CN101701935B - 耐火砖内部质量在线检测装置 - Google Patents

Abstract

耐火砖内部质量在线检测装置，包括硬件系统和软件系统，其特点是所述硬件系统采用模块化结构，包括主处理模块、声音采集模块、PC机串口通信模块、辅助外设模块和敲击控制模块；DSP主处理模块的主处理芯片为TMS320V5509A芯片，芯片通过外部存储器接口这一片内外设对外部存储空间进行管理，外部存储空间被分成CE0-CE3，每一个空间都有一个片选使用信号/CEn。所述软件系统，提出了一套利用耐火砖敲击声音信号进行耐火砖内部缺陷检测与诊断方法，并开发了相应的软件。本发明解决了耐火砖内部质量检测方法落后的问题，使耐火砖内部缺陷检测装置运行稳定、快速、操作简单、功能完备，完全满足耐火砖内部质量在线检测的需要。可以应用在耐火砖生产厂，帮助其提高生产质量与效率。

Description

耐火砖内部质量在线检测装置

技术领域

本发明涉及一种质量检测技术领域，特别是涉及一种耐火砖内部质量在线检测装置，通过在线检测装置采集耐火砖的敲击声音数据，利用主元分析加Fisher判别式分析方法(PCA-FDA)，通过装置运算自动分析声音数据，判断耐火砖内部是否存在缺陷，并进一步区分缺陷类别。

背景技术

进入21世纪以来，生产自动化和产品质量的提高一直都是工业生产的目标。随着钢铁生产行业的高速发展，对耐火材料这个炼钢行业辅料的质量要求也逐渐提高。烧结耐火砖是耐火材料主要应用之一。耐火砖作为炉衬材料、炉顶或钢包内衬等参与了钢铁冶炼过程，是钢铁生产的重要辅助材料。目前我国钢铁、建材等工业将进入控制总量、调整结构、持续稳步发展时期，耐火砖消耗总量将有大幅度下降，所以今后若干年对中国耐火砖工业来说，是一个经历结构优化，企业重组和品种结构调整的时期。这就要求耐火砖工业必须面对这些工业技术进步和发展的挑战，抓住机遇，大力发展优质高效耐火砖。并保证其质量可靠，以满足先进的高温工业发展和要求。

产品使用的可靠性是由其生产的质量和检验的可靠性共同决定的，所以为了保证耐火砖在使用中的可靠性，保护人民生命和财产安全，有必要在耐火砖生产技术达到一定水平的基础上，对其质量进行检测，确保耐火砖质量安全可靠，避免发生不必要的事故造成损失。对于耐火砖的缺陷分两大类，其中一类为表面缺陷，包括欠火砖、过烧砖(焦砖)、裂纹砖、压花砖及黑心砖等，这些缺陷一般可以从形状特征或表面颜色区分，目前在耐火砖表面检测方面主要包括面料表面裂缝、色斑、色度和尺寸等的检测。耐火砖内部缺陷检测。内部缺陷检测从耐火砖生产有史以来就一直伴随着耐火砖生产，足以见得它的重要性，但是，耐火砖的内部质量检测技术水平却一直没有太大的发展，至今为止，绝大多数耐火材料生产厂家仍然采用传统的人工敲击听声法来实现耐火砖内部质量检测。这种传统的人工敲击听声法考虑的是敲击在整体结构上的一个点所产生的整体响应，通过区分敲击导致的声音变化来判断耐火砖内部是否存在缺陷。这种方法只是用来确定耐火砖有无内部缺陷，这样检测有很多缺点：

1、不能进一步确定缺陷类型。

2、需要检测人员有丰富的经验。

3、无法客观判断检测结果的正确性和可靠性。

4、不能批量检测或大量抽检，只能小量抽检。

发明内容

本发明的目的，是提供一种耐火砖内部质量在线检测装置，本装置采用基于声音的检测方法，根据敲击正常以及不同缺陷类耐火砖发出的声音不同的原理，采集声音信号进行处理，获得数据，利用主元分析加Fisher判别式分析方法(PCA-FDA)检测耐火砖内部是否存在缺陷，并进一步区分缺陷类别，能大幅度提高耐火砖检测质量。

