專利名稱：基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)裝置及方法，具體的說，本 發(fā)明涉及在類似酒類等飲料灌裝生產(chǎn)線上封上蓋以后，利用聲音信號(hào)處理的理論檢測(cè)瓶蓋 密封性是否合格的裝置，適用對(duì)象為馬口鐵材料的皇冠瓶蓋。
背景技術(shù)：
酒類等飲料灌裝生產(chǎn)線上需要進(jìn)行封蓋后的密封性檢測(cè)。目前灌裝生產(chǎn)線上封蓋 密封性檢測(cè)的市場(chǎng)基本被德國和美國企業(yè)所壟斷，價(jià)格昂貴。研制擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的封 蓋密封性檢測(cè)設(shè)備具有重要意義，不僅可滿足國內(nèi)酒類等飲料生產(chǎn)企業(yè)對(duì)該設(shè)備的急需， 提高其在國內(nèi)外啤酒市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，而且可有效抑制國外同類產(chǎn)品的價(jià)格。目前國外封蓋密封性檢測(cè)設(shè)備已相對(duì)成熟且有大量產(chǎn)品投放市場(chǎng)，如德國HEUFT 系統(tǒng)，MIH0系統(tǒng)，一般將封蓋檢測(cè)功能與其他功能集成于一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備中。單純的瓶蓋缺失檢測(cè)可以用光掃描儀或者金屬探測(cè)器探測(cè)瓶蓋是否存在。當(dāng)有封 蓋的酒瓶等經(jīng)過檢測(cè)設(shè)備時(shí)，光掃描儀或者金屬探測(cè)器感應(yīng)給出電信號(hào)，否則沒有信號(hào)產(chǎn) 生。該方法簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是僅能檢測(cè)瓶蓋缺失，對(duì)于歪蓋，密封不嚴(yán)等無能為力。對(duì)于一些損壞嚴(yán)重或有突出裂口的封蓋，可以通過光學(xué)C⑶相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè) 系統(tǒng)將所攝的封蓋相片進(jìn)行圖像處理并與標(biāo)準(zhǔn)封蓋參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)分析結(jié)果超過某 個(gè)極限時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定該封蓋不合格并指示隨后的剔除系統(tǒng)進(jìn)行剔除。光學(xué)檢測(cè)的基礎(chǔ)依賴 于對(duì)封蓋外形進(jìn)行圖像處理分析，一般可檢測(cè)封蓋缺失及歪蓋、傾斜蓋等情況。其檢測(cè)穩(wěn)定 性易受瓶子公差(比如瓶壁厚度、玻璃有無瑕疵、特別是玻璃顏色)、不清晰的液位分界線 (泡沫)、不穩(wěn)定的瓶子引導(dǎo)、瓶子表面有滴落水等因素的影響。對(duì)于塑料瓶裝飲料的密封性也可采用超聲激勵(lì)法。灌裝好的飲料在生產(chǎn)線上高速 流動(dòng)時(shí)，利用特制的超聲設(shè)備向飲料中發(fā)射強(qiáng)功率超聲，利用功率超聲的空化作用使液體 瞬間膨脹，當(dāng)瓶蓋漏氣時(shí)，則會(huì)有飲料液體向瓶外噴射，從而瓶中液位下降，利用后續(xù)液位 檢測(cè)裝置將不合格瓶子剔除。該裝置占用空間小，對(duì)于微小漏氣也可準(zhǔn)確判斷，但還僅限于 塑料瓶裝飲料。對(duì)于馬口鐵材料的封蓋可以采用聲學(xué)檢測(cè)。檢測(cè)模塊發(fā)出脈沖“擊打”瓶子封蓋， 封蓋發(fā)生振動(dòng)并產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)。通過對(duì)該聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行分析可進(jìn)行缺失檢測(cè)，形狀檢測(cè)，封 蓋的密封程度及頂部含氧量檢測(cè)等。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)裝置，它包括電磁激振裝置，所述電磁激振 裝置位于瓶口上方，所述瓶口 一側(cè)設(shè)有聲傳感器；所述聲傳感器與聲音信號(hào)分析裝置相連。所述聲傳感器與聲音信號(hào)分析裝置的信號(hào)放大及濾波電路相連，聲音信號(hào)分析裝 置的信號(hào)放大及濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP信號(hào)處理與分析模塊和檢測(cè)結(jié)果顯示模塊依次連接；所述的信號(hào)放大及濾波電路還與信號(hào)閾值檢測(cè)電路相連；所述的信號(hào)閾值檢測(cè)電 路還與DSP信號(hào)處理與分析模塊連接。所述的聲傳感器為單聲道駐極體電容式聲傳感器。所述電磁激振裝置由相對(duì)應(yīng)的電磁鐵和控制電路組成；所述電磁鐵采用24V直流 電壓供電，電磁鐵的吸力為45N ；所述控制電路是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器。所述信號(hào)放大及濾波電路中，信號(hào)放大電路采用前置音頻放大器INA217 ；信號(hào)濾 波電路采用的濾波器是一個(gè)二階巴特沃斯有源低通濾波器。一種基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)方法，該方法的檢測(cè)步驟如下
