专利名称：基于dft频率采样的纱条波谱分析ip软核及其测试方法
技术领域：
本发明属于纺织品在线监测与信号处理设备技术领域，涉及ー种纺织纱条均匀度在线检测系统，具体涉及ー种基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核，本发明还涉及上述纱条波谱分析IP软核的测试方法。
背景技术：
纱条不匀是衡量纱线品质的主要指标之一，也是影响布面外观品质的决定性因素，纱条不匀的检测是纺纱生产中实施有效质量控制的重要手段。纺织エ业中通常采用波谱分析法对纱条不匀进行检测，波谱分析的实质是频谱分析。
理论上，纱条不匀信号包含有无数的波长，连续分布在0 の的区间，每一分量的振幅和相位都是随机的谐波分量。当因某种机械原因使纱条产生明显的周期性不匀，即出现叠加于连续波谱上的离散波长分量时，解决这ー问题的理想方法是在无限长的区间构成包含从0的所有波长的波谱图，然而所有波长的波谱图是无法得到的。由于生产实践中只关心某一特定范围内的波长，因此，生产中将波长限定在这ー范围内，可以大大減少了数据的处理量。然而在所限定的波长范围内波谱图上仍具有无限多个点，还需对波长区间进行划分，将所限定的总波长范围分成若干组，称为波道(频道)，每一波道的数值以波道内所含的一组波长分量的组中值代表，这样就构成阶梯形的波谱图。根据这些理论并结合实际，乌斯特公司最早提出了纱条波谱分析的间接方法对纱条进行质量检测，即将纱条信号主要波谱所对应的0 300Hz频段分成55个频道，这55个频道的频率值为一等比级数，其最低频道的上、下截止频率分别为0. 168Hz和0. 164Hz，最高频道的上、下截止频率为
299.525Hz和292. 393Hz，相邻两个频道间的谐振频率之比为奴。让纺织纱条信号同时通过55个带通滤波器，对每个滤波器的输出进行记录便可得到纱条信号的频谱分布图，再根据公式入= u/f将频率转换成波长，将纱条的频谱图转换成波谱图输出并显示。纱条波谱图(频谱图)是在频率域(波长域)里表征纱条粗细不匀的状态，可用来定量分析纱条条干的各种周期性不匀。目前纺织行业中均以乌斯特公司对纱条信号波长的限定范围及划分作为行业标准。传统波谱分析的方法有两种，第一种方法是Uster- II B波谱仪的滤波分析方法，直接通过多组模拟滤波器对纱条传感器送入的模拟信号进行滤波，然后将滤波结果进行处理并以波谱图的形式输出。该方法需要多组模拟滤波器，由于多组模拟滤波器所需硬件复杂，故实现波谱分析的电路复杂、庞大，可靠性及稳定性很难保证。随着数字信号处理技术的不断发展，数字滤波器拥有模拟滤波器所无法代替的新特性，例如数字滤波器无漂移，能处理低频信号，其频响特性可做到非常接近于理想滤波器的特性，因此数字滤波器已取代传统的模拟滤波器而广泛应用于波谱分析中。但无论是模拟滤波法还是数字滤波法，滤波法都是时域分析方法，是对信号频谱的间接获取。第二种方法是对纱条传感器送入的模拟信号采样后直接进行全频段傅里叶变换，得到纱条信号的频域幅值，组成频谱图，然后按照相应的公式将其转换为波谱图的形式输出。这种方法采用傅里叶变换得到纱条信号的全频道波谱图，然而波谱分析关心的只是O 300Hz这ー频段范围内的部分通道的频谱，所以直接计算全频道的频谱就会存在较大一部分无用数据的计算，大大増加了计算的时间复杂度和空间复杂度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核，该纱条波谱分析IP软核具有通用性强、实时性好以及开发简单的特点。本发明所采用的技术方案是，基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核，包括有纱条波谱分析计算单元，纱条波谱分析计算单元包括有FPGA器件硬件，FPGA器件硬件内利用HDL语言将基于DFT频率采样的纱条波谱分析算法封装为55通道纱条波谱分析IP软核，55通道纱条波谱分析IP软核包括有中心频率不同且带宽大小不等的55个频道，每个频道包括有一套基于DFT频率采样的IP子核，IP子核包括有输入模块、状态机、两个乘法器、两 个累加器模块以及输出模块，输入模块包括有xvalues模块、实部常系数avalues模块、虚部常系数bvalues模块，状态机内设置有statejii模块，乘法器内设置有mult模块，累加器模块包括有实部累加accax模块和虚部累加accbx模块，输入模块通过导线与状态机连接，状态机分别通过导线与xvalues模块、实部常系数avalues模块、虚部常系数bvalues模块连接，实部常系数avalues模块通过导线与一个乘法器中的mult模块、实部累加accax模块、一个触发器DFFE依次连接，虚部常系数bvalues模块通过导线与另ー个乘法器中的mult模块、虚部累加accbx模块、另ー个触发器DFFE依次连接，xvalues模块通过导线与两个乘法器分别连接。基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核的检测方法，具体按照以下步骤实施这里以纱条波谱分析IP核的第一道波谱分析为例，其余54频道的波谱分析原理与实现过程均与第I频道相同；步骤I，获得数字纱条信号纱条波谱分析IP软核中，I)首先将纱条均匀度检测传感器获得的模拟纱条信号经A/D转换器转换，模拟纱条信号被转换为数字纱条信号；2)将数字纱条信号送入输入模块，输入模块内的xvalues模块直接将输入的数字纱条信号即采样点值存到FPGA器件硬件内部的存储器中；步骤2，将数字纱条信号进行DFT变换对步骤I中获取的数字纱条信号进行DFT变换I)进行一次DFT运算要用到6300个采样值，xvalues模块直接将采样值存到FPGA器件硬件内部的存储器中，输入模块中的xvalues模块、实部常系数avalues模块、虚部常系数bvalues模块都根据输入sel [12. . 0]的值进入不同的分支，输出不同的存储值；2)根据DFT变换公式对数字纱条信号进行DFT变换，DFT变换公式为