采用的技术方案是：

耐火砖内部质量在线检测装置，包括两个部分，即装置的硬件系统和软件系统。

一、硬件系统采用模块化结构，包括DSP主处理模块、声音采集模块、PC机串口通信模块、辅助外设模块和敲击模块。如图1所示。采用模块化结构，组装和维护方便，安全性能高。

(1)DSP主处理模块

DSP主处理模块的主处理芯片采用Ti公司生产的TMS320VC5509A芯片，完成数据处理和分析任务，外设的控制驱动和整个系统的调度任务。在主处理模块中还要扩展存储器完成系统程序及系统运行时的数据存储。

(2)声音采集模块

声音采集模块主芯片采用Ti公司生产的TLV320AIC23芯片(声音编解码器)来完成模拟信号采集。

(3)串口通信模块的主芯片采用Ti公司生产的异步通信器件TL16C550，实现TMS320VC5509A串口通信。

(4)辅助外设模块

辅助外设模块包括电源与时钟模块、复位模块、JTAG接口、LCD显示接口以及键盘输入接口。其中电源芯片采用TI公司的TPS73HD301。时钟模块的晶振芯片采用TI公司的20MHz外部晶体。复位模块主要是当系统出现故障时，重启CPU的。

(5)敲击控制模块

敲击模块主要是在线检测时，当检测到新的耐火砖到位时，发出敲击命令，以使敲击装置动作。

二、耐火砖内部缺陷检测装置的软件系统

利用TI公司为DSP芯片的开发设计的集成开发环境CCS(Code ComposerStudio)设计了软件系统。采用无操作系统自我调度形式，由中断部分、初始化部分和主循环部分组成，初始化部分通常完成DSP软、硬件的初始化设置，启动硬件系统，使能DSP中断，之后进入主循环等待键盘中断。当键盘操作时跳转到键盘处理中断子程序，可以选择系统需要执行的相应操作，包括建模操作、检测操作、通信操作。同时改变相应标志位与参数，然后中断返回。主循环部分检测到有标志位变化执行相应的子程序。耐火砖内部质量检测装置软件系统主程序流程图如图3所示。

本系统软件包括以下几个程序模块：DSP初始化程序模块、数据预处理程序模块、建立模型程序模块、检测程序模块、通信程序模块、键盘和显示程序模块。

DSP初始化程序模块主要是完成系统运行初始化设计，以及各个辅助模块的参数配置。主要包括：时钟初始化、EMIF初始化、SDRAM初始化、定时器初始化、AIC23初始化、McBSP0初始化等。

数据预处理程序模块主要实现耐火砖敲击声音信号的预处理。主要包括滤波、敲击信号端点检测、声音信号的频谱分析及频谱信号特征点提取算法。声音信号的预处理框图如图4所示。为了滤掉现场噪声信号，首先设计了FIR滤波器。由于真正敲击产生的声音信号占整个信号的很小一部分。如果对每个滤波后的信号直接进行处理，不但存在干扰，运算量也会很大，从而直接影响着后续工作的效率和准确性。这样就需要从滤波后的信号中检测到敲击信号的开始端点，并提取敲击的真正声音信号。本发明采用短时能量和短时平均过零率双门限比较法将真正的敲击信号提取出来。为了从信号中得到代表耐火砖内部特征的信息，采用Welch方法估计其功率谱。功率谱代表信号能量信息，也就代表了敲击信号的特征信息，但是不能把所有功率谱都拿来作后期的统计分析，要提取出功率谱的主要特征点，既可以代表信号特征信息，又可以减少数据计算量。峰值点是信号中能量最集中的地方。将峰值点的频率和幅值信息提取出来，作为后期处理的特征数据。上述处理方法具有运算速度快，存储要求低的特点。