a.首先由電磁激振裝置對(duì)瓶子封蓋進(jìn)行激振，產(chǎn)生聲音信號(hào)；
b.聲傳感器提取產(chǎn)生的聲音信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；
c.電信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大及濾波電路放大濾波后，一路進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，一路進(jìn)入 信號(hào)閾值檢測(cè)電路；
d.進(jìn)入信號(hào)閾值檢測(cè)電路的信號(hào)若大于閾值信號(hào)，則DSP信號(hào)處理與分析模塊開 始工作，反之DSP信號(hào)處理與分析模塊不工作；
e.當(dāng)DSP信號(hào)處理與分析模塊工作時(shí)，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行處理與分析，判 斷瓶蓋是否漏氣；
f.最后將判別結(jié)果輸出到檢測(cè)結(jié)果顯示模塊。在所述e中，DSP信號(hào)處理與分析模塊的處理與分析步驟如下
A.初始化DSP信號(hào)處理與分析模塊；
B.采集聲音信號(hào)并進(jìn)行功率譜分析；
C.找到密封性好的瓶子和漏氣瓶子在頻域里的差異；
D.依據(jù)貝葉斯判別原理，分別建立封蓋合格瓶子的判別函數(shù)G1和封蓋異常瓶子的判 別函數(shù)GO ；
E.將提取的特征參數(shù)分別代入兩個(gè)判別函數(shù)，計(jì)算出GO和G1的數(shù)值大小；
F.若Gl>GO則為密封性好的瓶子，否則為漏氣的瓶子。在所述D中，所述壞瓶判別函數(shù)GO和好瓶判別函數(shù)G1的函數(shù)形式分別為 G0 = an+asx3 + 納
= A0 + b1x1 + b2x2
其中，％， 為為為為為為均為常系數(shù)；巧為共振峰頻率,巧功率譜面積 在X軸方向上的質(zhì)心d ,巧頻率兩側(cè)能量百分比A , A中高頻段能量比值S。在所述E中，所述提取的特征參數(shù)為共振峰頻率Fm，功率譜面積在X軸方向上的 質(zhì)心&,頻率兩側(cè)能量百分比A-,中高頻段能量比值s。本發(fā)明的有益效果上述檢測(cè)方法可以避免瓶子公差(比如瓶壁厚度、玻璃有無 瑕疵、特別是玻璃顏色)、不清晰的液位分界線(泡沫)、不穩(wěn)定的瓶子引導(dǎo)、瓶子表面有滴落 水等因素的影響，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該方法檢測(cè)效果優(yōu)良，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)品檢測(cè)正確率達(dá)到99%。


圖1本發(fā)明的硬件總體設(shè)計(jì)框圖； 圖2電磁激振裝置的控制電路；
圖3聲音放大電路原理圖； 圖4濾波器電路原理圖； 圖5閾值觸發(fā)電路原理圖； 圖6接口電路和復(fù)位電路原理圖； 圖7電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖； 圖8系統(tǒng)總體流程圖； 圖9 F2812初始化流程圖； 圖10數(shù)據(jù)采集程序流程圖； 圖11系統(tǒng)濾波器程序結(jié)構(gòu)圖； 圖12 FFT變換程序流程其中，1控制電路；2電磁鐵；3聲傳感器；4信號(hào)放大及濾波電路；5模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；6 DSP信號(hào)處理與分析模塊；7信號(hào)閾值檢測(cè)電路；8檢測(cè)顯示結(jié)果模塊。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明
對(duì)于封蓋密封性檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)啟動(dòng)時(shí)，電磁脈沖沖擊瓶蓋表面使之發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)聲傳 感器即麥克風(fēng)接收來自瓶蓋的聲學(xué)反射信號(hào)。聲學(xué)信號(hào)取決于瓶蓋的張力，瓶蓋的張力取 決于瓶?jī)?nèi)的壓力，而瓶?jī)?nèi)的壓力取決于啤酒瓶的密封性?；诖?，我們就可通過對(duì)反射信號(hào) 的頻率或能量進(jìn)行分析來判斷瓶蓋的密封是否合格。如圖1所示，本發(fā)明包括以下幾個(gè)組成部分聲音信號(hào)的產(chǎn)生、聲音信號(hào)的提取和 聲音信號(hào)的分析處理。聲信號(hào)的產(chǎn)生是由電磁激振裝置對(duì)瓶子封蓋激振產(chǎn)生的，電磁激振 裝置由電磁鐵2和控制電路1組成。采用額定工作電壓為直流24V，吸力45N的電磁鐵2。 當(dāng)電磁鐵2通電后，產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而吸引鐵質(zhì)瓶蓋；斷電后，吸力消失，整個(gè)通斷電時(shí)間很 短，瓶蓋受到一脈沖激振，產(chǎn)生聲音。控制電路1用來產(chǎn)生脈沖電壓控制電磁鐵2的通斷 電。