据来实现健康监控，都还有很多工作要做。 4 系统集成 系统集成包括软件和硬件两部分。主要研究的内容包括m ： 结构集成：通常意义上，将传感及驱动器集成入主体结构会影响主体结构的机械 性能，也会影响到传感器件的本身性能，从而影响到传感信号的准确性和真实性，这 些影响必须减到最小。 用户界面：提供简单易用的用户界面系统。 微型化：作为主体结构的一部分，整个系统尺寸应尽量减小。如采用先进的d s p 技术，将结构健康监测系统进行系统集成，使得结构的小型化切实可行。 1 1 3 结构健康监测的应用前景 在工程中有很多材料需要不同形式的维护及健康监测，以延长结构的使用期限， 防止结构发生灾难性的破坏。而当前普遍采用的维护技术耗时、费力，并且费用昂 贵，特别对于复合材料结构。目前复合材料的损伤检测常用方法有：目视，声发射技 第2 页 堕室堕室堕墨奎兰堡主兰堡堡壅 术、射线、电位测量以及热应力场方法等。这些方法或设备复杂或无法实现在线实时 监测，而且需要对被测结构的损伤及位置有初步了解，使用不太方便，局限性大。智 能材料结构技术上的不断完善，材料结构损伤特征研究的进展，以及传感驱动技术 的研究成果促进了结构健康监测的发展。结构健康监测的主要目的包括：制造过程中 材料特性的在线监测，材料在使用过程中的损伤监测及完整性评估。 结构健康监测技术的优点如下： ( 1 ) 实时在线地监测及安全性评估，节省维护费用。 ( 2 ) 依靠先进的测试系统，可减少劳动力和降低人工误判。 ( 3 )自动化程度高，可以大大提高安全性和可靠性。 正因为结构健康监测具有上述优点，该技术可被应用于航空航天，船舶工业、民 用建筑等诸多领域。例如： 1 先进战斗机和超期服役飞机的健康监控。目前，超期服役的飞机在机群中占有一定 的比例，状况令人担忧，飞机的定检及常规检测需要花费很多时间及费用。以美国的 卜l l l a 为例4 i ，每年的检测工时大约为8 0 0 0 个小时。先进的战斗机也有同样需求， 而使用在线监测系有效避免了飞机结构损伤造成的不安全因素，节省了大量的时间、 人力及财力。 2 航天器及空间站的健康监测。航天器在探索宇宙奥秘中发挥着重要的作用，是通往 ：乒宙的桥梁。在它们的帮助下，我们了解了许许多多关于宇宙的奥秘，也了解了我们 人类本生的生存环境。但常规的监测需要极高的费用，采用实时在线的健康监测技术 可以有效的降低损伤的监测成本。 3 民用结构的在线监测。在民用结构中，采用在线监测的方法可以代替常规检测方法， 提高检测效率和降低成本，可广泛应用于桥梁、铁路、房屋建筑等各个领域。美国阳 光航线大桥、英国的弗林特郡大桥、香港的证券大桥，以及中国南京的长江二桥【9 “” 都已开始探索安装健康监测系统对应力、应变及温度等参数实行在线监测。 1 2 主动监测技术 目前，结构的健康监测仍面临着大量的问题。探索更新的监测方法和技术对复合 材料的在线监测，尤其是航空航天结构而言，具有重要的理论和应用价值。损伤主动 监测技术( a c t i v ed a m a g ed e t e c t i o nt e c h n i q u e ) 是新兴的检测技术之一。主动监 测方法的基本思想是：采用驱动器在复合材料表面激发主动监测信号，与此同时传感 器在同一表面的其他一个或多个地方接收结构响应信号，并对晌应信号进行分析，据 此对结构中的损伤进行监测。与被动监测方法靠单纯地分析结构损伤信号相比，可以 在任何需要的时刻对结构进行在线监测，无需时刻监测，有效节省能源，同时对环境 噪声和干扰能力具有抑制能力。 九十年代，智能材料结构概念的提出及复合材料自身的工艺特点，为实现复合材 料的实时在线监测提供了新思路。大量文献报道了将光纤传感器及压电传感器埋入或 鸽3 缸 基于d s p 技术的复合材料实时小波分析模块设计 粘贴于复合材料上进行损伤实时在线监测的研究。其中由于压电元件即可作为传感器 又可用作驱动器，因而倍受研究者们的青睐。结构内部的各种损伤会引起应力集中、 裂纹扩展，这些以及损伤周围的边界都会引起在结构中传播的主动监测信号的散射和 能量的吸收。基于压电元件的主动监测技术的优点在于：可在任何需要的时刻对结 构进行在线监测，而又无需时刻监测，因此有效且节省能源；可通过驱动器，传感器 位置及激励信号的优化，选择对结构状态改变敏感的参数进行测量和评估，并对环境 噪声和干扰具有抑制能力。