模型程序模块主要利用提取出来的特征数据建立统计检测模型(主成分分析模型，PCA模型)和缺陷诊断模型(费舍尔判别式分析模型，FDA模型)。程序流程图如图4所示。设X，n×m是经过预处理后由正常耐火砖敲击获得的声音特征数据矩阵，该数据矩阵经过标准化处理，即每个变量都减去均值除以标准差，其中m为变量数，n为样本数。利用主元分析把数据矩阵X∈R^n×m分解为得分T_r∈R^n×r以及负荷矩阵P_r∈R^m×r的乘积。

X＝T_rP_r ^T+E

T_r＝XP_r

r是根据主元对信息贡献率确定的主元个数。r往往要比m小得多，也就是用少数几个线性组合以在损失很少信息的前提下来解释原来变量绝大多数信息，也就得到了主元模型P_r。主元分析常用T_r ²(称为T²统计量)和E²(称为SPE统计量)来实现故障检测。T_r ²统计量服从F分布，E²统计量服从卡方分布，于是可以得到置信度α下的控制限T_r，α ²、E² _α。

缺陷诊断模型为利用已知类别的缺陷样本建立FDA诊断模型。首先定义n为缺陷样本的个数，m为变量的个数，p为缺陷类数，n_j是第j类缺陷样本数，将第i个样本变量向量表示为x_i。可把所有类的建模数据放入矩阵X∈R^n×m中。定义以下三个矩阵：总体离散度矩阵S_t、类内离散度矩阵S_w以及类间离散度S_b矩阵。

χ_j是属于第j类的向量x_i的集合，则第j类的类内部离散度矩阵S_j定义为：

$S_j=\frac{1}{n_j}\underset{x_i\∈{\mathrm{\χ}}_j}{\mathrm{\Σ}}(x_i-{\stackrel{\‾}{x}}_j){(x_i-{\stackrel{\‾}{x}}_j)}^T$

其中：

为第j类的总体样本平均值向量为

类内离散度矩阵S_w定义为：

$S_w=\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}p\left(w_j\right)S_j$

其中p(w_j)第j类的先验概率，p(w_j)＝1/p。

类间离散度矩阵S_b定义为：

$S_b=\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}p\left(w_j\right)({\stackrel{\‾}{x}}_j-\stackrel{\‾}{x}){({\stackrel{\‾}{x}}_j-\stackrel{\‾}{x})}^T$

其中：

为总体样本平均值向量为

FDA通过对以下目标函数寻优求得能代表不同故障类最优分离的方向，即寻找最优的FDA向量。其目标函数为：

$\underset{v\≠0}{\max }\frac{w^T{S}_{b}w}{w^T{S}_{w}w}$

通过求解得到特征向量为w₁，w₂，...，w_r，构造r个判别函数：g_i(x)＝w_i ^Tx，i＝1，...，r，使得p类数据投影到r维空间后，实现不同类别数据的最优分离。

检测程序模块利用建立的两个模型对新得到的声音信号进行检测，流程图如图5所示。对于一个新获得的声音特征数据x∈R^m×1，x′为经过标准化后的样本，其中

为x′的第j个元素，j＝1，2...m，为建模标本第j个变量的平均值，S_j为建模样本第j个变量的方差，那么其得分和残差向量可以分别由下式计算得到。

t＝x′P_r                  e＝x′(I-P_rP_r ^T)

进而可以得到两个统计量：

T_r ²＝t^Tλ^-1t          E²＝eTe

若T_r ²统计量和E²统计量有一个超过了控制限，则表明该耐火砖为有缺陷砖，否则为质量合格砖。

对于一个被检测的耐火砖样本x∈R^m×1，若经过前面主成分分析检测被确定为有缺陷样本，则可通过计算

为第j类的第l个判别函数均值，若

则判断x∈j类。

通信程序主要是通过串口通信将建模、检测信息上传给计算机。

键盘和显示程序模块通过键盘和LCD液晶显示屏进行人机交互。利用键盘进行系统运行设置和操作。使用液晶显示屏完成键盘操作提示，系统运行状态显示等功能。

本发明的优点在于：解决了耐火砖内部质量检测方法落后的问题，设计了检测方法，发明了一套基于TMS230VC5509A DSP的耐火砖内部缺陷检测装置。耐火砖内部缺陷检测装置运行稳定、快速、操作简单、功能完备，完全满足耐火砖内部质量在线检测的需要。可以应用在耐火砖生产厂，帮助其提高生产质量与效率。

