李智勇，杜江，朱强
（重庆邮电大学 信号与信息处理重庆市重点实验室，重庆 400065）
摘要：介绍了一种基于OMAPL138嵌入式处理器的球磨机负荷检测系统设计方案。根据实际需求和当前球磨机负荷检测方法，提出对应的系统硬件及软件设计方案。该方案利用OMAPL138内部两个处理器内核在架构上的非对称性，更为高效地实现了系统的人机交互功能和数字信号处理。通过对球磨机产生的磨音信号进行频域分析，判断球磨机的负荷状态，为球磨机控制策略的调整提供相关参考依据。该系统可以应用于水泥制造、金属选矿等使用球磨机的行业。
关键词：球磨机；负荷检测；嵌入式；OMAPL138处理器
中图分类号：TP216文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.20.024
引用格式：李智勇，杜江，朱强. 基于OMAPL138处理器的磨机负荷检测系统设计［J］.微型机与应用，2016,35（20）：8789.
0引言
球磨机被广泛应用在水泥制造、金属选矿等需要将原材料碾磨成粉末的作业中。由于球磨机内部的不透明性，其负荷状态很难直接检测，因此工作人员无法及时调整球磨机工作状态，从而导致了球磨机多数时间工作在“饱磨”或“空磨”的状态，造成球磨机本身的损耗和大量能源浪费［1］。为避免此类磨损并降低能耗，需要实时获取球磨机负荷信息，以此为依据，调整其工作状态。传统的球磨机负荷测量方法有球磨机转动轴振动信号分析法、物料进出口重量压差检测法、转动电机工作电流检测法等，每种方法都有其独到之处，但也有很大的局限性。相关研究表明，通过对球磨机运行时产生的磨音信号进行时频分析可以更好地获取到球磨机负荷相关的信息［2-5］。
某水泥生产企业一线工作人员提出希望可以直接观测到磨音信号对应的频域信号波形，以便协助他们更准确地判断出球磨机的工作状态。其管理人员也希望可以在远程计算机直接观测磨音信号的频域波形，以便获得更多球磨机运行状态信息。这些需求使得原本单一的磨音信号分析系统需要具备更强大的人机交互、数据通信等实用功能。
传统的球磨机负荷检测系统使用单一处理器作为系统的控制及运算核心［6-8］，处理器既要兼顾繁琐的系统控制操作，又要兼顾庞大的数学运算。实际工程中，使用精简指令集(RISC)的微控制处理器很难克服复杂数学运算庞大的资源开销，使用复杂指令集(CISC)的数字信号处理器则不擅长应对数据采集、系统控制等控制类操作［9］。这使得此类单一处理器系统的设计人员需要在控制功能和数学计算性能上寻找平衡。
为了解决单一处理器在架构上的缺陷导致的系统运行效率不高的问题，本实验室在设计球磨机负荷检测系统时使用OMAPL138处理器作为系统的核心，该处理器兼顾RISC架构和CISC架构处理器的特性，可以有效解决单一架构处理器在处理上述问题时遇到的困难。
1系统硬件结构
系统以OMAPL138嵌入式处理器为核心，该处理器内部包含了一个ARM内核和一个CISC架构的DSP内核。在工作中，采用RISC架构的ARM核完成包括磨音信号采集与存储、异常情况报警、图形化的人机交互功能在内的以控制指令为主的简单操作；采用CISC架构的DSP核用于对采集到的信号进行一系列数学分析。这种将简单控制操作和复杂数学运算操作分而治之的方法使得系统可以高效地完成多样化的功能。本系统主要硬件结构如图1所示。
整个系统的硬件主要分为三个部分，分别为磨音信号采集部分、ARM核和DSP核在进行数据传输时的双核通信部分以及系统完成数据分析之后将数据输出的接口部分。
磨音信号数据采集部分包括拾音器和语音芯片及相关外围电路。拾音器将磨音信号输入给TLV320AIC3106语音芯片，该信号会被嵌入式录音软件编码成WAV格式的音频文件，这个文件中的数据就是磨音信号的时域数据。和传统的通过预处理电路传输模拟信号给模数转换器来获取磨音信号的方式相比，这种方法可以获得更为精准的磨音信号。
双核通信部分的硬件主要包括一个DDR2RAM。由于ARM核和DSP核工作时需要依赖于对方的数据，且二者无法直接进行异步通信［10］，因此，为了实现两个核心之间的双核通信，在硬件电路上加入一块两个处理器内核都可以使用的内存，以实现两个内核之间的双核通信。当然，这种设计没有硬件仲裁功能，还需要在软件中加入有效的互斥机制才能保障双核通信的可靠性，这部分的硬件结构如图2所示。
数据输出接口包括了传统的工业电流输出接口、网络数据接口和一块7英寸的液晶触摸屏。
2软件程序设计方案