但同时，在材料中进行主动监测遇到的情况是比较复杂的。 激励信号的响应波形一般比较杂乱，需要进一步的处理才有可能得到较好的信息。如 果被测对象为复合材料结构，则主动监测信号与材料的作用更为复杂，波形也更为复 杂。因此有必要将具有优良时频特性分析能力的小波分析同主动监测技术相结合。 美国的阿拉巴马州大学利用压电传感器及主动监测技术研究混凝土复合材料的 脱层损伤情况的监测】；n a s a 刘易斯中心采用压电元件及小波分析技术探索复合材 料悬臂梁损伤的预报【1 2 】；法国o n e r a 结构损伤力学系利用l a m b 波及小波分析技术进 行碳纤维复合材料的损伤定位的研究m 】。国内不少单位也在开展复合材料在线监测的 研究，南京航空航天大学智能材料与结构研究所在利用压电元件及小波分析探索飞机 表面结冰的出现及程度研究【l q ；应用小波分析及主动监测技术对复合材料实行监测技 术的研究吣。q ；应用神经网络在复合材料主动监测技术中等各方面取得了各项研究成 果。 1 3 压电材料的工作原理 压电元件既能当结构中的驱动元件，又能作为传感元件。它具有压电效应，即 当压电元件受到机械变形时，有产生电势的能力；对它施加电压时，有改变压电元件 尺寸的能力。 对压电元件施加机械变形时，就会引起原本重叠的内部正负电荷中心产生相对移 动而产生电的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷，而且电荷密 度和外力成比例，这种现象称为正压电效应。正压电效应反映了压电材料具有将机械 能转变为电能的能力。检测出压电元件上的电荷变化即可得知元件埋入处结构的变形 量，因此利用正压电效应，可以将压电材料制成传感元件 1 8 】。 如果在压电元件两端加电压，旌加电场的作用，造成原本重叠的内部正负电荷中 心产生相对位移，导致压电元件的变形，这种现象称为逆压电效应。逆压电效应反映 了压电材料具有将电能转变为机械能的能力，利用逆压电效应可以将压电材料制成驱 动元件，将压电元件埋入结构中，可以使结构变形或改变应力状态。 压电元件由于具有正负压电效应、灵敏度高、使用简便等特点，因而被广泛采用 并且发展迅速。 1 4 d s p 技术简介 第4 页 南京航空航天大学硕士学位论文 对结构健康监测的第四部分系统集成方面的研究是非常重要的，系统集成也是前 三部分研究的最终目标，这将直接影响到是否能将在线监测系统应用到实际中。本文 主要研究了结构健康监测的小型化技术，其核心是先进的d s p 技术的应用，辅助c p l d 技术。d s p 是数字信号处理器的英文缩写，它是利用专用或通用数字信号处理芯片通 过数字计算的方法对信号进行处理。主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算 法。d s p 系统以接口方便、编程方便，稳定性好，精度高、可重复性好，精度高、集 成方便等优点广泛应用于通信，语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪 表等诸多领域。可编程d s p 芯片的开发有一整套完整的软硬件开发工具，通常借助于 硬件仿真器，即扩展开发系统( x d s ) 硬件仿真，和c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) 中 进行软件仿真，c c s 是t i 公司推出的一个集成性d s p s 软件开发工具，在此环境下开 发者可以完成编辑，调试、代码性能测试和项目管理等所有的工作【1 9 l 。 1 5c p l d 逻辑控制技术简介 现场可编程逻辑门阵列( f p g a ) 和高性能数字处理器( d s p ) 是信号处理领域两 大关键器件。f p g a 以其设计灵活性和硬件高密度性广泛应用于辅助控制逻辑，在信 号处理领域与先进的d s p 主芯片相结合构建整个系统核心，显示出越来越重要的作 用。利用c p l d 技术辅助逻辑控制，减少了元器件的数量，大大简化了电路【2 0 】。 1 6 小波分析在结构健康监测系统中的应用 信号处理方法的选取是复合材料在线监测项目中的一个非常重要的因素。