附图说明

图1是耐火砖内部质量检测装置硬件系统组成框图。

图2是耐火砖内部质量检测装置硬件部分电路原理图。

图3是耐火砖内部质量检测装置软件系统主程序流程图。

图4是检测声音数据获取结构框图。

图5是PCA-FDA方法建模算法流程图。

图6是PCA-FDA方法检测算法流程图。

具体实施方式

一、耐火砖内部质量检测装置硬件和软件构成

耐火砖内部质量在线检测装置，包括硬件和软件两部分。

1、耐火砖内部缺陷检测装置的硬件系统采用模块化结构，包括DSP主处理模块、声音采集模块、PC机串口通信模块、辅助外设模块和敲击模块，如图1所示。

(1)DSP主处理模块

主处理芯片选择TI公司的TMS320VC5509A。完成数据处理分析任务、外设的控制驱动以及整个系统的调度任务。在主处理模块中还要扩展存储器完成系统程序存储以及系统运行时的数据存储。TMS320VC5509A通过外部存储器接口(EMIF)这一片内外设对外部存储空间进行管理，外部存储空间被分成了CE0-CE3。每一个空间都有一个片选使能信号/CEn。本系统的TMS320VC5509A采用PGE封装，外部有14根地址线，在TMS320VC5509A外部扩展了一片512K字节的FLASH(利用CPLD做地址扩展)和一片4M字节的SDRAM。FLASH芯片选择AMD公司的AM29LV800B，SDRAM芯片选择HY57V641620。

(2)声音采集模块

采用TI公司专为音频处理应用设计的声音编解码器件TLV320AIC23来完成模拟信号的采集。TLV320AIC23声音编码器利用TMS320VC5509A芯片内的两个独立的通道进行通信，通过DSP总线的I²C控制TLV320AIC23的端口配置寄存器，DSP总线的双向数据通道McBSP传输数字音频信号；

(3)串口通信模块

由于DSP主处理模块构成一个独立的处理单元，需要通过异步通信接口和PC机交换数据。异步通信接口选用Ti公司的异步通信的接口TL16C550，用以实现处理主芯片TMS320VC5509A串口通信，该设计系统编程简单，具有较强的灵活性和实用性，适用于实时通信应用。

(4)辅助外设模块

辅助外设模块包括电源与时钟模块、复位模块、JTAG接口、LCD显示接口以及键盘输入接口。其中电源芯片采用TI公司的TPS73HD301。时钟模块的晶振芯片采用TI公司的20MHz外部晶体。JTAG接口实现程序的下载和计算机仿真。

(5)敲击控制模块

该模块利用1路数字量输入和1路数字量输出来实现耐火砖的位置检测和敲击动作发出。对耐火砖实施敲击为已知装置，故省略。

主处理模块，声音采集模块，串口通信模块，辅助外设模块，敲击控制模块，主处理器芯片TMS320VC5509A的D[15:0]、A[10:1]、/CEX、CLKMEN、/SDRAS、/SDCAS、/SDWE、/BE[1:0]、A[0]、A[13]、A[12]、SDA10管脚分别与SDRAM的D[15:0]、A[9:0]、/CS、CLK、/RAS、/CAS、/WE、/DQM[H:L]、BA[1]、BA[0]、A[11]、A[10]管脚相连。

主处理器芯片TMS320VC5509A的D[15:0]、A[13:1]、/CE1、/AOE、/AWE管脚分别与FLASH的D[15:0]、A[12:0]、/CS、/OE、/WE管脚相连。FLASH的A[18:13]管脚与XC95144XL-10IQ144C的IO[57:52]管脚相连。

主处理器芯片TMS320VC5509A的CLKRX0、DX0、DR0、FSRX0、SCL、SDA管脚分别与TLV320AIC23的BCLK、DIN、DOUT、LRCOUT、SCLK、SDIN管脚相连。TLV320AIC23的/CS、MODE管脚与地相连。