聲音信號(hào)的提取由聲傳感器3即麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)，可采用一款單聲道駐極體電容式聲傳感 器器。聲音信號(hào)的分析處理是該裝置的重點(diǎn)部分，由自主設(shè)計(jì)的DSP聲音信號(hào)分析處理系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，DSP采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812。DSP信號(hào)處理電路由聲音拾取、信號(hào)放大及 濾波電路4、信號(hào)閾值檢測(cè)電路7等模塊組成。如圖2所示，電磁激振裝置的控制電路1由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，驅(qū)動(dòng)功率 場(chǎng)效應(yīng)管IRF640，產(chǎn)生脈沖電壓控制電磁鐵2的通斷電。在控制電路圖中，當(dāng)電路剛接通電 源時(shí)，由于C1來不及充電，555電路的2腳和6腳處于零電平，導(dǎo)致其輸出3腳為高電平。
當(dāng)電源通過RA和RB向C1充電到時(shí)，輸出端3腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑娙軨1經(jīng)
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RB和內(nèi)部電路的放電三極管放電。當(dāng)放電到S丨Fa時(shí)，輸出端又由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健?此時(shí)電容再次充電，這種過程可周而復(fù)始地進(jìn)行下去，形成自激振蕩，輸出連續(xù)的方波。當(dāng)555輸出高電平時(shí)，IRF640由于柵極和源極兩端加了 12V電壓，漏極和源極導(dǎo)通，電磁鐵2 通電產(chǎn)生磁力；當(dāng)555輸出低電平時(shí)，IRF640由于柵極和源極的電壓是零，漏極和源極不能 導(dǎo)通，電磁鐵磁力消失。方波的周期很小，保證了電磁鐵2的瞬時(shí)通斷，從而產(chǎn)生了沖擊瓶 蓋的電磁脈沖。如圖3所示，聲傳感器3拾取聲音信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于電信號(hào)很微弱， 一般只有毫伏級(jí)，應(yīng)經(jīng)過放大電路放大。根據(jù)系統(tǒng)輸入信號(hào)的特點(diǎn)和工作環(huán)境，本系統(tǒng)采 用了 TI公司推出的一款低失真、低噪聲前置音頻放大器INA217，對(duì)輸入的微弱信號(hào)放大。 INA217具有較寬的寬帶和較寬增益范圍的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其獨(dú)特的失調(diào)消除電路使其即使在高 增益時(shí)也能把失調(diào)減到最低范圍(0. 004%, G=100),當(dāng)信號(hào)源阻抗為200 Q時(shí)，INA217具有 優(yōu)異的噪聲性能。由于INA217具有低噪聲、低失調(diào)、差動(dòng)輸入、寬帶寬的特性，因此，它特別 適用于低頻音頻信號(hào)采集系統(tǒng)的前置放大器。由圖3看出，第4、5引腳為信號(hào)輸入端，4腳 接地；第11腳輸出；第7、13腳為電源引腳，分別接-12V和+12V ； 10腳為參考端，接地；第 2、15腳通過外接電阻1 來決定電壓增益，電壓增益6=1+101(/1 。本系統(tǒng)中,放大倍 數(shù)為200倍。1.8V電壓用于給聲傳感器供電。如圖4所示，放大后的麥克風(fēng)信號(hào)包含了大量聲音信號(hào)以外的高頻噪聲和低頻漂 移，為了濾除這兩種干擾信號(hào)，提高信噪比，需要設(shè)計(jì)一個(gè)有嚴(yán)格截止頻率的低通濾波器。 該低通濾波器又稱抗混頻濾波器，它置于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5之前，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，截 止頻率至多設(shè)置為采樣頻率的一半，只能用模擬電路的方式實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的抗混頻濾 波器將放大后的信號(hào)中的高頻干擾信號(hào)濾除，送入信號(hào)閾值檢測(cè)電路7和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5。 該濾波器是一個(gè)二階巴特沃斯有源低通濾波器。巴特沃斯濾波器具有平坦的通過特性和比 較陡峭的截止特性，雖然相移與頻率的關(guān)系不夠線性，但影響很小。它由R、C和高性能運(yùn)算 放大器0PA134組成，信號(hào)由同相接入，運(yùn)算放大器接成電壓跟隨器的形式，具有高輸入阻 抗和很強(qiáng)的帶負(fù)載能力。取R11=R12=4 (K , Cu^mitC^dJfei ，使濾波器的截 止頻率為10000HZ。