小波分 析优于传统信号处理方法的地方在于传统傅立叶只能获得信号的整体频谱，而不能获 得信号的局部特征，而小波分析则被誉为数学显微镜，本身具有放大，缩小和平移等 功能，可通过检查不同放大倍数下的变化来研究信号的特征，具有优良的时频局部化 特征口”。这样，用小波分析作为信号处理工具能对被分析信号进行更细致的分析，获 得比傅立叶分析更多的信号特征。 如前所述，在结构健康监测的信号处理阶段，需要对从传感器采集到的信号进行 预处理，过滤掉大部分的无用及干扰信号。应用小波分析将复合材料的传感信号分解 到不同的频率带上，根据对信号及噪声所处频带的先验知识，去掉了某些可能含有大 量噪声的水平尺度上的细节信号，再对信号进行重构，即可获得消除噪声以后的传感 信号。进一步需要对传感信号进行损伤特征提取，从而判断结构的健康状况：如用离 散小波变化提取复合材料传感信号各水平小波细节信号能量特征参数量，再利用神经 网络对其进行识别，可实现对损伤位置的识别】；利用离散小波变换提取复合材料中 特殊传播模态的方法可实现对不同复合材料中损伤位置和程度的判别川：利用小波分 析在处理非平稳应力波信号分析的优良特征，研究应力波奇异值大小与材料损伤之间 的关系，从而可实现对损伤有无的判断，应力波模态的定位。 由此可见，小波分析尤其是离散小波变换在结构健康监测中占有非常重要的位 第5 页 置。 1 7 论文工作及意义 综上所述，小报分析尤其是离散小波变换在结构健康监测中占有非常重要的位 置。而以往小波分析都在计算机中加以实现，若采用先进的数字信号处理器d s p 技术 将其系统集成，可使小波分析实时性加强、系统小型化，对结构实行在线监测，提高 结构实用性具有重要的意义。l e m i s t r e 等m i 在论文中提到在不久的将来，先进的d s p 技术将使基于l a m b 波分析的复合材料诊断在一片芯片上实现，从而完全实现结构健 康监测系统集成。 本文所研究的d s p 小波分析模块主要针对实时复合材料健康监测系统加以研制。 如图i - i 所示，采用主动监测技术，将压电片粘贴于复合材料试件表面，一部分作为 驱动器，一部分作为传感器。在作为驱动器的压电片表面用信号发生器施加激励，同 时在作为传感器的压电片上引出传感信号送入小波分析处理系统处理，从细节信号中 选择一些特殊的，对结构损伤敏感的信号带进行研究，提取同损伤相联系的特征，即 损伤因子，损伤结果在显示器中显示。 图卜1 结构健康监测图 本文所完成的基于d s p 技术的小波分析模块是上述复合材料结构监测系统的基 础，模块可对埋入或粘贴在复合结构中的传感器的输出信号进行实时数据采集及实时 小波分析。其中采样频率4 0 0 k ，通道数为1 ，每次采样1 0 2 4 个样本进行小波分析， 小波分解层数为3 。 实时小波分解模块以d s p 系列中的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片为核心，辅助一片c p l d 逻辑控制，以采样速率为4 0 0 k 的a d 7 8 6 5 采集信号，完成了四层板的设计调试工作。 软件上在c c s 环境中用t m s 3 2 0 c 5 4 x 汇编语言编写了小波分析中离散小波变换 m a l l a t 算法，并调试通过。 论文首先介绍了传统分析傅立叶分析方法的不足之处，从而引出了小波分析方 法，介绍了在小波分析占有重要位置的m a l l a t 算法：分别介绍了用d s p 实现复合 第6 页 南京航空航天大学硕士学位论文 材料数据采集及小波分析模块硬件设计和软件设计过程：以及调试实验结果：在全文 的结尾对全文作了总结，并对今后的工作提出建议。 第7 页 第二章小波分析的原理和特点 在第一章绪论中我们看到小波分析尤其是离散小波变换在结构健康监测中占有 非常重要的位置。因此有必要了解小波分析优越于传统傅立叶变换的地方，并了解应 用广泛的离散小波变换的原理。 2 1 傅立叶变换的不足之处 傅立叶变换是众多科学领域( 特别是信号处理) 里重要的应用工具之一。从实用的 观点看，当人们考虑傅立叶分析的时候，通常是指傅立叶变换和傅立叶级数o ”。 