钢丝绳无损检测系统的设计

钢丝绳无损检测系统的设计
【摘要】本文介绍了钢丝绳缺陷检测系统的原理，设计了一套基于S3C2410嵌入式处理器的钢丝绳无损测系统，提出了系统的整体设计框架，详细介绍了系统各部分的组成。

该系统可以实现钢丝绳的无损定量检测，检测结果更准确、合理。

【关键词】无损检测；嵌入式；S3C2410
Design of Wire Rope Nondestructive Detection System
SUN Hua-jun
（School of Physics and Electronic Electrical Engineering of HYNU Huai’an Jiangsu，223300）
【Abstract】This paper introduces the principle of wire rope flaw detection system，designed a set based on the S3C2410 embedded processor of wire rope nondestructive testing system，put forward the overall design of the system frame，introduces in detail the composition of the system. The system can realize wire rope nondestructive quantitative detection，the detection result is more accurate，reasonable.
【Key words】Nondestructive testing；ARM；S3C2410
0 引言
在港口码头、矿山和造船厂等部门广泛使用着各种起重机械，其中钢丝绳的状态对钢丝绳的使用寿命、对设备和人员的安全都有着重要的意义[1]。

但是目前尚缺乏可靠的钢丝绳状态检测手段和评价标准，并且现有检测仪器的准确性和可靠性不足，即使采用仪器检测的钢丝绳使用部门，其断丝等事故仍然时有发生。

多年来，我国一般采用人工目视检查和定期强制更换钢丝绳的办法来保证安全生产。

这种方法不仅不能检测到钢丝绳内部的缺陷，反而报废了仍有使用价值的钢丝绳而造成巨大的浪费。

所以，研究、开发、生产和推广高性能的钢丝绳检测仪器是防止或减少钢丝绳事故的主要手段。

目前，科学技术的高速发展为钢丝绳无损检测技术的进步提供了理论准备和技术支持。

从技术上看，复杂的钢丝绳无损检测技术对高速数据采集与显示、大容量的存储、复杂计算的要求，在计算机的高速发展中得到解决。

从理论上看，随着计算机技术的发展，人工智能有了长足的发展，模式识别、神经元理论及专家系统等日趋成熟，小波分析理论的兴起，又为数字信号处理带来了新的曙光。

这些理论通过计算机与工程实际的结合，也必将对钢丝绳无损检测技术作出应有的贡献。

在此背景下，我们提出研制多功能、高精度、操作简单、智能钢丝绳损伤检测系统。

1 检测原理
目前，钢丝绳损伤检测原理主要有两种[2]：
检测原理一：
钢丝绳损伤的检测主要是截面损失的检测和断丝的检测。

（1）截面损失的检测
采用磁桥路检测原理来检测钢丝绳的金属截面积损失。

（2）对断丝的漏磁场检测
对钢丝绳断丝检测，也采用基于霍尔元件的漏磁检测法。

检测原理二：
主要是由我国著名的自动化专家窦毓棠教授探索出“空间磁场矢量合成”新原理，并依据这一原理发明了特殊传感器“窦氏元件”，实现了弱磁稳态检测自动在线标定。

21世纪，随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家相继推出了MTC、TCK、MD-20、EMT、GP系列、MTCE系列、GSY等钢丝绳无损定量检测系统，目前推广较多，用的较好的检测系统主要是华中理工大学机电公司生产的MTC系列钢丝绳检测仪和洛阳TCK钢丝绳检测有限公司生产的TCK钢丝绳损伤定量检测系统。

2 系统设计
本系统采用ARM9微处理器作为处理器设计检测系统。

系统结构图如图。

系统结构图
本系统主要由信号处理电路、嵌入式处理器、A/D转换器、LCD显示、通信接口、片外存储器、键盘、报警组成。

2.1 信号处理电路
信号处理电路是检测系统的中间环节，具有对信号的放大、除噪、误差补偿及调整等功能。

在钢丝绳检测系统中，信号处理电路具有以下特点：（1）将传感器输出的检测信号进行不失真放大、滤波等处理，信号电平达到A/D转换的信号幅度范围，信噪比一般不大于34dB；
（2）满足多个探伤传感器同时检测的要求，能够对单个传感器输出信号进行独立处理，各处理通道间不应相互干扰；
（3）各模拟通道能对放大器的零点漂移和增益进行调节；
（4）信号处理电路应尽量减小对检测信号的干扰。

2.2 嵌入式处理器
本系统选用三星公司的S3C2410嵌入式处理器。

S3C2410微处理器是一款由Samsung公司为手持设备设计的低功耗、高集成度的基于ARM9系列的微处理器，是低价、低功耗、高性能的16/32位系统微处理器，具有丰富的接口资源。

ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。

具有以下特点：
1）5级整数流水线，执行效率更高；
2）提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构；
3）支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；
4）全性能MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统；
5）支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力；6）主频高达200MIPS。

2.3 存储器
FLASH、SDRAM和S3C2410共同构建ARM处理器模块。

本系统选用2片Intel公司的28F128J3A（28F128J3A单片容量为16MB）构建32MB的FLASH存储器系统。

选用两片单片容量为32MB，数据宽度为16位的HY57V561620，并联构建32位SDRAM存储器系统，共64MB的SDRAM 空间。

一方面可以满足稳定运行Linux、WinCE、VxWorks、Nucleus、μC/OS-Ⅱ等嵌入式实时操作系统和各种复杂算法的运行要求。

另一方面，可以满足对大量实时数据的闪速存储。

因为设计能够方便地进行现场检测的智能化仪器，钢丝
绳检测仪器必须能够不依赖于PC机独立地在现场进行检测，这就要求在检测过程中能够把检测数据实时地进行保存，检测完毕后可以将数据通过通讯传输到PC机中进行进一步的分析或作为历史数据进行查询和打印。

2.4 A/D转换器
A/D转换器将检测的模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。

本系统中选用嵌入式处理器S3C2410片内的8通道10位A/D转换器，主要有以下几点原因：
A/D转换器的字长。

已知钢丝绳缺损检测信号的变化在-10v-+10v之间，为了获得较高的分辨率，减小量化误差，本系统选择8位以上的字长。

A/D转换器转换速度。

在钢丝绳损伤在线检测中，系统的采样时间间隔由等空间采样间隔和钢丝绳运行速度确定，在等空间采样的时间间隔中系统必须实时完成信号采样和损伤信号提取或压缩工作。

因此，当钢丝绳检测时运行较快时，要求采样花费的时间越短越好，以提供足够的时间给系统完成实时运算。

A/D转换通道数：检测系统中信号处理部分提供多路检测信号，相应地，A/D转换器也应实现多路转换。

通常选8路或16路。

经济性：通常随着转换速度、精度的提高，A/D转换器的成本增加。

因此，在满足一定的性能要求时，选择中档的A/D转换器。

2.5 LCD显示
为了使仪器系统具有良好的人机交互界面，并且在外部信号检测的同时需要实时地显示波形和钢丝绳的报废情况以及断丝根数等，因此需要进行显示器扩展。

目前仪器行业所用的显示器主要有LED显示器（发光二极管）和LCD显示器（液晶显示器）。

其中LED显示器在显示相同字符或图形的条件下体积较大，因此本仪器选择LCD液晶显示器作为显示部件。

S3C2410X中具有内置的LCD控制器，支持灰度LCD和彩色LCD。

在灰度LCD上，可以支持单色、4级灰度和16级灰度模式的灰度LCD；在彩色LCD 上，可以支持256级彩色。

对于不同尺寸的LCD，具有不同数量的垂直和水平像素、数据接口的数据宽度、接口时间及刷新率，并可对LCD控制器进行编程，从而设置相应的值，以适应不同的LCD显示板。

可以很方便地去控制各种类型的LCD屏，例如：STN和TFT屏。

2.6 通信接口
该接口主要功能是把单片机采集的数据传输到PC机中，使用户可以对数据进行二次处理或者作为原始数据进行打印、保存等。

系统拟采用以太网接口与上位机通讯，通讯效率较高。

本系统中采用Realtek的RTL8019AS以太网控制器，可方便地与S3C2410接口。

2.7 键盘
由于本系统需要的按键数较多，因此采用4X4结构的矩阵式键盘，它包括10个数字按键，6个功能键（Move，Enter，Cancel，Erase，Send，Result）。

其中Erase键表示消除在存储器中的历史数据；send键表示将存储器中的当前数据通过通信接口送到上位机。

2.8 报警
报警电路是采用普通的发光二极管（LED）和一个功放驱动蜂鸣器，其作用是告诉用户钢丝绳某处断丝数超过报废标准，以引起用户的注意。

3 结语
本文设计的基于ARM处理器的钢丝绳无损监测系统，可靠性高，操作简单。

通过结合传感器检测技术和计算机技术，以及使用先进的信号处理技术，我们可以有效地提高精度和检测设备的灵敏度，实现自动化和智能化的检测设备。

【参考文献】
[1]顾必冲，孙学功.钢丝绳缺陷数据采集系统的设计与实现[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2002，26（1）：8-10.
[2]杨叔子，康宜华.钢丝绳断丝定量检测原理与技术[M].北京：国防工业出版社，1995.
[3]胡大可. MSP430 系列超低功耗16 位单片机原理与应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2001：171-178.
[4]李劲松.钢丝绳状态在线自动定量检测原理与实践[D].武汉：华中理工大学，1991.。