如圖5所示，為了減少信號(hào)處理的數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，本系統(tǒng)采用硬件檢測(cè)聲 音信號(hào)端點(diǎn)的方法解決DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器有限與數(shù)據(jù)處理需要大容量存儲(chǔ)空間的矛盾，同時(shí) 簡(jiǎn)化了檢測(cè)聲音信號(hào)端點(diǎn)的設(shè)計(jì)，經(jīng)前級(jí)預(yù)處理后，經(jīng)過高性能運(yùn)放0PA134設(shè)計(jì)的電壓跟 隨器，輸出到電壓比較器，與輸入的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比較若目標(biāo)信號(hào)超過閾值信號(hào)，則產(chǎn)生 觸發(fā)信號(hào)并驅(qū)動(dòng)DSP使其運(yùn)行采集程序，從而使模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5工作；否則不工作。由于沖 擊瓶蓋產(chǎn)生的聲音信號(hào)比較短暫，只有2-3個(gè)ms，所以要求比較器有極高的響應(yīng)速度，這是 選用TL714的主要原因。一般的比較器的響應(yīng)速度都在幾百ns左右，如最常用的339/393， 而TL714能達(dá)到6ns。TL714是高速差分比較器，該器件采用5V供電，輸出電平與TTL電 平兼容。由于該器件是+5V單極供電，它的輸入端所能承受的最大電壓不能超過供電電壓， 而目標(biāo)信號(hào)的電壓幅度可能覆蓋±10廠的范圍，所以必須對(duì)輸入比較器的目標(biāo)信號(hào)限壓，以 保護(hù)TL714比較器。圖中的兩個(gè)穩(wěn)壓二極管D1和D2擊穿電壓都是3V，當(dāng)目標(biāo)電壓超過3V 時(shí)，二極管電壓急劇下降，呈現(xiàn)短路狀態(tài)，有效保護(hù)TL714比較器。i 12是0.4A 的電阻，
其作用是在二極管短路的情況下維持目標(biāo)信號(hào)的幅值，否則，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5的目標(biāo) 信號(hào)也將出現(xiàn)“削平”現(xiàn)象。R13和R14電阻值分別為10K Q和2K Q，這樣設(shè)置的閾值信號(hào)為0. 3V。將一個(gè)由運(yùn)放0PA134設(shè)計(jì)的電壓跟隨器接在R14與TL714之間，用于消除了阻 抗匹配問題。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用了 5V的TTL邏輯接口器件和3. 3V的LVTTL邏輯接口器件。 在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源電壓的邏輯器件互相接口時(shí)存在以下幾個(gè)問題第一，加到輸 入和輸出引腳上允許的最大電壓限制問題，器件對(duì)加到輸入或者輸出引腳上的電壓通常是 有限制的；第二，接口輸入轉(zhuǎn)換門限問題?；谏鲜銮闆r，5V器件TL714是不能和3.3V 10 端口器件F2812直接接口的。最好的解決方案是使用一個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器來改變輸入到F2812 上的電壓，這里選用SN74LVC245作為邏輯電平轉(zhuǎn)換器。SN74LVC245是8位總線收發(fā)器，可 以1. 6-3. 6V的寬電源供電下工作，最大的接收電壓為5. 5V，小于6. 3ns的快速響應(yīng)，最大低 電平輸出電壓為0. 8V，最小輸出高電平偉2. 4V，最大輸出高電平不超過供電電壓(3. 3V)。 如圖6所示。F2812 DSP要求復(fù)位信號(hào)在從低到高之前，時(shí)鐘必須已經(jīng)穩(wěn)定工作了若干時(shí)間(毫 秒級(jí))，同時(shí)對(duì)復(fù)位信號(hào)的低電平寬度也有要求。一般為了可靠的復(fù)位，RS端上電的時(shí)間 應(yīng)保持20ms以上的低電平，而且復(fù)位信號(hào)上不應(yīng)有毛刺出現(xiàn)，因此采用圖6中的電路，保 證了電路板加電后正確復(fù)位。SP708S屬于專用微處理器電源監(jiān)控芯片，當(dāng)按下按鍵S1時(shí)， SP708S產(chǎn)生低電平脈沖送到DSP的/XRS復(fù)位端，使DSP成功復(fù)位。如圖7所示，本系統(tǒng)的器件需要多種電壓供電，各元件的供電電壓分別為傳聲器 為 1. 8V, TL714 為 5V, SN74LVC245 為 3. 3V, 0PA134 和 INA217 為±12 V，系統(tǒng)最好采用一個(gè) 電源供電，通過系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換出符合各個(gè)單元供電要求的電源。其中一個(gè)問題是我 們需要將單電源轉(zhuǎn)換成±12 V的電源，目前使用比較多的單電源變雙電源的方法是，將單電 源的電壓Vcc進(jìn)行分壓，以Vcc/2為參考地，輸出就變成了 ± Vcc/2的雙電源。本系統(tǒng)采用 一個(gè)24V電源變換得到±12 V雙電源，+5V電壓通過LM7805轉(zhuǎn)換得到，1. 8V電壓和3. 3V電 壓通過TPS73HD318得到。本系統(tǒng)包括以下幾個(gè)程序模塊DSP初始化程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理 程序模塊和Bayes判別及顯示模塊。