函数f ( t ) ( r ) 的连续傅立叶定义为 ，( 万) = e “f ( t ) d t ( 2 - 0 f ( 珂) 的傅立叶逆变换定义为 ，( f ) = 去孓嘲州翻 ( 2 2 ) 为了计算傅立叶变换，需要用数值积分，即取f ( t ) 在r 上的离散点上的值来计算 这个积分在实际应用中，我们希望在计算机上实现信号的频谱分析及其它方面的处理 r 作，对信号的要求是：在时域和频域应是离散的，且都是有限长下面给出离散傅立叶 变换( d f t ) 的定义 给定的或复的离散时间序列t o ，z ，厂+ 设该序列绝对可积，即满足 一l 川 o o ，称 一l z 属 x ( 七) = f ( ) = f e ”“ k = 0 , 1 ，n 一1( 2 3 ) 为序列 正) 的离散傅立叶变换，称 ：；击艺爿( 七) 。等“ ”：0 1 1 ，一1( 2 4 ) 为序列 x ( k ) ) 的离散傅立叶变换 式( 2 4 ) 中，珂相当于对时间域的离散化，k 相当于频率域的离散化，且它 们都是以点为周期的。离散傅立叶变换序列 x ( 1 ( ) 是以2 7 为周期的，且具有 第8 页 共轭对称性。 当厂( f ) 是时间轴上以2 z 为周期的函数时，即f ( t ) l2 ( 0 ，2 石) ，则f ( t ) 可以表 示成傅立叶级数的形式，即 f ( t ) = c e “ ( 2 5 ) 一 傅立叶变换是时域到频域互相转化的工具，虽然它能将信号的时频特征和频域特 征联系，能分别从信号的时域和频域观察，但却不能把两者有机地结合起来。这是因 为信号的时频波形中不包含任何频域信息。而其傅立叶谱是信号的统计特性，从其表 达式也可以看出，它是整个时间域内的积分，没有局部化分析信号的功能，完全不具 备时频信息，也就是说，对于傅立叶谱中的某一频率，不知道这个频率是在什么时候 产生的。这样在信号分析中就面临一对最基本的矛盾：时域和频域的局部化矛盾。在 实际的信号处理过程中，尤其是对非平稳信号的处理中，信号在任一时刻频域特征都 很重要。这就促使去寻找一种新方法，能将时域和频域结合起来描述观察信号的时频 联合特征，构成信号的时频谱。这就是所谓的时频分析法，亦称时频局部化方法。 2 2 短时傅立叶变换 由于标准傅立叶变换只在频域里有局部分析的能力，而在时域里不存在这种能 力，d e n n i sg a r b o r 于1 9 4 6 年引入了短时傅立叶变换( s n 叮) 。短时傅立叶变换的基 本思想是：把信号划分成许多小的时间间隔，用傅立叶变换分析每一个时间间隔，以 便确定该时间间隔存在的频率。其表达式为【2 3 1 s ( c 0 ，f ) = f ，( f ) g ( 功一r ) e 。“, i t ( 2 6 ) ； 其中”表示复共轭，g ( t ) 是有紧支集的函数，f ( t ) 是进入分析的信号。在这个变换 中，e “起着时限的作用，g ( t ) 起着时限的作用。随着时间r 的变化，g ( t ) 起着时限 的作用。随着时间f 的变换，g ( f ) 所确定的“时间轴”在r 轴上移动，使f ( t ) “逐渐” 进行分析。因此，g ( f ) 往往被称为窗口函数，s ( c o ，f ) 大致反映了厂( f ) 在时刻f 时、 频率为国的“信号成分”的相对含量。这样信号在函数上的展开就可以表示为在 f 一万，f + 占】、 脚一占，0 9 + 占 这一区域内的状态，并把这- - n 域称为窗口，占和占分 别称为窗口的时宽和频宽，表示了时频分析中的分辨率，窗宽越小则分辨率越高。 短时傅立叶变换虽然在一定程度上克服了标准傅立叶变换不具有局部分析能力 第9 页 基于d s p 技术的复合材料实时小波分析模块设计 的缺陷，但它也存在着自身不可克服的缺陷，即当窗函数g ( r ) 确定后，矩形窗口的形 状就确定了，f ，c o 只能改变窗口在平面上的位置，而不能改变窗口的形状。可以说短 时傅立叶变换实质上是具有单一分辨率的分析，若要改变分辨率，则必须重新选择窗 函数g ( f ) 。因此，短时傅立叶变换用来分析平稳信号尤可，但对非平稳信号，在信号 波形变换剧烈的时刻，主频是高频，要求有较高的时间分辨率( 即盯要小) ，而波形 变化比较平缓的时刻，主频是低频，则要求有较高的频率分辨率( 即s 要小) 。而短 时傅立叶变换不能兼顾两者。 2 3 小波分析 小波分析方法是一种窗口大小( 即窗口面积) 固定但其形状可改变，时间窗和频 率窗都可改变的时频局部化分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的 时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，所以被称为数 学显微镜。