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变换公式中，频域中有效频点与k的对应关系为
权利要求
1.基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核，其特征在于，包括有纱条波谱分析计算単元，纱条波谱分析计算单元包括有FPGA器件硬件(8)，FPGA器件硬件(8)内利用HDL语言将基于DFT频率采样的纱条波谱分析算法封装为55通道纱条波谱分析IP软核(9)，55通道纱条波谱分析IP软核(9)包括有中心频率不同且带宽大小不等的55个频道，每个频道包括有一套基于DFT频率采样的IP子核(10)，IP子核(10)包括有输入模块(11)、状态机(12)、两个乘法器(13)、两个累加器模块(14)以及输出模块(15)，输入模块(11)包括有xvalues模块(I)、实部常系数avalues模块(2)、虚部常系数bvalues模块(3),状态机(12)内设置有statejii模块(4)，乘法器(13)内设置有mult模块(5)，累加器模块(14)包括有实部累加accax模块(6)和虚部累加accbx模块(7), 输入模块(11)通过导线与状态机(12 )连接，状态机(12 )分别通过导线与xvalues模块(I)、实部常系数avalues模块(2)、虚部常系数bvalues模块(3)连接,实部常系数avalues模块(2)通过导线与一个乘法器13中的mult模块(5)、实部累加accax模块(6)、一个触发器DFFE依次连接，虚部常系数bvalues模块(3)通过导线与另ー个乘法器(13)中的mult模块(5)、虚部累加accbx模块(7)、另ー个触发器DFFE依次连接，xvalues模块(I)通过导线与两个乘法器(13)分别连接。
2.基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核的检测方法，其特征在于，基于权利要求I的纱条波谱分析IP软核，具体按照以下步骤实施 步骤I，获得数字纱条信号 纱条波谱分析IP软核中， I)首先将纱条均匀度检测传感器获得的模拟纱条信号经A/D转换器转换，模拟纱条信号被转换为数字纱条信号； 2)将数字纱条信号送入输入模块(11)，输入模块(11)内的xvalues模块(I)直接将输入的数字纱条信号即采样点值存到FPGA器件硬件(8)内部的存储器中； 步骤2，数字纱条信号进行DFT变换 将步骤I得到的数字纱条信号进行DFT变换 1)进行一次DFT运算要用到6300个采样值，xvalues模块(I)直接将采样值存到FPGA器件硬件(8)内部的存储器中,输入模块(11)中的xvalues模块(I)、实部常系数avalues模块(2)、虚部常系数bvalues模块(3)都根据输入sel[12..0]的值进入不同的分支，输出不同的存储值； 2)根据DFT变换公式对数字纱条信号进行DFT变换， DFT变换公式为X (ん)=J)!f[x{n)] =〉x(n)e " =〉. x(")(cos^ ん"-j sin ^/c")B=OH=OAI DFT变换公式中，频域中有效频点与k的对应关系为ネ= 4/，其中f表示频域中175 J S个有效频点的频率值；2 TT2 Zr 令乙へ.(；/) - cos——kn，/'■.(、") ニ sin ——Kn，P 'P 则DFT变换公式可写为
3.根据权利要求3所述的基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核的检测方法,其特征在于，所述的输入信号X(n)、实部常系数ak、虚部常系数bk均用14位ニ进制码表示，而乘-累加结果Ak和Bk用37位ニ进制补码表示，时域采样频率fs为lKHz，分段采样点数L为6300， 分段DFT的计算点数P取256000，在频域进行不均匀采样，仅需计算175个频点的DFT 值。
全文摘要
基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP软核及其测试方法，包括有纱条波谱分析计算单元，纱条波谱分析计算单元包括有FPGA器件硬件，FPGA器件硬件内利用HDL语言将基于DFT频率采样的纱条波谱分析算法封装为55通道纱条波谱分析IP软核，55通道纱条波谱分析IP软核包括有中心频率不同且带宽大小不等的55个频道，每个频道包括有一套基于DFT频率采样的IP子核，IP子核包括有输入模块、状态机、乘法器、累加器模块以及输出模块。基于DFT频率采样的纱条波谱分析IP核通过简单配置就可以移植到FPGA器件硬件平台上，独立完成对数字纱条信号的波谱分析任务，具有通用性强、可移植性好、采用并行计算实时性高等特点。
文档编号G01N23/00GK102830127SQ20121029881
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月21日 优先权日2012年8月21日
发明者朱磊, 宋晓梅, 智文霞 申请人:西安工程大学