如圖8所示，上電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化完成后，當(dāng)有聲音信號(hào)的時(shí)候， 通過硬件中斷向DSP提出外部中斷請(qǐng)求，DSP得到請(qǐng)求后響應(yīng)該中斷，屏蔽其他外部中斷，使 能定時(shí)器中斷，開啟定時(shí)器，接著啟動(dòng)一次AD轉(zhuǎn)換，接著等待ADC中斷的到來，ADC中斷到來 后，響應(yīng)該中斷，進(jìn)入ADC中斷服務(wù)子程序。在ADC中斷服務(wù)子程序中，DSP向ADC發(fā)出轉(zhuǎn)換 命令，同時(shí)將上次轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)，接著判斷數(shù)據(jù)采集是否完畢，如果沒有，返回ADC中斷等待， 若數(shù)據(jù)采集完畢，進(jìn)入特征提取程序，提取各特征參數(shù)。最后將各特征參數(shù)代入判別函數(shù)并輸 出檢測(cè)結(jié)果，程序返回到主程序并開啟外部中斷等待下一個(gè)聲音信號(hào)的到來。如圖9所示，系統(tǒng)上電后從引導(dǎo)ROM區(qū)執(zhí)行引導(dǎo)程序，接著執(zhí)行“DSP281x_ CodeStartBranCh. asm”程序，從弓|導(dǎo)入口地址跳轉(zhuǎn)至C程序入口地址c_init00，C程序入口 地址與選擇的引導(dǎo)方式有關(guān)，可以從RAM引導(dǎo)，也可以從Flash引導(dǎo)。接著執(zhí)行C初始化代 碼，初始化過程由包含在C運(yùn)行庫中的boot, asm程序?qū)崿F(xiàn)。初始化系統(tǒng)控制寄存器，配置 PLL，使能外設(shè)時(shí)鐘，設(shè)置時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)因子，屏蔽看門狗。初始化GPI0，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，配 置GPI0引腳為外設(shè)功能或用作通用輸入/輸出引腳，本系統(tǒng)中將GPI0A0設(shè)為輸出好壞信 號(hào)的引腳。初始化PIE的控制寄存器(PieCtrl)和中斷矢量表(PieVect)，源文件DSP281x_Defaltlsr. c中定義了所有默認(rèn)的中斷服務(wù)程序，根據(jù)系統(tǒng)用到的中斷函數(shù)，再重新映射用 到的PIE中斷向量至定義的中斷服務(wù)程序。然后初始化應(yīng)用程序用到的各個(gè)外設(shè)模塊，最 后使能相應(yīng)的PIE中斷和CPU級(jí)中斷，完成初始化。系統(tǒng)的應(yīng)用代碼部分是一個(gè)簡(jiǎn)單的循 環(huán)程序，程序的功能開啟全局中斷，原地等待聲音信號(hào)的到來。本系統(tǒng)研究的聲音信號(hào)的頻率小于10000HZ，根據(jù)奈奎斯特定律，采樣頻率 f5 ,故設(shè)定采樣頻率久=22050HZ (聲音信號(hào)最高頻率10000HZ)。如圖10所示，DSP數(shù)據(jù)采集程序首先在主程序中清除外部中斷INT1中斷標(biāo)志位， 使能外部中斷INT1，等待外部中斷。信號(hào)閾值檢測(cè)電路7發(fā)出外部中斷INT1請(qǐng)求后，DSP 響應(yīng)這個(gè)中斷，進(jìn)入外部中斷INT1服務(wù)子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。在INT1服務(wù)子程序中，首 先復(fù)位整個(gè)ADC模塊，然后依次對(duì)帶隙和參考電路上電，對(duì)模擬電路上電，選擇順序采樣模 式，然后開ADC中斷；再設(shè)置允許EVA通過觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)SEQ，然后使能INT SEQ1產(chǎn)生中斷 請(qǐng)求；再設(shè)置EVA定時(shí)器1的周期寄存器為45. 35 _，即ADC采樣周期，設(shè)置EVA定時(shí)器1 下溢中斷標(biāo)志產(chǎn)生啟動(dòng)ADC，設(shè)置定時(shí)器1為連續(xù)遞增計(jì)數(shù)模式，使能定時(shí)器，等待進(jìn)入ADC 中斷子程序。當(dāng)45. 35 m定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，EVA啟動(dòng)ADC，AD轉(zhuǎn)換完成后DSP進(jìn)入ADC中 斷服務(wù)子程序中，先讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，將轉(zhuǎn)換結(jié)果放到指定的存儲(chǔ)空間，然后復(fù)位INT SEQ1， 清除INT SEQ1中斷標(biāo)志位，再使能INT SEQ1產(chǎn)生中斷請(qǐng)求；判斷數(shù)據(jù)采集是否采集完畢， 如果采集完畢，進(jìn)入數(shù)據(jù)分析處理子程序，數(shù)據(jù)處理完之后返回主程序，否則，判斷ADC中 斷是否到來，若沒有繼續(xù)等待ADC中斷，如果到來，返回ADC中斷服務(wù)子程序。數(shù)據(jù)分析處理模塊包括數(shù)字濾波、FFT變換、功率譜估計(jì)、特征參數(shù)提取程序。進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5后的信號(hào)疊加了大量的干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)主要集中 于低頻部分，包括50HZ的工頻干擾和一個(gè)較大的基準(zhǔn)漂移。