正是这种特性，使小波变换具有对信号的自适应性。试看以下几种分析方 法的比较【7 】： 2 3 1 一维连续小波变换 设妒( f ) l 2 ( 尺) 。其傅立叶变换为妒( 刃) ，当y ( ) 满足允许条件( 完全重构条件或 恒等分辨率条件) 巳= d 1 。 所以对应的离散小波函数妒似( f ) 即可写作 妒雎( f ) = a o - j z l l t ( 三丝粤) ：口，：y ( 口i j t - - k b o ) ( 2 - 1 3 ) a n 。 而离散小波变换系数则可表示为 c j , k = j ，( f ) y ；，。( t ) d t = ( 厂，y ”) ( 2 - 1 4 ) 其重构公式为 厂( f ) = c 勺，。( f ) ( 2 1 5 ) c 是一个与信号无关的常数。为了小波变换具有可变化的时间和频率分辨率，适应待 分析信号的非稳性，我们很自然地需要改变a 和b 的大小，以使小波变换具有“变焦 距”的功能。换言之，在实际中采用的是动态的采样网络。最常用的是二进制的动态 采样网络，即a 。= 2 ，b o = l ，每个网络点对应的尺度为2 7 ，而平移为2 j k 。由此得到 的小波 第1 i 页 基于d s p 技术的复合材料实时小波分析模块设计 y = 2 - i 2 少( 2 t 一七) ，七z ( 2 - 1 6 ) 称为二进小波( d y a d i c w a v e l e t ) 。 2 3 3 多分辨率分析与m a l l a t 算法 1 9 8 8 年s m a l l a t 在构造正交小波基时提出了多分辨率分析的概念，从空间的概 念上形象地说明了小波的多分辨率特性，将此之前的所有正交小波基的构造法统一起 来，给出了正交小波的构造方法以及正交小波的快速算法，即m a l l a t 算法。m a l l a t 算法在小波分析中的地位相当于快速傅立叶变换算法在经典傅立叶分析中的地位。 关于多分辨率分析的 理解，我们在这里以一个 三层的分解进行说明，其 小波分解树如图2 1 ，由图 明显看出，多分辨率分析 进行分解，丽高频部分则 不予以考虑。分解具有关 系：s = a 3 + d 3 + d 2 + d 1 。 若要进行进一步的分解， 则可以把低频部分a 3 分 解成低频部分a 4 和高频 2 1 三层多分辨率分析的结构图 部分d 4 ，以下再分解依此类推。从上面的多分辨率分析树型结构图可以看出，多分辨 率分析只是对低频空间进行进一步的分解，使频率的分辨率变得越来越高。设以矿表 示图2 - 1 分解中的低频部分4 ，表示分解中的高频部分d ，则是_ 在+ 中 的正交补，即 o = 巧“ j z( 2 - 1 7 ) 则多分辨率分析的子空间可以用有限个子空间来逼近，即有 = ko 彤。o o 彤一一o 0 一。o o o 彤( 2 1 8 ) 若令 代表分辨率为2 。的函数厂l 2 ( 胄) 的逼近( 即函数厂的低频部分或“粗糙 像”) ，而d ，代表逼近的误差( e j i 磁f 的高频部分或“细节”部分) ，则式2 - 1 8 意味着： 第1 2 页 南京航空航天大学硕士学位论文 f = z + 兀= 正+ d 2 + d l = = + d ，+ d j + + d 2 + d j( 2 - 1 9 ) 任何函数厂3 ( r ) 都可以根据分辨率为2 “时，的低频部分( “粗糙像”) 和分辨率 2 1 ( 1 j s n ) 下，的高频部分( “细节”部分) 完全重构，这恰好是著名m a l l a t 塔式重构算法的思想。 二进小波变换的m a l l a t 算法如下】： 芷交换算法： c = n - 2 k c j 山 d 卅= g n - 2 k c 川，。_ ，= 1 ，2 ，j ( 2 2 0 ) 其中c j 是原信号的平滑信号，d j , k 是细节信号，是小波函数相关的带通滤波器的 脉冲响应，h 是与尺度函数相关的低通滤波器的脉冲响应。 反变换( 重构) 算法： 2 4 本章小结 c j - l , k = ：陆i 一2 c ，。+ g i 一2 d ，】 = ：j ，。