TLV320AIC23的MICIN、MICBIAS管脚分别与麦克信号和麦克偏差信号相连。

主处理器芯片TMS320VC5509A的D[7:0]、A[3:1]管脚分别与TL16C550的D[7:0]、A[2:0]管脚相连。XC95144XL-10IQ144C的IO[48]、IO[49]、IO[50]、IO[51]、管脚分别与TL16C550的/CS2、/WR1、/RD1、MR管脚相连。

主处理器芯片TMS320VC5509A的D[7:0]、A[13，3:0]、/AOE、/AWE、/ARE、CE[3:0]、BE[1:0]、HPIEN、GPIO[7:0]、CLKOUT、HPIDATA管脚分别与XC95144XL-10IQ144C的IO[7:0]、IO[12:8]、IO[13]、IO[14]、IO[15]、IO[19:16]、IO[21:20]、IO[22]、IO[30:23]、IO[31]、IO[32]管脚相连。

XC95144XL-10IQ144C的IO[58]、IO[59]管脚分别与敲击装置的敲击信号和位置信号相连。

XC95144XL-10IQ144C的IO[67:60]、IO[68]、IO[69]、IO[70]、IO[71]管脚分别与T6963C的DB[7:0]、C/D、/CE、/WR、/RD管脚相连。

XC95144XL-10IQ 144C的IO[72]、IO[73]、IO[74]、IO[75]、IO[76]、IO[77]管脚分别与键盘相应管脚相连。

2、耐火砖内部缺陷检测装置的软件系统。

利用TI公司为DSP芯片的开发设计的集成开发环境CCS(Code ComposerStudio)设计了软件系统。采用无操作系统自我调度形式，由中断部分、初始化部分和主循环部分组成，初始化部分通常完成DSP软、硬件的初始化设置，启动硬件系统，使能DSP中断，之后进入主循环等待键盘中断。当键盘操作时跳转到键盘处理中断子程序，可以选择系统需要执行的相应操作，同时改变相应标志位与参数，然后中断返回。主循环部分检测到有标志位变化执行相应的子程序。

本系统软件包括以下几个程序模块：DSP初始化程序模块、数据预处理程序模块、建立模型程序模块、检测程序模块、通信程序模块、键盘和显示程序模块。

(1)DSP初始化程序模块

DSP初始化程序主要是完成系统运行初始化设计，以及各个辅助模块的参数配置。系统初始化程序主要包括：时钟初始化函数DPLL_Init(int freq)；EMIF初始化函数SDRAM_init、EMIF_init；定时器初始化函数TIMER_init；AIC23初始化函数McBSP0_InitSlave、I2C_Init。

(2)数据预处理程序模块

采用数据驱动的方法来分析耐火砖内部缺陷以及不同缺陷引起的敲击声音变化情况。但由于耐火砖生产现场复杂，采集到的声音信号并不是可以直接拿来做缺陷检测和诊断的数据，存在许多现场噪声干扰等因素，想要得到代表声音的特征数据，需要在缺陷检测和诊断之前进行处理。软件系统预处理主要包括以下步骤：

第一步，采集的敲击声音包含很多现场噪音的干扰，用FIR滤波器函数fir2(DATA*x，DATA*h，DATA*r，DATA*dbuffer，ushort nx，ushort nh)，滤掉现场信号中的噪声。

第二步，滤掉噪音后真正的敲击信号只占整个信号的一小部分，用短时能量和短时平均过零率双门限敲击信号提取函数begin_point(DATA*x)，将真正的敲击信号提取出来；

第三步，提取出来的敲击信号时一段时域信号没有明显的特征信息，用Welch估计其功率谱函数cpsd(DATA*x，DATA*y，DATA*z)，从时域信号估计整个信号功率谱，得到代表耐火砖内部特征信息的信号；

第四步，得到功率谱数据量太大不能用来计算处理，用特征点提取函数extract(DATA*x，DATA*y)，将功率谱峰值点的频率和幅值信息提取出来，作为分析处理的特征数据。