系統(tǒng)雖然在信號(hào)調(diào)理電路 中設(shè)計(jì)了一個(gè)二階有源濾波器，但AD轉(zhuǎn)換和閾值檢測(cè)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部又引入了不少高頻信 號(hào)。信號(hào)的濾波處理的目的是通過一個(gè)高質(zhì)量的數(shù)字帶通濾波器濾除低頻和高頻部分的 干擾信號(hào)。根據(jù)敲擊瓶蓋聲音信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的濾波器的功能參數(shù)確定為通帶頻率為 3000Hz-10000Hz，兩側(cè)過渡帶為2500Hz-10500Hz，通帶和阻帶紋波系數(shù)分別為3dB和15dB， 采樣頻率為22050HZ。在DSP系統(tǒng)中，用軟件實(shí)現(xiàn)濾波時(shí)主要完成一段線性卷積運(yùn)算。由于 采用的DSP內(nèi)部有MAC專門設(shè)計(jì)的硬件，可以在一個(gè)周期內(nèi)完成一次乘加運(yùn)算，因此可以非 常高效的支持?jǐn)?shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)。綜合考慮通帶特性、信號(hào)特征以及F2812的處理能力后，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是IIR型巴 特沃斯濾波器，濾波器的系數(shù)見下表1。 表1巴特沃斯IIR帶通濾波器系數(shù)表
數(shù)字濾波器的運(yùn)算結(jié)構(gòu)是很重要的，不同結(jié)構(gòu)所需的存儲(chǔ)單元及乘法次數(shù)是不同的， 前者影響復(fù)雜性，后者影響運(yùn)算速度。此外，在有限精度(有限字長(zhǎng))情況下，不同運(yùn)算結(jié)構(gòu) 的誤差、穩(wěn)定性是不同的。同一系統(tǒng)函數(shù)的IIR濾波器可以有多種不同的運(yùn)算結(jié)構(gòu)，直接II 型(典范性)結(jié)構(gòu)就是其中的一種。直接II型結(jié)構(gòu)，對(duì)于N階差分方程只需N個(gè)延時(shí)單元，這 也是各種結(jié)構(gòu)中所需延時(shí)單元最少的一種，它可以節(jié)省寄存器。但這種運(yùn)算結(jié)構(gòu)也有兩個(gè)
缺點(diǎn)系數(shù)A和~對(duì)濾波器的性能控制作用不明顯，這是因?yàn)樗麄兣c系統(tǒng)函數(shù)的零、極點(diǎn) 關(guān)系不顯著，因而調(diào)整有困難；此外，這種結(jié)構(gòu)極點(diǎn)對(duì)系數(shù)的變化過于靈敏，從而使系統(tǒng)頻 率響應(yīng)對(duì)系數(shù)的變化過于靈敏，也就是對(duì)有限精度運(yùn)算過于靈敏，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況 或引入較大的誤差。本系統(tǒng)選用的運(yùn)算結(jié)構(gòu)就是這種直接II型結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵是考慮濾波器不 需要在運(yùn)算過程中調(diào)節(jié)系數(shù)，而且這種運(yùn)算結(jié)構(gòu)會(huì)節(jié)省一部分存儲(chǔ)單元。本系統(tǒng)的直接II 型結(jié)構(gòu)如圖11所示。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的差分方程如下式
它在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)表示兩個(gè)更加方便和更少存儲(chǔ)單元的差分方程
程序的編寫是基于以上兩個(gè)公式的設(shè)置幾個(gè)數(shù)組a[i]、b[j]、d[n]、y[n]分別存放系 數(shù)a、b，中間結(jié)果d(n)，最后結(jié)果y(n)。每一個(gè)y(n)的求出需要經(jīng)過兩次的卷積運(yùn)算，即 利用公式2得到中間數(shù)據(jù)d(n)，然后再利用公式3得到最終結(jié)果y (n)。本系統(tǒng)功率譜的計(jì)算是基于FFT變換完成的。利用微處理器進(jìn)行傅立葉分析， 處理離散函數(shù)的傅立葉展開，如果直接計(jì)算全部數(shù)組元素大約需要進(jìn)行A「2次的復(fù)數(shù)乘法 和加法運(yùn)算，當(dāng)N很大時(shí)其計(jì)算量是很驚人的。FFT將原有的N點(diǎn)序列分成兩個(gè)較短的序 列，這些序列的DFT可以很簡(jiǎn)單的組合起來得到原序列的DFT，這樣一級(jí)一級(jí)地劃分下去 一直到最后就劃分成兩點(diǎn)的FFT運(yùn)算的情況。最常用FFT的是基2-FFT (只適合于擬=2Z 的序列)。它的算法基本可以分成兩大類，即按時(shí)間抽取(Decimation-In-Time，簡(jiǎn)稱DIT) 法和按頻率抽取(Decimation-In-Frequency，簡(jiǎn)稱DIF)法。DIT和DIF就運(yùn)算量上來說
