專利名稱：基于聲音信號處理的瓶蓋密封性檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于聲音信號處理的瓶蓋密封性檢測裝置，具體的說，本實(shí) 用新型涉及在類似酒類等飲料灌裝生產(chǎn)線上封上蓋以后，利用聲音信號處理的理論檢測瓶 蓋密封性是否合格的裝置，適用對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。目前灌裝生產(chǎn)線上封蓋 密封性檢測的市場基本被德國和美國企業(yè)所壟斷，價格昂貴。研制擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的封 蓋密封性檢測設(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)對該設(shè)備的急需， 提高其在國內(nèi)外啤酒市場上的競爭能力，而且可有效抑制國外同類產(chǎn)品的價格。目前國外封蓋密封性檢測設(shè)備已相對成熟且有大量產(chǎn)品投放市場，如德國HEUFT 系統(tǒng)，MIHO系統(tǒng)，一般將封蓋檢測功能與其他功能集成于一臺檢測設(shè)備中。單純的瓶蓋缺失檢測可以用光掃描儀或者金屬探測器探測瓶蓋是否存在。當(dāng)有封 蓋的酒瓶等經(jīng)過檢測設(shè)備時，光掃描儀或者金屬探測器感應(yīng)給出電信號，否則沒有信號產(chǎn) 生。該方法簡單易行，缺點(diǎn)是僅能檢測瓶蓋缺失，對于歪蓋，密封不嚴(yán)等無能為力。對于一些損壞嚴(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。檢測 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)行對比分析，當(dāng)分析結(jié)果超過某 個極限時，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)檢測的基礎(chǔ)依賴 于對封蓋外形進(jìn)行圖像處理分析，一般可檢測封蓋缺失及歪蓋、傾斜蓋等情況。其檢測穩(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。對于塑料瓶裝飲料的密封性也可采用超聲激勵法。灌裝好的飲料在生產(chǎn)線上高速 流動時，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，則會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 檢測裝置將不合格瓶子剔除。該裝置占用空間小，對于微小漏氣也可準(zhǔn)確判斷，但還僅限于 塑料瓶裝飲料。對于馬口鐵材料的封蓋可以采用聲學(xué)檢測。檢測模塊發(fā)出脈沖“擊打”瓶子封蓋， 封蓋發(fā)生振動并產(chǎn)生聲學(xué)信號。通過對該聲學(xué)信號進(jìn)行分析可進(jìn)行缺失檢測，形狀檢測，封 蓋的密封程度及頂部含氧量檢測等。

實(shí)用新型內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案一種基于聲音信號處理的瓶蓋密封性檢測裝置，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分析裝置 相連。所述聲傳感器與聲音信號分析裝置的信號放大及濾波電路相連，聲音信號分析裝置的信號放大及濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP信號處理與分析模塊和檢測結(jié)果顯示模塊依 次連接；所述的信號放大及濾波電路還與信號閾值檢測電路相連；所述的信號閾值檢測電 路還與DSP信號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定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。所述信號放大及濾波電路中，信號放大電路采用前置音頻放大器INA217 ；信號濾 波電路采用的濾波器是一個二階巴特沃斯有源低通濾波器。一種基于聲音信號處理的瓶蓋密封性檢測方法，該方法的檢測步驟如下a. 首先由電磁激振裝置對瓶子封蓋進(jìn)行激振，產(chǎn)生聲音信號；b. 聲傳感器提取產(chǎn)生的聲音信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號；c. 電信號經(jīng)信號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)入信號閾值檢測電路；d. 進(jìn)入信號閾值檢測電路的信號若大于閾值信號，則DSP信號處理與分析模 塊開始工作，反之DSP信號處理與分析模塊不工作；e. 當(dāng)DSP信號處理與分析模塊工作時，對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行處理與分 析，判斷瓶蓋是否漏氣；f. 最后將判別結(jié)果輸出到檢測結(jié)果顯示模塊。在所述e中，DSP信號處理與分析模塊的處理與分析步驟如下A.初始化DSP信號處理與分析模塊；B.采集聲音信號并進(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;Ε.將提取的特征參數(shù)分別代入兩個判別函數(shù)，計(jì)算出GO和Gl的數(shù)值大?。籉.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)Gl的函數(shù)形式分別為G0G1 = Bsi+ A1X1 + b2x2 +bjX3 + 4 χ4其中，αη,C^a1,均為常系數(shù)；X1為共振峰頻率, ^2功率譜 面積在X軸方向上的質(zhì)心Cx，%頻率兩側(cè)能量百分比辟， 中高頻段能量比值S。在所述E中，所述提取的特征參數(shù)為共振峰頻率功率譜面積在X軸方向上的 質(zhì)心,頻率內(nèi)》 兩側(cè)能量百分比馬，中高頻段能量比值s。本實(shí)用新型的有益效果上述檢測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，該方法檢測效果優(yōu)良，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)品檢測正確率達(dá)到99%。
