李智勇，杜江，朱強
（重慶郵電大學 信號與信息處理重慶市重點實驗室，重慶 400065）
摘要：介紹了一種基于OMAPL138嵌入式處理器的球磨機負荷檢測系統設計方案。根據實際需求和當前球磨機負荷檢測方法，提出對應的系統硬件及軟件設計方案。該方案利用OMAPL138內部兩個處理器內核在架構上的非對稱性，更為高效地實現了系統的人機交互功能和數字信號處理。通過對球磨機產生的磨音信號進行頻域分析，判斷球磨機的負荷狀態，為球磨機控制策略的調整提供相關參考依據。該系統可以應用于水泥制造、金屬選礦等使用球磨機的行業。
關鍵詞：球磨機；負荷檢測；嵌入式；OMAPL138處理器
中圖分類號：TP216文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.20.024
引用格式：李智勇，杜江，朱強. 基于OMAPL138處理器的磨機負荷檢測系統設計［J］.微型機與應用，2016,35（20）：8789.
0引言
球磨機被廣泛應用在水泥制造、金屬選礦等需要將原材料碾磨成粉末的作業中。由于球磨機內部的不透明性，其負荷狀態很難直接檢測，因此工作人員無法及時調整球磨機工作狀態，從而導致了球磨機多數時間工作在“飽磨”或“空磨”的狀態，造成球磨機本身的損耗和大量能源浪費［1］。為避免此類磨損并降低能耗，需要實時獲取球磨機負荷信息，以此為依據，調整其工作狀態。傳統的球磨機負荷測量方法有球磨機轉動軸振動信號分析法、物料進出口重量壓差檢測法、轉動電機工作電流檢測法等，每種方法都有其獨到之處，但也有很大的局限性。相關研究表明，通過對球磨機運行時產生的磨音信號進行時頻分析可以更好地獲取到球磨機負荷相關的信息［2-5］。
某水泥生產企業一線工作人員提出希望可以直接觀測到磨音信號對應的頻域信號波形，以便協助他們更準確地判斷出球磨機的工作狀態。其管理人員也希望可以在遠程計算機直接觀測磨音信號的頻域波形，以便獲得更多球磨機運行狀態信息。這些需求使得原本單一的磨音信號分析系統需要具備更強大的人機交互、數據通信等實用功能。
傳統的球磨機負荷檢測系統使用單一處理器作為系統的控制及運算核心［6-8］，處理器既要兼顧繁瑣的系統控制操作，又要兼顧龐大的數學運算。實際工程中，使用精簡指令集(RISC)的微控制處理器很難克服復雜數學運算龐大的資源開銷，使用復雜指令集(CISC)的數字信號處理器則不擅長應對數據采集、系統控制等控制類操作［9］。這使得此類單一處理器系統的設計人員需要在控制功能和數學計算性能上尋找平衡。
為了解決單一處理器在架構上的缺陷導致的系統運行效率不高的問題，本實驗室在設計球磨機負荷檢測系統時使用OMAPL138處理器作為系統的核心，該處理器兼顧RISC架構和CISC架構處理器的特性，可以有效解決單一架構處理器在處理上述問題時遇到的困難。
1系統硬件結構
系統以OMAPL138嵌入式處理器為核心，該處理器內部包含了一個ARM內核和一個CISC架構的DSP內核。在工作中，采用RISC架構的ARM核完成包括磨音信號采集與存儲、異常情況報警、圖形化的人機交互功能在內的以控制指令為主的簡單操作；采用CISC架構的DSP核用于對采集到的信號進行一系列數學分析。這種將簡單控制操作和復雜數學運算操作分而治之的方法使得系統可以高效地完成多樣化的功能。本系統主要硬件結構如圖1所示。
整個系統的硬件主要分為三個部分，分別為磨音信號采集部分、ARM核和DSP核在進行數據傳輸時的雙核通信部分以及系統完成數據分析之后將數據輸出的接口部分。
磨音信號數據采集部分包括拾音器和語音芯片及相關外圍電路。拾音器將磨音信號輸入給TLV320AIC3106語音芯片，該信號會被嵌入式錄音軟件編碼成WAV格式的音頻文件，這個文件中的數據就是磨音信號的時域數據。和傳統的通過預處理電路傳輸模擬信號給模數轉換器來獲取磨音信號的方式相比，這種方法可以獲得更為精準的磨音信號。
雙核通信部分的硬件主要包括一個DDR2RAM。由于ARM核和DSP核工作時需要依賴于對方的數據，且二者無法直接進行異步通信［10］，因此，為了實現兩個核心之間的雙核通信，在硬件電路上加入一塊兩個處理器內核都可以使用的內存，以實現兩個內核之間的雙核通信。當然，這種設計沒有硬件仲裁功能，還需要在軟件中加入有效的互斥機制才能保障雙核通信的可靠性，這部分的硬件結構如圖2所示。
數據輸出接口包括了傳統的工業電流輸出接口、網絡數據接口和一塊7英寸的液晶觸摸屏。
2軟件程序設計方案