，1 ，1 ( 2 2 1 ) 在本章中介绍了传统傅立叶变换的不足之处，由此提出了短时傅立叶变换，最 终引出了小波变换。着重介绍了在小波变换中占有重要位置的多分辨率分析 m a l l a t 算法。如何将m a l l a t 算法在结构健康监测中的实用性加强，脱离开计算 机对结构实行在线监测是整篇文章研究的重点。 第1 3 页 茎主旦竺垫查塑壅鱼翌整壅堕! ：垫坌堑堡堡堡生 一 第三章小波分析模块的硬件设计 在第二章中介绍了小波分析的原理及特点，在本章中基于将小波分析m a l l a t 算 法脱离开计算机，将其应用于复合材料结构健康监测中的构思，设计了小波分析模 块。在本章中对硬件设计过程作了详细的介绍。 3 1 硬件总体方案 用于结构健康监测的实时d s p 数据采集及小波分析模块为四层电路板，上下两 层为信号层，中间两层一层为地，一层为电源。组成框图如图3 1 所示 图3 - 1 小波分析模块结块框图 ( 1 ) d s p 系统 数字处理系统由于其可靠性强、可编程性好、抗干扰能力大等优势在便携 式仪器仪表、通信、航天制导等各个领域正得到越来越广泛的应用。在此小波分 解模块中一片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是整个系统的核心部分。 ( 2 ) c p l d 逻辑控制 现场可编程逻辑门阵列( f p g a ) 和高性能数字信号处理器( d s p ) 是信号处 理领域两大关键器件。f p g a 以其设计灵活性和硬件高密度性广泛应用于辅助控制 逻辑，在信号处理领域与先进的d s p 主芯片相结合构建整个系统核心，显示出越来 越重要的作用。 在实际应用中，f p 6 a 和d s p 芯片的运算速度及并行处理能力是两个主要指标， 直接影响和制约高速实时信号处理的性能。这里采用a l t e r a 公司出品的m a x 7 0 0 0 系列中的e p m 7 0 6 4 s 来完成缓冲和控制逻辑的实现。 ( 3 ) a d 转换 从数据流程上看，接收时需将经电荷放大器输出的复合材料传感信号( 电压信 号) 经过a d 转换成为数字信号传送给d s p 进行小波分层变换，a d 芯片选用采样速 率4 0 0 k 、工作电压5 v 的a d 7 8 6 5 作为模数转换器件。 第1 4 页 堕室堕室塾丕查兰堡主兰垡堡苎一 ( 3 ) 外扩s r a m 考虑在成功完成了对复合材料的传感信号进行小波分层以后，需要在小波分层 信号中进行信号去噪和损伤特征提取等进一步的工作。所以选用了一片s r a m 作为程 序空间的扩展。型号为i d t 7 1 v 0 1 6 ，工作电压在3 3 v 。 3 2d s p 芯片介绍 3 2 1d s p 芯片的发展概述 数字信号处理是从2 0 世纪6 0 年代发展起来的。当时，主要采用计算机模拟的方 法研究数字滤波器问题。到了7 0 年代。由于l s i 技术得到了发展，才使得用硬件实 现数字滤波器成为可能。一开始，还只能用多个i c 芯片实现数字信号处理中的一个 基本运算部件( 例如加法器、乘法器、延迟器等) ，因而所构成的数字信号处理设备 体积比较大。随着集成度的提高，可以在一个芯片内集成多个运算部件，从而使数字 滤波器的应用进一步扩大。到7 0 年代，开始研究如何充分发挥软件的通用性和灵活 性，将微处理器应用于数字信号处理。只是由于微处理器速度不高，在许多场合都难 以实现实时处理。但是，信号处理器的开发就是在这种设想的基础上发展起来的。8 0 年代，通用数字信号处理器的成熟和大量涌现，使得音频范围内数字信号处理技术迅 速得到广泛的实时应用。近些年来，除了不断提高通用数字信号处理器的速度和功能 外，又出现了许多工作频率高的专用芯片和积木式部件，从而使数字信号处理技术进 入视频实时处理阶段，用户可以根据要求灵活地选用器件构成各种专用实时处理系 统。 自从1 9 8 0 年以后，d s p 芯片取得了突飞猛进的发展，主要表现在以下几个方面； ( 1 ) 制造工艺。早期d s p 采用4 1 tm 的n 沟道m o s ( 订o s ) 工艺，现在的d s p 酱遍采用亚微米c m o s 工艺，达到o 2 5 1 tm 或0 1 8um 。d s p 芯片的引脚数量从4 0 个左右，增加到2 0 0 个以上，需要设计的外围电路越来越少，每秒百力条( m i p s ) 的成 本、体积和功耗都有很大的下降。 ( 2 ) 存储器容量。2 0 世纪8 0 年代初的d s p ，片内的程序存储器和数据存储器只有 几百个单元，有的片内没有r o m 。目前，d s p 片内的数据和程序存储器可达几十千 字。 ( 3 ) 运行速度。二十多年的发展，使d s p 的指令周期从4 0 0 n s 缩短到1 0 n s 以下， 相应的运行速度从2 5 m p s 提高到1 0 0 m p s 以上。 ( 4 ) 内部结构。目前，d s p 芯片内部广泛采用多总线、多处理单元和多级流水线结构， 加上完善的接口功能，使d s p 的系统功能、数据处理能力以及与外部设备的通信功 能大大增强。 ( 5 ) 运算精度和动态范围。由于输入信号动态范围以及迭代算法可能产生误差积累 问题，因此对单片d s p 的精度提出了较高的要求d s p 的字长从8 位增加到1 6 位、 第1 5 负 2 4 位、3 2 位，累加器的长度也增加到4 0 位。高性能的浮点d s p 的出现扩大了数据 处理的动态范围。 ( 6 ) 开发工具。目前推出的d s p ，都有较为完善的软件和硬件开发工具，其中包括 很多实时的工具，给开发应用带来很大方便【2 4 l 。 3 2 2d s p 芯片特点 d s p 芯片，又称数字信号处理器，是一种特别适用于数字信号处理的微处理器。 它的主要特点： ( 1 ) 哈佛结构 d s p 内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛( h a r v a r d ) 结构允许同时取 指令( 来自程库存储器) 和取操作数( 来自数据存储器) 。而且，还允许在程序空间 和数据空间之间相互传送数据，即改进的哈佛结构 ( 2 ) 多总线结构 许多d s p 芯片的内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以 多次访问程序空间和数据空间。例如t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部有p 、c 、d 和b 等4 条总线 ( 每条总线包括地址和数据总线) ，可以在一个机器周期内从程序存储器取1 条指令、 从数据存储器读2 个操作数和向数据存储器写1 个澡作数，大大提高了d s p 的运行 速度。因此，对d s p 来说，内部总线是个十分重要的资源，总线越多，可以完成的 功能就越复杂 ( 3 ) 流水线结构 d s p 执行一个指令，需要通过取指、译码、执指等几个阶段。在d s p 中。采用 流水线结构，在程序运行过程中它的这几个阶段是重叠的，而普通计算机中采用的冯 诺依曼流水线是分开执行的。图3 - 2 为两种执行过程的对比。流水线结构中，在执行 本条指令的同时，还依次完成了后面几条指令的取操作数、译码和执指，将指令周期 冯诺依璺流水线 一卜飞取思期，圹v v v l 哈佛流水线 嘉群飞磋勰。斗几j 图3 - 2 两种流水线比较 降低到最小值。 利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号处理中用得最多的 乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 4 ) 多处理单元 d s p 内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元( a l u ) 、辅助运算 单元( a r a u ) 、累加器( a c c ) 、以及硬件乘法器( m u l ) 等。它们可以在个指令 周期内同时进行运算，例如，当执行一次乘法和累加的同时，辅助寄存器单元已经完 成了下一个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做好了充分的准备。因此， d s p 在进行连续的乘法运算时，每一次乘法运算都是单周期的。d s p 的这种多处理 单元结构，特别适用于有限冲击滤波器( f i r ) 和无限冲击滤波器( r ) 。 ( 5 ) 特殊的d s p 指令 为了更好的满足数字信号处理应用的需要。