圖1本實(shí)用新型的硬件總體設(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變換程序流程圖；其中，1控制電路；2電磁鐵；3聲傳感器；4信號放大及濾波電路；5模數(shù)轉(zhuǎn)換 電路；6DSP信號處理與分析模塊；7信號閾值檢測電路；8檢測顯示結(jié)果模塊。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明對于封蓋密封性檢測，當(dāng)檢測啟動時，電磁脈沖沖擊瓶蓋表面使之發(fā)生振動，同時 聲傳感器即麥克風(fēng)接收來自瓶蓋的聲學(xué)反射信號。聲學(xué)信號取決于瓶蓋的張力，瓶蓋的張 力取決于瓶內(nèi)的壓力，而瓶內(nèi)的壓力取決于啤酒瓶的密封性?；诖耍覀兙涂赏ㄟ^對反射 信號的頻率或能量進(jìn)行分析來判斷瓶蓋的密封是否合格。如圖1所示，本實(shí)用新型包括以下幾個組成部分聲音信號的產(chǎn)生、聲音信號的提 取和聲音信號的分析處理。聲信號的產(chǎn)生是由電磁激振裝置對瓶子封蓋激振產(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，從而吸引鐵質(zhì)瓶蓋；斷電后，吸力消失，整個通斷電時 間很短，瓶蓋受到一脈沖激振，產(chǎn)生聲音?？刂齐娐?用來產(chǎn)生脈沖電壓控制電磁鐵2的通 斷電。聲音信號的提取由聲傳感器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信號處理電路由聲音拾取、信號放大 及濾波電路4、信號閾值檢測電路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定時器構(gòu)成多諧振蕩器，驅(qū)動功率 場效應(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，由于Cl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Cl充電到21Γκ時，輸出端3腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，電容Cl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^ffe時，輸出端又由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖健?此時電容再次充電，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)
5555輸出高電平時，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，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，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，由于電信號很微弱， 一般只有毫伏級，應(yīng)經(jīng)過放大電路放大。根據(jù)系統(tǒng)輸入信號的特點(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，對輸入的微弱信號放大。 INA217具有較寬的寬帶和較寬增益范圍的動態(tài)響應(yīng)，其獨(dú)特的失調(diào)消除電路使其即使在高 增益時也能把失調(diào)減到最低范圍(0. 004%, G=IOO),當(dāng)信號源阻抗為200 Ω時，ΙΝΑ217具有 優(yōu)異的噪聲性能。由于ΙΝΑ217具有低噪聲、低失調(diào)、差動輸入、寬帶寬的特性，因此，它特別 適用于低頻音頻信號采集系統(tǒng)的前置放大器。由圖3看出，第4、5引腳為信號輸入端，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R=Vh ,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)信號包含了大量聲音信號以外的高頻噪聲和低頻漂 移，為了濾除這兩種干擾信號，提高信噪比，需要設(shè)計(jì)一個有嚴(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中的高頻干擾信號濾除，送入信號閾值檢測電路7和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5。 該濾波器是一個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^^Jfei ，使濾波器的截 止頻率為10000HZ。如圖5所示，為了減少信號處理的數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理，本系統(tǒng)采用硬件檢測聲 音信號端點(diǎn)的方法解決DSP內(nèi)部存儲器有限與數(shù)據(jù)處理需要大容量存儲空間的矛盾，同時 簡化了檢測聲音信號端點(diǎn)的設(shè)計(jì)，經(jīng)前級預(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)信號進(jìn)行比較若目標(biāo)信號超過閾值信號，則產(chǎn)生 觸發(fā)信號并驅(qū)動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)生的聲音信號比較短暫，只有2-3個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)信號的電壓幅度可能覆蓋±10Γ的范圍，所以必須對輸入比較器的目標(biāo)信號限壓，以 保護(hù)TL714比較器。圖中的兩個穩(wěn)壓二極管Dl和D2擊穿電壓都是3V，當(dāng)目標(biāo)電壓超過3V 時，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0.4Α 的電阻，