是相同的，即都有￡ =log2 N級(jí)運(yùn)算，每級(jí)運(yùn)算都需要N/2個(gè)蝶形運(yùn)算來完成，總共需要 = (Mi 2)log2 N次復(fù)數(shù)乘法與 =iVlog2 N次復(fù)數(shù)加法。DIT和DIF的基本蝶形結(jié)有所
不同，DIF的復(fù)數(shù)乘法只出現(xiàn)在減法之后，DIT則是先做復(fù)數(shù)乘法再做加減運(yùn)算。本系統(tǒng)采 用的是按時(shí)間抽取的基2-FFT。如圖12所示，采用DIT算法時(shí)，必須首先將輸入序列位碼倒置，才能進(jìn)行下一步的 蝶形運(yùn)算。FFT程序的基本思想是用3層循環(huán)完成全部運(yùn)算(N點(diǎn)FFT)。第一層循環(huán)由于
需要L級(jí)計(jì)算，第一層循環(huán)對(duì)運(yùn)算的級(jí)數(shù)進(jìn)行控制。內(nèi)層的兩個(gè)循環(huán)控制同一級(jí)蝶形結(jié)的運(yùn)算，其中最內(nèi)一層循環(huán)控制具有同一種旋轉(zhuǎn)因子(即Wi中的k相同)蝶形結(jié)的運(yùn)
算，而中間一層循環(huán)則控制不同種旋轉(zhuǎn)因子(即〖對(duì)中的k不同)蝶形結(jié)的運(yùn)算。用FFT直
接計(jì)算功率譜的方法很簡(jiǎn)單。FFT變換后的數(shù)據(jù)是復(fù)數(shù)，對(duì)所得的FFT數(shù)據(jù)進(jìn)行處理——取 其實(shí)部和虛部的平方和，再對(duì)和開平方即可得到該信號(hào)的功率譜。 在DSP系統(tǒng)中提取特征參數(shù)，即共振峰頻率,功率譜面積在X軸方向上的質(zhì) 心((^),頻率^> 兩側(cè)能量百分比(雙)，中高頻段能量比值(S) 4個(gè)參數(shù)
1.共峰振頻率(i^；)
其中s = 0丄2，....,1023 , m是第,個(gè)頻率點(diǎn)的頻率值，巧是灼對(duì)應(yīng)的功率譜值；
2.功率譜面積在X軸方向上的質(zhì)心(Cx)
3.頻率&兩側(cè)能量百分比馬，即以共振峰頻率為中心，頻帶寬度為e的功率譜 幅值和與功率譜面積之比
4.中高頻段能量比值S。參考共振峰頻率，取頻率6500Hz以上對(duì)應(yīng)的功率譜幅值與功
率譜面積之比S
本系統(tǒng)在使用前需要先做調(diào)試，建立好壞瓶的判別函數(shù)。先取N (N>50)個(gè)好瓶，測(cè)這 N個(gè)好瓶的上述參數(shù)，再取N個(gè)壞瓶，測(cè)這N個(gè)壞瓶的上述參數(shù)。根據(jù)貝葉斯判別原理，利 用SAS軟件，對(duì)得到的好壞瓶的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行DISCRIM過程語句編程，即可得到壞瓶判別函 數(shù)GO和好瓶判別函數(shù)G1。注意所取的N值越大，得到的判別函數(shù)越準(zhǔn)確；判別函數(shù)與瓶 蓋的材料、電磁鐵和瓶蓋的距離等有關(guān)系，不同的系統(tǒng)所得到的判別函數(shù)是不同的，所以判 別函數(shù)調(diào)好后系統(tǒng)不能再調(diào)整，否則判別函數(shù)需要重新調(diào)試。
壞瓶判別函數(shù)GO和好瓶判別函數(shù)G1的函數(shù)形式分別為 G0 = + 0,7；! +i32x2 +a-s x3 +a^x^(4)
=、+ blXl + hx2 +b3X3(5)
其中， ，約，約，巧，而為為為為為都為常數(shù)；分別為共峰振頻率(PM)，功率譜面積在X軸方向上的質(zhì)心(Cg，頻率兩側(cè)能量百分比辟，中高頻段能量比值 S。 例如，在實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)系統(tǒng)中，漏氣啤酒封蓋的線性判別函數(shù)為 Go =-395.17098-0.10315x1+0. 179X2+493.45609x3-386.05399x4
密封好啤酒封蓋的線性判別函數(shù)為
G1＝-349.45582-0.08391x1 + 0.12233x2+510.06143x3-57.90386x4
當(dāng)系統(tǒng)工作在檢測(cè)狀態(tài)后，提取每個(gè)瓶子的特征參數(shù)，將其帶入已建立的壞瓶判別函 數(shù)GO和好瓶判別函數(shù)G1，計(jì)算出GO和G1的數(shù)值，比較GO和G1的大小，根據(jù)貝葉斯判別原 理，若G1較大則為密封性好的瓶子，否則為漏氣的瓶子。若為漏氣瓶，DSP的GPI0A0輸出 高電平。
權(quán)利要求
一種基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)裝置，其特征是，它包括電磁激振裝置，所述電磁激振裝置位于瓶口上方，所述瓶口一側(cè)設(shè)有聲傳感器；所述聲傳感器與聲音信號(hào)分析裝置相連。
2.如權(quán)利要求1所述的基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)裝置，其特征是，所述聲 傳感器與聲音信號(hào)分析裝置的信號(hào)放大及濾波電路相連，聲音信號(hào)分析裝置的信號(hào)放大及 濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP信號(hào)處理與分析模塊和檢測(cè)結(jié)果顯示模塊依次連接；所述的 信號(hào)放大及濾波電路還與信號(hào)閾值檢測(cè)電路相連；所述的信號(hào)閾值檢測(cè)電路還與DSP信號(hào) 處理與分析模塊連接。