本系统软件设计思想是所有的任务由ARM核进行调度，将DSP核看作ARM核的一个外接扩展设备，该扩展设备的作用是完成信号的分析，并将结果返回给ARM核。基于实现双核通信的需要，本系统运行Linux 3.3操作系统，具体的任务调度由该系统下运行的嵌入式Qt应用程序来实现。系统整体的程序运行流程如图3所示。
系统启动后会加载用于人机交互的Qt应用程序，该程序会在Linux后台调用音频录音软件采集磨音信号，采集到的磨音信号文件会被ARM核存放到用于双核通信的共享内存空间中，为了保证双核通信中传输数据的可靠性，在软件设计时使用了自旋锁来解决两个处理器核同时操作共享内存可能带来的数据不可靠问题。DSP核作为ARM核的外设，在获取到数据后对其进行包括滤波、时频变换、相似度分析在内的一系列数学计算，并将计算结果存放到另外一个共享内存空间，并唤醒ARM核控制的相关进程，ARM核就会到指定的共享内存空间获取这些数据，并通过人机交互接口将这些数据输出。
3系统实际测试
本系统相较于传统球磨机负荷检测系统而言，一个重要的创新是通过液晶触摸屏实时输出当前磨音信号的频域波形图供工作人员参考。为了验证该功能的准确性，使用音频发生器输出一个1 000 Hz的音频信号，将显示屏的输出界面调到信号的频域波形显示界面，得到的音频信号频域波形如图4浅色部分所示，图中深色部分为音频发生器工作时的界面。
在测试时，拾音器采集到了周围环境中的其他的声音，因而系统显示出的频域信号在其他频点也有对应的信号，但最为主要的成分集中在1000 Hz这一频点上，这和实际的情况完全吻合，这说明本系统在音频信号的采集、处理器内核间的双核通信、DSP内核对磨音信号时频转换等功能上的设计确实是可行的。
为验证其磨音信号分析功能的准确性，在某水泥厂中使用该系统进行了一次测试。测试对象为一台正在工作的球磨机。现场工作人员告知，球磨机当时可能处于偏空磨的状态。经过测试，显示屏输出的磨音信号的频域波形如图5所示。
根据输出的频域信号波形可知，该磨音频域主要分布在2500 Hz以下，最为主要的成分集中在1000 Hz左右的中频段，有大约30%的信号成分集中在高频段，这种磨音信号和经典的水泥球磨机磨音信号处于偏空磨的频谱分布趋势相类似，这和测试之前被告知的情况相同，从而验证了本实验室研发的球磨机负荷检测系统在磨音信号分析功能上的准确性。
4结论
采用OMAPL138处理器作为核心的球磨机负荷检测系统具有很强的人机交互功能和信号处理性能，其RISC和CISC互补的架构可以轻松地完成磨音信号的分析，并将对应的频谱直接呈现出来，供一线工作人员参考。此外，本系统提供了网络通信接口，通过该接口，系统可以进行数据传输、算法更新等一系列实用的功能，甚至可以将数据通过这个接口连接到互联网，实现管理人员通过计算机、手持终端等设备直接进行远程监控等功能。总之，本文设计的球磨机负荷检测系统结构合理，具有很强维护和扩展能力，可以很好地协助一线工作人员更为准确地判断球磨机的工作状态。
参考文献
［1］ 汤健,赵立杰,岳恒,等. 磨机负荷检测方法研究综述［J］. 控制工程, 2010，17（5）:565-570.
［2］ 杨志刚,张杰,李艳姣. 磨音影响因素分析与磨机负荷检测方法综述［J］. 金属矿山, 2015，44（2）:139-144.
［3］ 王合金,郝伟,陈宏,等. 音频信号分析在球磨机控制系统中的应用［J］. 机械设计与制造, 2009（10）:67-68.
［4］ 杨志刚,赵莉娅,薄敬东. 基于磨音信号的磨机负荷模型［J］. 河北理工大学学报(自然科学版),2011，32（2）:65-69.
［5］ 张杰,王建民,杨志刚，等.基于功率谱分析的球磨机负荷模型［J］. 工矿自动化, 2013，39（12）:43-47.
［6］ 李刚,王建民. 磨机负荷的磨音多频带检测研究与开发［J］. 仪器仪表用户, 2008，15（5）:22-23.
［7］ 曾旖,张彦斌,刘卫峰,等. 基于DSP的磨机负荷检测仪的研制［J］. 仪表技术与传感器, 2005（7）:14-16.
［8］ 张伟. 基于DSP的磨音特性检测装置的研发［D］. 济南：济南大学，2010.
［9］ 陈瑞森. 基于CISC/RISC的混合指令集构建［J］. 现代电子技术, 2007，30（16）:49-52.
［10］ 林淦,刘建群,许东伟,等. OMAPL138的双核通信设计［J］. 机床与液压, 2014，42（22）:146-149.