其作用是在二極管短路的情況下維持目標(biāo)信號的幅值，否則，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5的目標(biāo) 信號也將出現(xiàn)“削平”現(xiàn)象。R13和R14電阻值分別為IOK Ω和2Κ Ω，這樣設(shè)置的閾值信號為0. 3V。將一個由運(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存在以下幾個問題第一，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 IO 端口器件F2812直接接口的。最好的解決方案是使用一個總線驅(qū)動器來改變輸入到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)位信號在從低到高之前，時鐘必須已經(jīng)穩(wěn)定工作了若干時間(毫 秒級)，同時對復(fù)位信號的低電平寬度也有要求。一般為了可靠的復(fù)位，RS端上電的時間 應(yīng)保持20ms以上的低電平，而且復(fù)位信號上不應(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Sl時， 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, OPA134 和 INA217 為±12 V，系統(tǒng)最好采用一個 電源供電，通過系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換出符合各個單元供電要求的電源。其中一個問題是我 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，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化完成后，當(dāng)有聲音信號的時 候，通過硬件中斷向DSP提出外部中斷請求，DSP得到請求后響應(yīng)該中斷，屏蔽其他外部中 斷，使能定時器中斷，開啟定時器，接著啟動一次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，同時將上次轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲，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)并輸出檢測結(jié)果，程序返回到主程序并開啟外部中斷等待下一個聲音信號的到 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)時鐘，設(shè)置時鐘預(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GPIO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GPIOAO設(shè)為輸出好壞信號的引腳。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)用程序用到的各個外設(shè)模塊，最 后使能相應(yīng)的PIE中斷和CPU級中斷，完成初始化。系統(tǒng)的應(yīng)用代碼部分是一個簡單的循 環(huán)程序，程序的功能開啟全局中斷，原地等待聲音信號的到來。本系統(tǒng)研究的聲音信號的頻率小于10000HZ，根據(jù)奈奎斯特定律，采樣頻率 22^ ,故設(shè)定采樣頻率=22050HZ (聲音信號最高頻率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INTl中斷標(biāo)志位， 使能外部中斷INT1，等待外部中斷。信號閾值檢測電路7發(fā)出外部中斷INTl請求后，DSP 響應(yīng)這個中斷，進(jìn)入外部中斷INTl服務(wù)子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。在INTl服務(wù)子程序中，首 先復(fù)位整個ADC模塊，然后依次對帶隙和參考電路上電，對模擬電路上電，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)信號啟動SEQ，然后使能INT SEQl產(chǎn)生中斷 請求；再設(shè)置EVA定時器1的周期寄存器為45. 35 _，即ADC采樣周期，設(shè)置EVA定時器1 下溢中斷標(biāo)志產(chǎn)生啟動ADC，設(shè)置定時器1為連續(xù)遞增計(jì)數(shù)模式，使能定時器，等待進(jìn)入ADC 中斷子程序。當(dāng)45. 35 m定時時間到達(dá)時，EVA啟動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)果放到指定的存儲空間，然后復(fù)位INT SEQl, 清除INT SEQl中斷標(biāo)志位，再使能INT SEQl產(chǎn)生中斷請求；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后的信號疊加了大量的干擾信號，這些干擾信號主要集中 于低頻部分，包括50HZ的工頻干擾和一個較大的基準(zhǔn)漂移。系統(tǒng)雖然在信號調(diào)理電路 中設(shè)計(jì)了一個二階有源濾波器，但AD轉(zhuǎn)換和閾值檢測時系統(tǒng)內(nèi)部又引入了不少高頻信 號。信號的濾波處理的目的是通過一個高質(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。根據(jù)敲擊瓶蓋聲音信號的特點(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2500Ηζ_10500Ηζ，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)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)，對于N階差分方程只需N個延時單元， 這也是各種結(jié)構(gòu)中所需延時單元最少的一種，它可以節(jié)省寄存器。但這種運(yùn)算結(jié)構(gòu)也有兩
個缺點(diǎn)系數(shù) 和~對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)對系數(shù)的變化過于靈敏，從而使系統(tǒng) 頻率響應(yīng)對系數(shù)的變化過于靈敏，也就是對有限精度運(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)會節(jié)省一部分存儲單元。本系統(tǒng)的直接 II型結(jié)構(gòu)如圖11所示。這個網(wǎng)絡(luò)的差分方程如下式
IfiISy(n) = 2 WO —免)+Σ iJtxC^ —是)(1)它在程序?qū)崿F(xiàn)時表示兩個更加方便和更少存儲單元的差分方程
M d(n) = χ( ) akd {n~k)(2)