3.如權(quán)利要求1所述的基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)裝置，其特征是，所述的 聲傳感器為單聲道駐極體電容式聲傳感器。
4.如權(quán)利要求1所述的基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)裝置，其特征是，所述電 磁激振裝置由相對(duì)應(yīng)的電磁鐵和控制電路組成；所述電磁鐵采用24V直流電壓供電，電磁 鐵的吸力為45N ；所述控制電路是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器。
5.如權(quán)利要求1所述的基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)裝置，其特征是，所述信 號(hào)放大及濾波電路中，信號(hào)放大電路采用前置音頻放大器INA217 ；信號(hào)濾波電路采用的濾 波器是一個(gè)二階巴特沃斯有源低通濾波器。
6.一種采用權(quán)利要求1的基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)方法，其特征是，該方 法的檢測(cè)步驟如下a.首先由電磁激振裝置對(duì)瓶子封蓋進(jìn)行激振，產(chǎn)生聲音信號(hào)；b.聲傳感器提取產(chǎn)生的聲音信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；c.電信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大及濾波電路放大濾波后，一路進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，一路進(jìn)入信號(hào) 閾值檢測(cè)電路；d.進(jìn)入信號(hào)閾值檢測(cè)電路的信號(hào)若大于閾值信號(hào)，則DSP信號(hào)處理與分析模塊開始工 作，反之DSP信號(hào)處理與分析模塊不工作；e.當(dāng)DSP信號(hào)處理與分析模塊工作時(shí)，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行處理與分析，判斷瓶 蓋是否漏氣；f.最后將判別結(jié)果輸出到檢測(cè)結(jié)果顯示模塊。
7.如權(quán)利要求6所述的基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)方法，其特征是，在所述e 中，DSP信號(hào)處理與分析模塊的處理與分析步驟如下A.初始化DSP信號(hào)處理與分析模塊；B.采集聲音信號(hào)并進(jìn)行功率譜分析；C.找到密封性好的瓶子和漏氣瓶子在頻域里的差異；D.依據(jù)貝葉斯判別原理，分別建立封蓋合格瓶子的判別函數(shù)Gl和封蓋異常瓶子的判 別函數(shù)GO ；E.將提取的特征參數(shù)分別代入兩個(gè)判別函數(shù)，計(jì)算出GO和Gl的數(shù)值大??；F.若Gl>GO則為密封性好的瓶子，否則為漏氣的瓶子。
8.如權(quán)利要求7所述的基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)方法，其特征是，在所述D 中，所述壞瓶判別函數(shù)GO和好瓶判別函數(shù)Gl的函數(shù)形式分別為G0 = a0 + Ia1X1 + U2X2 +O3X3 +α4χ4 G1 = 0 + I^1X1 + b7x2 +AjX3 x+其中，， 而為為為為為為均為常系數(shù)；A為共振峰頻率,而功率譜面積在X軸方向上的質(zhì)心Cz ,而頻本^兩側(cè)能量百分比馬，^4中高頻段能量比值S。
9.如權(quán)利要求7所述的基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)方法，其特征是，在所述E 中，所述提取的特征參數(shù)為共振峰頻率Fm，功率譜面積在X軸方向上的質(zhì)心Cx，頻率Pm兩側(cè)能量百分比Ar ,中高頻段能量比值S。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于聲音信號(hào)處理的瓶蓋密封性檢測(cè)裝置及方法，包括聲音信號(hào)的產(chǎn)生、聲音信號(hào)的提取和聲音信號(hào)的分析處理三大部分。聲信號(hào)的產(chǎn)生是由電磁激振裝置對(duì)瓶子封蓋激振產(chǎn)生的，電磁激振裝置由電磁鐵和控制電路組成。聲音信號(hào)的提取由聲傳感器即麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)。DSP信號(hào)處理電路由聲音拾取、信號(hào)放大、模擬濾波、信號(hào)閾值檢測(cè)、電壓轉(zhuǎn)換等模塊組成。本發(fā)明檢測(cè)效果優(yōu)良，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)品檢測(cè)正確率達(dá)到99%。
文檔編號(hào)G01M3/24GK101929913SQ20101017209
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者劉海法, 李現(xiàn)明, 李璐, 王會(huì)泉, 王海相, 馬思樂 申請(qǐng)人:山東大學(xué)