(3)建立模型程序模块

建立用于检测混合模型包括主元分析(PCA)模型和Fisher判别式分析(FDA)模型。利用正常数据建立PCA模型，用各类缺陷样本数据建立FDA模型，也就是计算FDA判别函数。在混合模型中PCA模型具有区分正常与缺陷类的能力。当不是正常类时可以用FDA模型继续判断其缺陷类型。

第一步采集正常30个样本数据经过预处理后建立PCA模型。求主元负荷矩阵P确定主元个数r，计算T²统计量的控制限和E²统计量的控制限，PCA模型函数为PCA_Modelling。

第二步采集各类缺陷样本每类30个数据，经过预处理后建立FDA模型，根据分类贡献率确定r₀个判别函数g_i(x)＝w_i ^Tx，FDA模型函数为FDA_Modelling。

这样用于检测的模型和控制限都已经得到。

(4)检测程序模块

检测是新采集的检测样本经过预处理后代入PCA模型，进行检测，首先计算T²统计量T²＝t^Tλ^-1t＝x′^TP_rλ^-1P_r ^Tx′，然后计算E²统计量SPE＝e^Te＝x′^T(I-P_rP_r ^T)x′，之后判断两个统计量是否超过已知控制限，如果没有超过证明是正常耐火砖，有一个超过了控制限，就需要计算判别函数值g_i(x)，并根据样本归类判别准则确定其归属的缺陷类，缺陷检测函数为analysis(DATA*x，DATA*y)。

(5)键盘和显示程序模块

系统通过键盘和LCD液晶显示屏进行人机交互，利用键盘进行系统运行设置，使用显示能力为128列×64行的LCD液晶显示屏完成键盘操作提示，系统运行状态显示等功能。

二、系统工作过程

第一步，将硬件系统按照硬件构成部分搭建完成后，将JTAG接口通过仿真器与计算机相连，装置上电。在计算机上启动CCS，将编辑好的程序即软件构成部分通过仿真器下载到硬件装置的flash芯片里。这步完成后，耐火砖内部缺陷检测装置就可脱离计算机单独工作了。

第二步，断开仿真器，重新启动耐火砖内部缺陷检测装置。装置进入正常工作状态。液晶显示屏显示操作界面，程序处于等待键盘操作状态。如图6所示。

第三步，当键盘选择“进入”后，进入具体操作项选择界面，包括“在线检测”、“建立模型”、“查看数据”、“上传通信”功能。如图7所示。

第四步，选择“建立模型”，进入建模界面。如图8所示。此时界面显示建模信息。建模程序首先等待耐火砖到位信号，然后发出敲击指令，接下来按照固定采样频率录音，并按照图2流程对声音信号进行预处理，完成一次采样。重复直到收集完所有建模数据，最后按照图4所示流程完成建模。建好的模型信息写入flash保存。重复上述建模步骤，系统针对预先存储的不同耐火砖类型进行分别建模。一旦完成建模工作后，将不需再建模。

第五步，选择“在线检测”，进入检测界面。如图9所示。此时界面显示检测信息。当选择“开始”后，检测程序等待耐火砖到位信号，然后发出敲击指令，接下来按照固定采样频率录音，并按照图2流程对声音信号进行预处理，按照图5所示流程进行在线检测，并将检测结果存入flash以备查看和通信上传。重复上述检测步骤，直到选中“停止”结束，并返回主界面。

第六步，选择“查看数据”，可对各种类型耐火砖检测情况进行查看。

第七步，选择“上传通信”，可设置通信参数并启动或停止通信。

Claims (1)

1.耐火砖内部质量在线检测装置，包括硬件系统和软件系统，其特征在于：

1)所述硬件系统采用模块化结构，包括主处理模块、声音采集模块、串口通信模块、辅助外设模块和敲击控制模块；

DSP主处理模块的主处理芯片为TMS320VC5509A，主处理芯片TMS320VC5509A通过外部存储器接口这一片内外设对外部存储空间进行管理，外部存储空间被分成CE0-CE3，每一个空间都有一个片选使用信号/CEn；主处理芯片TMS320VC5509A外部扩展了一片512K字节的FLASH和一片4M字节的SDRAM；