JUl=(3)程序的編寫是基于以上兩個公式的設(shè)置幾個數(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JV2次的復(fù)數(shù)乘法 和加法運(yùn)算，當(dāng)N很大時其計(jì)算量是很驚人的。FFT將原有的N點(diǎn)序列分成兩個較短的序 列，這些序列的DFT可以很簡單的組合起來得到原序列的DFT，這樣一級一級地劃分下去 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 的序列)。它的算法基本可以分成兩大類，即按時間抽取(Decimation-In-Time，簡稱DIT) 法和按頻率抽取(Decimation-In-Frequency，簡稱DIF)法。DIT和DIF就運(yùn)算量上來說
是相同的，即都有￡ =Iog2 N級運(yùn)算，每級運(yùn)算都需要N/2個蝶形運(yùn)算來完成，總共需要 F =(肌2)log2 N次復(fù)數(shù)乘法與 =Mog2 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 用的是按時間抽取的基2-FFT。如圖12所示，采用DIT算法時，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
9F= ,需要L級計(jì)算，第一層循環(huán)對運(yùn)算的級數(shù)進(jìn)行控制。內(nèi)層的兩個循環(huán)控制同一級蝶 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單。FFT變換后的數(shù)據(jù)是復(fù)數(shù)，對所得的FFT數(shù)據(jù)進(jìn)行處理——取 其實(shí)部和虛部的平方和，再對和開平方即可得到該信號的功率譜。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(Cx),頻率兩側(cè)能量百分比(Di )，中高頻段能量比值(S) 4個參數(shù)1.共峰振頻率(FM) 其中廣0,1,2,....,1023 , Ρ 是第,個頻率點(diǎn)的頻率值，巧是M對應(yīng)的功率譜值；2.功率譜面積在X軸方向上的質(zhì)心(Cs) 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以上對應(yīng)的功率譜幅值
與功率譜面積之比S /-10000 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)個好瓶，測 這N個好瓶的上述參數(shù)，再取N個壞瓶，測這N個壞瓶的上述參數(shù)。根據(jù)貝葉斯判別原理， 利用SAS軟件，對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)Gl的函數(shù)形式分別為 G1 = 0 + ^1X1 + b2x2 +i3x3 +&4 X4(5)其中， !。碎,而，約為為為為為為都為常數(shù)；X11I2J3J4分別為共峰振頻率(Pffi)，
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，中高頻段能量比值 S。例如，在實(shí)驗(yàn)室的一個系統(tǒng)中，漏氣啤酒封蓋的線性判別函數(shù)為G0 = -395.17098 - 0.1031 Sx1 + 0.173x2 + 493.45609x3 - 386.05399x4密封好啤酒封蓋的線性判別函數(shù)為G1 = -349.45582-0.0839Lti +0.12233xa + 510.06143x3 —57.90386.、當(dāng)系統(tǒng)工作在檢測狀態(tài)后，提取每個瓶子的特征參數(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Gl的數(shù)值，比較GO和Gl的大小，根據(jù)貝葉斯 判別原理，若Gl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GPIOAO 輸出高電平。
權(quán)利要求一種基于聲音信號處理的瓶蓋密封性檢測裝置，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分析裝置相連。
2.如權(quán)利要求1所述的基于聲音信號處理的瓶蓋密封性檢測裝置，其特征是，所述聲 傳感器與聲音信號分析裝置的信號放大及濾波電路相連，聲音信號分析裝置的信號放大及 濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP信號處理與分析模塊和檢測結(jié)果顯示模塊依次連接；所述的 信號放大及濾波電路還與信號閾值檢測電路相連；所述的信號閾值檢測電路還與DSP信號 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處理的瓶蓋密封性檢測裝置，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處理的瓶蓋密封性檢測裝置，其特征是，所述電 磁激振裝置由相對應(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處理的瓶蓋密封性檢測裝置，其特征是，所述信 號放大及濾波電路中，信號放大電路采用前置音頻放大器INA217 ；信號濾波電路采用的濾 波器是一個二階巴特沃斯有源低通濾波器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于聲音信號處理的瓶蓋密封性檢測裝置，包括聲音信號的產(chǎn)生、聲音信號的提取和聲音信號的分析處理三大部分。聲信號的產(chǎn)生是由電磁激振裝置對瓶子封蓋激振產(chǎn)生的，電磁激振裝置由電磁鐵和控制電路組成。聲音信號的提取由聲傳感器即麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)。DSP信號處理電路由聲音拾取、信號放大、模擬濾波、信號閾值檢測、電壓轉(zhuǎn)換等模塊組成。本實(shí)用新型檢測效果優(yōu)良，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)品檢測正確率達(dá)到99%。
文檔編號G01N29/44GK201688945SQ201020190200
公開日2010年12月29日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者喬旭興, 王海相, 鄭鵬飛, 馬思樂, 黃彬 申請人:山東大學(xué)