本系統軟件設計思想是所有的任務由ARM核進行調度，將DSP核看作ARM核的一個外接擴展設備，該擴展設備的作用是完成信號的分析，并將結果返回給ARM核。基于實現雙核通信的需要，本系統運行Linux 3.3操作系統，具體的任務調度由該系統下運行的嵌入式Qt應用程序來實現。系統整體的程序運行流程如圖3所示。
系統啟動后會加載用于人機交互的Qt應用程序，該程序會在Linux后臺調用音頻錄音軟件采集磨音信號，采集到的磨音信號文件會被ARM核存放到用于雙核通信的共享內存空間中，為了保證雙核通信中傳輸數據的可靠性，在軟件設計時使用了自旋鎖來解決兩個處理器核同時操作共享內存可能帶來的數據不可靠問題。DSP核作為ARM核的外設，在獲取到數據后對其進行包括濾波、時頻變換、相似度分析在內的一系列數學計算，并將計算結果存放到另外一個共享內存空間，并喚醒ARM核控制的相關進程，ARM核就會到指定的共享內存空間獲取這些數據，并通過人機交互接口將這些數據輸出。
3系統實際測試
本系統相較于傳統球磨機負荷檢測系統而言，一個重要的創新是通過液晶觸摸屏實時輸出當前磨音信號的頻域波形圖供工作人員參考。為了驗證該功能的準確性，使用音頻發生器輸出一個1 000 Hz的音頻信號，將顯示屏的輸出界面調到信號的頻域波形顯示界面，得到的音頻信號頻域波形如圖4淺色部分所示，圖中深色部分為音頻發生器工作時的界面。
在測試時，拾音器采集到了周圍環境中的其他的聲音，因而系統顯示出的頻域信號在其他頻點也有對應的信號，但最為主要的成分集中在1000 Hz這一頻點上，這和實際的情況完全吻合，這說明本系統在音頻信號的采集、處理器內核間的雙核通信、DSP內核對磨音信號時頻轉換等功能上的設計確實是可行的。
為驗證其磨音信號分析功能的準確性，在某水泥廠中使用該系統進行了一次測試。測試對象為一臺正在工作的球磨機。現場工作人員告知，球磨機當時可能處于偏空磨的狀態。經過測試，顯示屏輸出的磨音信號的頻域波形如圖5所示。
根據輸出的頻域信號波形可知，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%的信號成分集中在高頻段，這種磨音信號和經典的水泥球磨機磨音信號處于偏空磨的頻譜分布趨勢相類似，這和測試之前被告知的情況相同，從而驗證了本實驗室研發的球磨機負荷檢測系統在磨音信號分析功能上的準確性。
4結論
采用OMAPL138處理器作為核心的球磨機負荷檢測系統具有很強的人機交互功能和信號處理性能，其RISC和CISC互補的架構可以輕松地完成磨音信號的分析，并將對應的頻譜直接呈現出來，供一線工作人員參考。此外，本系統提供了網絡通信接口，通過該接口，系統可以進行數據傳輸、算法更新等一系列實用的功能，甚至可以將數據通過這個接口連接到互聯網，實現管理人員通過計算機、手持終端等設備直接進行遠程監控等功能。總之，本文設計的球磨機負荷檢測系統結構合理，具有很強維護和擴展能力，可以很好地協助一線工作人員更為準確地判斷球磨機的工作狀態。
參考文獻
［1］ 湯健,趙立杰,岳恒,等. 磨機負荷檢測方法研究綜述［J］. 控制工程, 2010，17（5）:565-570.
［2］ 楊志剛,張杰,李艷姣. 磨音影響因素分析與磨機負荷檢測方法綜述［J］. 金屬礦山, 2015，44（2）:139-144.
［3］ 王合金,郝偉,陳宏,等. 音頻信號分析在球磨機控制系統中的應用［J］. 機械設計與制造, 2009（10）:67-68.
［4］ 楊志剛,趙莉婭,薄敬東. 基于磨音信號的磨機負荷模型［J］. 河北理工大學學報(自然科學版),2011，32（2）:65-69.
［5］ 張杰,王建民,楊志剛，等.基于功率譜分析的球磨機負荷模型［J］. 工礦自動化, 2013，39（12）:43-47.
［6］ 李剛,王建民. 磨機負荷的磨音多頻帶檢測研究與開發［J］. 儀器儀表用戶, 2008，15（5）:22-23.
［7］ 曾旖,張彥斌,劉衛峰,等. 基于DSP的磨機負荷檢測儀的研制［J］. 儀表技術與傳感器, 2005（7）:14-16.
［8］ 張偉. 基于DSP的磨音特性檢測裝置的研發［D］. 濟南：濟南大學，2010.
［9］ 陳瑞森. 基于CISC/RISC的混合指令集構建［J］. 現代電子技術, 2007，30（16）:49-52.
［10］ 林淦,劉建群,許東偉,等. OMAPL138的雙核通信設計［J］. 機床與液壓, 2014，42（22）:146-149.