声音采集模块的芯片采用TLV320AIC23声音编解码器，TLV320AIC23声音编码器利用主处理芯片TMS320VC5509A内的两个独立的通道进行通信，通过DSP总线的I²C总线控制TLV320AIC23的端口配置寄存器，DSP总线的双向数据通道McBSP传输数字音频信号；

串口通信模块的异步通信接口选用TL16C550，用以实现与主处理芯片TMS320VC5509A的串口通信；

辅助外设模块，包括电源与时钟模块、复位模块、JTAG接口、LCD显示接口和键盘输入接口；电源芯片采用TPS73HD301，时钟模块的晶振芯片为20MHz外部晶体；

上述主处理芯片TMS320VC5509A的D[15:0]、A[10:1]、/CEX、CLKMEN、/SDRAS、/SDCAS、/SDWE、/BE[1:0]、A[0]、A[13]、A[12]、SDA10管脚分别与SDRAM的D[15:0]、A[9:0]、/CS、CLK、/RAS、/CAS、/WE、/DQM[H:L]、BA[1]、BA[0]、A[11]、A[10]管脚相连；

主处理芯片TMS320VC5509A的D[15:0]、A[13:1]、/CE1、/AOE、/AWE管脚分别与FLASH的D[15:0]、A[12:0]、/CS、/OE、/WE管脚相连；FLASH的A[18:13]管脚与XC95144XL-10IQ144C的IO[57:52]管脚相连；

主处理芯片TMS320VC5509A的CLKRX0、DX0、DR0、FSRX0、SCL、SDA管脚分别与TLV320AIC23的BCLK、DIN、DOUT、LRCOUT、SCLK、SDIN管脚相连；TLV320AIC23的/CS、MODE管脚与地相连；

TLV320AIC23的MICIN、MICBIAS管脚分别与麦克信号和麦克偏差信号相连；

主处理芯片TMS320VC5509A的D[7:0]、A[3:1]管脚分别与TL16C550的D[7:0]、A[2:0]管脚相连；XC95144XL-10IQ144C的IO[48]、IO[49]、IO[50]、IO[51]管脚分别与TL16C550的/CS2、/WR1、/RD1、MR管脚相连；

主处理芯片TMS320VC5509A的D[7:0]、A[13，3:0]、/AOE、/AWE、/ARE、CE[3:0]、/BE[1:0]、HPIEN、GPIO[7:0]、CLKOUT、HPIDATA管脚分别与XC95144XL-10IQ144C的IO[7:0]、IO[12:8]、IO[13]、IO[14]、IO[15]、IO[19:16]、IO[21:20]、IO[22]、IO[30:23]、IO[31]、IO[32]管脚相连；

XC95144XL-10IQ144C的IO[58]、IO[59]管脚分别与敲击装置的敲击信号和位置信号相连；

XC95144XL-10IQ144C的IO[67:60]、IO[68]、IO[69]、IO[70]、IO[71]管脚分别与T6963C的DB[7:0]、C/D、/CE、/WR、/RD管脚相连；

XC95144XL-10IQ 144C的IO[72]、IO[73]、IO[74]、IO[75]、IO[76]、IO[77]管脚分别与键盘相应管脚相连；

2)所述软件系统，提出了一套利用耐火砖敲击声音信号进行耐火砖内部缺陷检测与诊断的方法，并开发了相应的软件；

A、检测与诊断方法包括敲击声音信号预处理算法、建模算法、分析算法：

预处理算法为：使用FIR滤波器滤掉现场敲击声音信号中的噪声，用短时能量和短时平均过零率双门限方法提取敲击信号，用Welch谱估计方法估计其功率谱，将功率谱峰值点的频率和幅值信息提取出来，作为分析处理的特征数据；

建模算法为：首先利用正常耐火砖特征数据，采用PCA方法建立检测模型；设X，n×m是经过预处理后由正常耐火砖敲击获得的声音特征数据矩阵，该数据矩阵经过标准化处理，即每个变量都减去均值除以标准差，其中m为变量数，n为样本数；利用主元分析把数据矩阵X∈R^n×m分解为得分T_r∈R^n×r以及负荷矩阵P_r∈R^m×r的乘积；

