專利名稱：基于dft頻率采樣的紗條波譜分析ip軟核及其測試方法
技術領域：
本發(fā)明屬于紡織品在線監(jiān)測與信號處理設備技術領域，涉及ー種紡織紗條均勻度在線檢測系統(tǒng)，具體涉及ー種基于DFT頻率采樣的紗條波譜分析IP軟核，本發(fā)明還涉及上述紗條波譜分析IP軟核的測試方法。
背景技術：
紗條不勻是衡量紗線品質(zhì)的主要指標之一，也是影響布面外觀品質(zhì)的決定性因素，紗條不勻的檢測是紡紗生產(chǎn)中實施有效質(zhì)量控制的重要手段。紡織エ業(yè)中通常采用波譜分析法對紗條不勻進行檢測，波譜分析的實質(zhì)是頻譜分析。
理論上，紗條不勻信號包含有無數(shù)的波長，連續(xù)分布在0 の的區(qū)間，每一分量的振幅和相位都是隨機的諧波分量。當因某種機械原因使紗條產(chǎn)生明顯的周期性不勻，即出現(xiàn)疊加于連續(xù)波譜上的離散波長分量時，解決這ー問題的理想方法是在無限長的區(qū)間構(gòu)成包含從0的所有波長的波譜圖，然而所有波長的波譜圖是無法得到的。由于生產(chǎn)實踐中只關心某一特定范圍內(nèi)的波長，因此，生產(chǎn)中將波長限定在這ー范圍內(nèi)，可以大大減少了數(shù)據(jù)的處理量。然而在所限定的波長范圍內(nèi)波譜圖上仍具有無限多個點，還需對波長區(qū)間進行劃分，將所限定的總波長范圍分成若干組，稱為波道(頻道)，每一波道的數(shù)值以波道內(nèi)所含的一組波長分量的組中值代表，這樣就構(gòu)成階梯形的波譜圖。根據(jù)這些理論并結(jié)合實際，烏斯特公司最早提出了紗條波譜分析的間接方法對紗條進行質(zhì)量檢測，即將紗條信號主要波譜所對應的0 300Hz頻段分成55個頻道，這55個頻道的頻率值為一等比級數(shù)，其最低頻道的上、下截止頻率分別為0. 168Hz和0. 164Hz，最高頻道的上、下截止頻率為
299.525Hz和292. 393Hz，相鄰兩個頻道間的諧振頻率之比為奴。讓紡織紗條信號同時通過55個帶通濾波器，對每個濾波器的輸出進行記錄便可得到紗條信號的頻譜分布圖，再根據(jù)公式入= u/f將頻率轉(zhuǎn)換成波長，將紗條的頻譜圖轉(zhuǎn)換成波譜圖輸出并顯示。紗條波譜圖(頻譜圖)是在頻率域(波長域)里表征紗條粗細不勻的狀態(tài)，可用來定量分析紗條條干的各種周期性不勻。目前紡織行業(yè)中均以烏斯特公司對紗條信號波長的限定范圍及劃分作為行業(yè)標準。傳統(tǒng)波譜分析的方法有兩種，第一種方法是Uster- II B波譜儀的濾波分析方法，直接通過多組模擬濾波器對紗條傳感器送入的模擬信號進行濾波，然后將濾波結(jié)果進行處理并以波譜圖的形式輸出。該方法需要多組模擬濾波器，由于多組模擬濾波器所需硬件復雜，故實現(xiàn)波譜分析的電路復雜、龐大，可靠性及穩(wěn)定性很難保證。隨著數(shù)字信號處理技術的不斷發(fā)展，數(shù)字濾波器擁有模擬濾波器所無法代替的新特性，例如數(shù)字濾波器無漂移，能處理低頻信號，其頻響特性可做到非常接近于理想濾波器的特性，因此數(shù)字濾波器已取代傳統(tǒng)的模擬濾波器而廣泛應用于波譜分析中。但無論是模擬濾波法還是數(shù)字濾波法，濾波法都是時域分析方法，是對信號頻譜的間接獲取。第二種方法是對紗條傳感器送入的模擬信號采樣后直接進行全頻段傅里葉變換，得到紗條信號的頻域幅值，組成頻譜圖，然后按照相應的公式將其轉(zhuǎn)換為波譜圖的形式輸出。這種方法采用傅里葉變換得到紗條信號的全頻道波譜圖，然而波譜分析關心的只是O 300Hz這ー頻段范圍內(nèi)的部分通道的頻譜，所以直接計算全頻道的頻譜就會存在較大一部分無用數(shù)據(jù)的計算，大大増加了計算的時間復雜度和空間復雜度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于DFT頻率采樣的紗條波譜分析IP軟核，該紗條波譜分析IP軟核具有通用性強、實時性好以及開發(fā)簡單的特點。