在d s p 的指令系统中，设计了一些 特殊的d s p 指令例如t m s 3 2 0 c 5 4 x 的f i r s ( 有限冲击响应) 和l m s ( 最小梯度 算法) 指令，则专门用于对称f i r 和l m s 算法。 ( 6 ) 指令周期短 随着集成电路工艺的发展，d s p 运行速度越来越快，以t m 3 2 0 c 5 4 x 为例，其速 度可达1 0 0 m i p s 以上。 ( 7 ) 运算精度高 当前的d s p 的字长提高到1 6 位、2 4 位、3 2 位。为防止运算过程中溢出，有的 累加器达到4 0 位。此外，一些浮点d s p 提供了更大的动态范围。 ( 8 ) 硬件配置强 新一代d s p 的接口功能愈来愈强，片内具有串行口、主机接口( h p i ) 、直接存 储器访问( d m a ) 控制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时钟发生器以及实 现在片仿真符合i e e e l l 4 9 1 标准的测试访问口，更易于完成系统设计。许多d s p 芯片都可以工作在省电方式，使系统功耗降低，适用于个人通信机，便携式计算机和 便携式仪器的开发。 d s p 芯片的上述特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。 3 2 3 t i 公司的d s p 产品情况 自从1 9 8 2 年，t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的第一代处理器t m s 3 2 0 c 1 0 问 世以来，经过十几年的发展，t m s 3 2 0 系列已成为d s p 市场中的主流产品，约占市 场份额的5 0 在1 1 公司的系列产品中，c 1 ，c 2 x 为定点d s p 芯片，主要用于工业控 制；c 5 4 x 为定点d s p 芯片，主要用于低功耗场合；c 6 2 x ，c 6 7 x 主要用于高性能场 合( 2 s | 。 3 2 4 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的特点【2 6 】 本文所研究的整个系统中，核心部分就是t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 构成的d s p 最小系 统核心芯片1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是t i 公司新一代1 6 位定点d s pt m 3 2 0 c 5 4 x 系列芯片 中性价比很高的一种高速芯片，适用于多种高速的数字信号处理方案 第1 7 页 基于d s p 技术的复合材科实时小波分析模块设计 中性价比很高的种高速芯片，适用于多种高速的数字信号处理方案。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的主要特点如下； ( 1 ) 先进的多总线结构( 一条程序总线，三条数据总线，四条地址总线) ，使 孕导系统的灵活性和性能大大提高； ( 2 ) 系统单个周期为1 0 n s ，运算速度可达1 0 0 m i p s ： ( 3 ) 比较、选择、存储单元( c s s u ) ，用于加法比较选择； ( 4 ) 提供低功耗方式： ( 5 ) 可访问的扩展存储器空间为1 9 2 k x1 6 一b i t ( 其中6 4 k 程序存储器、6 4 k 数据 存储器、6 4 ki o 存储器) ，c 5 4 0 2 可扩展到1 m x1 6 一b j t ； ( 6 ) 支持多达1 6 个用户可屏蔽中断( s i n t 0 一s i n t l 5 ) ，j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o n g r o u p ) 扫描仿真逻辑( i e e e i l 4 9 1 ) ： ( 7 ) 两个具有强大功能的多通道缓冲串口( m c b s p ，m u l t i c h a n n e l b u f f e r e d s e r i a lp o r t ) ； ( 8 ) 1 6 位可编程定时器。 3 3i ) s p 系统的总体设计方案 d s p 系统的设