$X=T_r{P}_r^T+E$

T_r＝XP_r

用T_r ²和E²来实现故障检测；T_r ²统计量服从F分布，E²统计量服从卡方分布，于是可以得到置信度α下的控制限T_r，α ²、E² _α；

然后利用已知类别的缺陷耐火砖特征数据采用FDA方法建立诊断模型；首先定义n为缺陷样本的个数，m为变量的个数，p为缺陷类数，n_j是第j类缺陷样本数，将第i个样本变量向量表示为x_i；可把所有类的建模数据放入矩阵X∈R^n×m中；定义以下三个矩阵：总体离散度矩阵S_t、类内离散度矩阵S_w以及类间离散度S_b矩阵；

χ_j是属于第j类的向量x_i的集合，则第j类的类内部离散度矩阵S_j定义为：

$S_j=\frac{1}{n_j}\underset{x_i\∈{\mathrm{\χ}}_j}{\mathrm{\Σ}}(x_i-{\stackrel{\‾}{x}}_j){(x_i-{\stackrel{\‾}{x}}_j)}^T$

其中：

为第j类的总体样本平均值向量为

类内离散度矩阵S_w定义为：

$S_w=\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}p\left(w_j\right)S_j$

其中p(w_j)第j类的先验概率，p(w_j)＝1/p；

类间离散度矩阵S_b定义为：

$S_b=\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}p\left(w_j\right)({\stackrel{\‾}{x}}_j-\stackrel{\‾}{x}){({\stackrel{\‾}{x}}_j-\stackrel{\‾}{x})}^T$

其中：

为总体样本平均值向量为

FDA通过对以下目标函数寻优求得能代表不同故障类最优分离的方向，即寻找最优的FDA向量；其目标函数为：

$\underset{v\≠\mathrm{\θ}}{\max }\frac{w^T{S}_{b}w}{w^T{S}_{w}w}$

通过求解得到特征向量为w₁，w₂，...，w_r，构造r个判别函数：

i＝1，...，r使得p类数据投影到r维空间后，实现不同类别数据的最优分离；

分析算法为：对于一个新获得的声音特征数据x∈R^m×1，x′为经过标准化后的样本，其中为x′的第j个元素，j＝1，2...，m，

为建模标本第j个变量平均值，S_j为建模样本第j个变量的方差，那么其得分和残差向量可以分别由下式计算得到；

t＝x′P_r， $e=x^{\′}(I-P_r{P}_r^T)$

进而可以得到两个统计量：

T_r ²＝t^Tλ^-1t，E²＝e^Te

若T_r ²统计量和E²统计量有一个超过了控制限，则表明该耐火砖为有缺陷砖，否则为质量合格砖；

对于一个被检测的耐火砖样本x∈R^m×1，若经过前面主成分分析检测被确定为有缺陷样本，则可通过计算

为第j类的第l个判别函数均值，若

则判断x∈j类；

B、开发的软件包括DSP初始化程序模块、数据预处理程序模块、建立模型程序模块、检测程序模块、键盘和显示程序模块；

所述DSP初始化程序模块的初始化程序主要包括：时钟初始化函数DPLL_Init；EMIF初始化函数SDRAM_init、EMIF_init；定时器初始化函数TIMER_init；AIC23初始化函数McBSP0_InitSlave、I2C_Init；

所述数据预处理程序模块的预处理程序包括FIR滤波器函数fir2、短时能量和短时平均过零率双门限敲击信号提取函数begin_point、Welch估计其功率谱函数cpsd、功率谱峰值点的频率和幅值特征点提取函数extract；

所述建立模型程序模块包括PCA模型函数PCA_Modelling、FDA模型函数为FDA_Modelling；

所述检测程序模块包括缺陷检测函数为analysis；

所述键盘和显示程序模块，系统通过键盘和LCD液晶显示进行人机交互，利用键盘进行系统设置，使用显示能力为128列×64行的LCD液晶显示屏完成键盘操作提示，系统运行显示功能。

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