本發(fā)明所采用的技術方案是，基于DFT頻率采樣的紗條波譜分析IP軟核，包括有紗條波譜分析計算單元，紗條波譜分析計算單元包括有FPGA器件硬件，F(xiàn)PGA器件硬件內(nèi)利用HDL語言將基于DFT頻率采樣的紗條波譜分析算法封裝為55通道紗條波譜分析IP軟核，55通道紗條波譜分析IP軟核包括有中心頻率不同且?guī)挻笮〔坏鹊?5個頻道，每個頻道包括有一套基于DFT頻率采樣的IP子核，IP子核包括有輸入模塊、狀態(tài)機、兩個乘法器、兩 個累加器模塊以及輸出模塊，輸入模塊包括有xvalues模塊、實部常系數(shù)avalues模塊、虛部常系數(shù)bvalues模塊，狀態(tài)機內(nèi)設置有statejii模塊，乘法器內(nèi)設置有mult模塊，累加器模塊包括有實部累加accax模塊和虛部累加accbx模塊，輸入模塊通過導線與狀態(tài)機連接，狀態(tài)機分別通過導線與xvalues模塊、實部常系數(shù)avalues模塊、虛部常系數(shù)bvalues模塊連接，實部常系數(shù)avalues模塊通過導線與一個乘法器中的mult模塊、實部累加accax模塊、一個觸發(fā)器DFFE依次連接，虛部常系數(shù)bvalues模塊通過導線與另ー個乘法器中的mult模塊、虛部累加accbx模塊、另ー個觸發(fā)器DFFE依次連接，xvalues模塊通過導線與兩個乘法器分別連接?；贒FT頻率采樣的紗條波譜分析IP軟核的檢測方法，具體按照以下步驟實施這里以紗條波譜分析IP核的第一道波譜分析為例，其余54頻道的波譜分析原理與實現(xiàn)過程均與第I頻道相同；步驟I，獲得數(shù)字紗條信號紗條波譜分析IP軟核中，I)首先將紗條均勻度檢測傳感器獲得的模擬紗條信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，模擬紗條信號被轉(zhuǎn)換為數(shù)字紗條信號；2)將數(shù)字紗條信號送入輸入模塊，輸入模塊內(nèi)的xvalues模塊直接將輸入的數(shù)字紗條信號即采樣點值存到FPGA器件硬件內(nèi)部的存儲器中；步驟2，將數(shù)字紗條信號進行DFT變換對步驟I中獲取的數(shù)字紗條信號進行DFT變換I)進行一次DFT運算要用到6300個采樣值，xvalues模塊直接將采樣值存到FPGA器件硬件內(nèi)部的存儲器中，輸入模塊中的xvalues模塊、實部常系數(shù)avalues模塊、虛部常系數(shù)bvalues模塊都根據(jù)輸入sel [12. . 0]的值進入不同的分支，輸出不同的存儲值；2)根據(jù)DFT變換公式對數(shù)字紗條信號進行DFT變換，DFT變換公式為
L 一 I.ム.H もL—\^ryX{k) = DFT[x(n)] = y x(n)e !> = ^ x(//)(cos—k// - j sin —A7/)
n=0n=QPP
DFT變換公式中，頻域中有效頻點與k的對應關系為
權利要求
1.基于DFT頻率采樣的紗條波譜分析IP軟核，其特征在于，包括有紗條波譜分析計算単元，紗條波譜分析計算單元包括有FPGA器件硬件(8)，F(xiàn)PGA器件硬件(8)內(nèi)利用HDL語言將基于DFT頻率采樣的紗條波譜分析算法封裝為55通道紗條波譜分析IP軟核(9)，55通道紗條波譜分析IP軟核(9)包括有中心頻率不同且?guī)挻笮〔坏鹊?5個頻道，每個頻道包括有一套基于DFT頻率采樣的IP子核(10)，IP子核(10)包括有輸入模塊(11)、狀態(tài)機(12)、兩個乘法器(13)、兩個累加器模塊(14)以及輸出模塊(15)，輸入模塊(11)包括有xvalues模塊(I)、實部常系數(shù)avalues模塊(2)、虛部常系數(shù)bvalues模塊(3),狀態(tài)機(12)內(nèi)設置有statejii模塊(4)，乘法器(13)內(nèi)設置有mult模塊(5)，累加器模塊(14)包括有實部累加accax模塊(6)和虛部累加accbx模塊(7), 輸入模塊(11)通過導線與狀態(tài)機(12 )連接，狀態(tài)機(12 )分別通過導線與xvalues模塊(I)、實部常系數(shù)avalues模塊(2)、虛部常系數(shù)bvalues模塊(3)連接,實部常系數(shù)avalues模塊(2)通過導線與一個乘法器13中的mult模塊(5)、實部累加accax模塊(6)、一個觸發(fā)器DFFE依次連接，虛部常系數(shù)bvalues模塊(3)通過導線與另ー個乘法器(13)中的mult模塊(5)、虛部累加accbx模塊(7)、另ー個觸發(fā)器DFFE依次連接，xvalues模塊(I)通過導線與兩個乘法器(13)分別連接。
2.基于DFT頻率采樣的紗條波譜分析IP軟核的檢測方法，其特征在于，基于權利要求I的紗條波譜分析IP軟核，具體按照以下步驟實施 步驟I，獲得數(shù)字紗條信號 紗條波譜分析IP軟核中， I)首先將紗條均勻度檢測傳感器獲得的模擬紗條信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，模擬紗條信號被轉(zhuǎn)換為數(shù)字紗條信號； 2)將數(shù)字紗條信號送入輸入模塊(11)，輸入模塊(11)內(nèi)的xvalues模塊(I)直接將輸入的數(shù)字紗條信號即采樣點值存到FPGA器件硬件(8)內(nèi)部的存儲器中； 步驟2，數(shù)字紗條信號進行DFT變換 將步驟I得到的數(shù)字紗條信號進行DFT變換 1)進行一次DFT運算要用到6300個采樣值，xvalues模塊(I)直接將采樣值存到FPGA器件硬件(8)內(nèi)部的存儲器中,輸入模塊(11)中的xvalues模塊(I)、實部常系數(shù)avalues模塊(2)、虛部常系數(shù)bvalues模塊(3)都根據(jù)輸入sel[12..0]的值進入不同的分支，輸出不同的存儲值； 2)根據(jù)DFT變換公式對數(shù)字紗條信號進行DFT變換， DFT變換公式為X (ん)=J)!f[x{n)] =〉x(n)e " =〉. x(")(cos^ ん"-j sin ^/c")B=OH=OAI DFT變換公式中，頻域中有效頻點與k的對應關系為ネ= 4/，其中f表示頻域中175 J S個有效頻點的頻率值；2 TT2 Zr 令乙へ.(；/) - cos——kn，/'■.(、") ニ sin ——Kn，P 'P 則DFT變換公式可寫為
3.根據(jù)權利要求3所述的基于DFT頻率采樣的紗條波譜分析IP軟核的檢測方法,其特征在于，所述的輸入信號X(n)、實部常系數(shù)ak、虛部常系數(shù)bk均用14位ニ進制碼表示，而乘-累加結(jié)果Ak和Bk用37位ニ進制補碼表示，時域采樣頻率fs為lKHz，分段采樣點數(shù)L為6300， 分段DFT的計算點數(shù)P取256000，在頻域進行不均勻采樣，僅需計算175個頻點的DFT 值。
全文摘要
基于DFT頻率采樣的紗條波譜分析IP軟核及其測試方法，包括有紗條波譜分析計算單元，紗條波譜分析計算單元包括有FPGA器件硬件，F(xiàn)PGA器件硬件內(nèi)利用HDL語言將基于DFT頻率采樣的紗條波譜分析算法封裝為55通道紗條波譜分析IP軟核，55通道紗條波譜分析IP軟核包括有中心頻率不同且?guī)挻笮〔坏鹊?5個頻道，每個頻道包括有一套基于DFT頻率采樣的IP子核，IP子核包括有輸入模塊、狀態(tài)機、乘法器、累加器模塊以及輸出模塊?；贒FT頻率采樣的紗條波譜分析IP核通過簡單配置就可以移植到FPGA器件硬件平臺上，獨立完成對數(shù)字紗條信號的波譜分析任務，具有通用性強、可移植性好、采用并行計算實時性高等特點。
文檔編號G01N23/00GK102830127SQ20121029881
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月21日 優(yōu)先權日2012年8月21日
發(fā)明者朱磊, 宋曉梅, 智文霞 申請人:西安工程大學