基于单片机的钢丝绳无损检测系统设计_董巍巍

Key words wire ropes； NDE； SCM； signal acquisition
0 引言
钢丝绳在 使 用 过 程 中 容 易 出 现 断 丝、磨 损、锈 蚀、局部形状异常和绳径缩细等缺陷，导致钢丝绳强 度下降甚至失效，易引发事故［1］。钢丝绳无损检测 系统设计的出发点是设计一个能完全脱离通用 PC 机、可以在现场应用的检测仪器，既能在现场检测又 能把信号传给 PC 机进行离线信号分析或者进行远 程监控和诊断，这样就可以免去现场携带电脑，为钢 丝绳现场检测提供方便实用的检测仪器系统。
收稿日期： 2013-06-12
2013 年 无线电工程 第 43 卷 第 11 期 43
专题技术与工程应用
1． 1 硬件设计 1． 1． 1 检测传感器与信号采集通道设计
检测传感器与信号采集通道完成信号的传感与 获取，并将模拟信号通过 ADC 转换为数字信号由单 片机进行处理。
在信号采集通道设计中必须考虑到信号拾取、 信号调节、A / D 转换、电源配置以及干扰防止等问 题。检测装置中信号拾取采用了静输出 2． 5 V 电 压、灵敏 度 为 1． 3 mV / G 的 高 灵 敏 集 成 霍 尔 元 件 UGN3503UA，信号调节任务是将传感器或敏感元件 的输出转换成单片机输入要求的标准电平信号，由 于 UGN3503UA 输出电平满足单片机的输入要求， 而且通过软件实现信号滤波。因此，由前向通道采 集的模拟电信号无需进行滤波放大电路，经电缆可 直接送入单片机进行 A /D 转换。
接口通信电路等，系统配置框图如图 1 所示。
图 1 系统配置
其工作过程如下： 当钢丝绳通过检测装置时，检 测传感器发出脉冲信号开始采集，经过ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ片机内置 的 A / D 转换，用键盘设置钢丝绳的参数后，可以直 接对采集的信号进行处理，并将检测报告显示在液 晶显示器上，钢丝绳状况恶劣的通过报警装置提示 用户，或者可以将检测信号由 USB 接口传输到 PC 机上对数据进行再分析。
心，扩展液晶显示和基于 PC 机扩展 USB 接口通信的设计方案，开发了一套既可以单独在线实施检测并在液晶显示器上显
示检测结果、又可与上位 PC 联机实现智能化检测诊断的低功耗、高精度钢丝绳缺陷无损检测装置。给出了系统硬件设计
的基本原理、思路和软件实现方法等。系统在实验室条件下运行良好。
关键词 钢丝绳； 无损检测； 单片机； 信号采集
专题技术与工程应用
基于单片机的钢丝绳无损检测系统设计
董巍巍1 ，李建军1 ，李 钊2 ，郭 刚1 ，米文鹏1
（ 1. 第二炮兵工程大学 士官学院，山东 青州 262500； 2. 第二炮兵驻石家庄地区军事代表室，河北 石家庄 050081）
摘 要 针对钢丝绳缺陷检测装置应用的复杂现场，从钢丝绳无损检测原理出发，采用以 C8051F005 型单片机为核
D12 通过 8 位并行总线与 C8051F005 的 8 位 I / O 口进行高速通信，速率可达 2 Mb / s。D12 的 A0 脚与单片机的 I / O 口 P3． 7 相连，该端口控制 D12 的命令和数据状态。INT_N 引脚发出 USB 中断请 求。GL_N 是 GoodLink 指示灯，在调试过程中非常 有用，在通信时会不停闪烁。如果一直亮或一直暗， 表示 USB 接口有问题； 如果 D12 挂起，则指示灯关 闭。D12 外接 6 MHz 石英晶体，CLKOUT 引脚提供 C8051F005 的外部时钟输入，可以通过固件编程改 变其频率。DMACK _N、EOT _N 和 DMＲEQ 等引脚 用于 DMA 传输方式［6］。D12 与单片机 C8051F005 的接口电路如图 3 所示。
图 3 D12 与 C8051F005 的接口
1． 2 软件设计 检测系统要能正常工作，必须有硬软件双方的
支持。在已有硬件平台的基础上，需要有相应高效、 简洁的程序代码。检测软件采用单片机高级语言
C51 编写，其程序整体流程如图 4 所示。
图 4 单片机程序设计流程
系统软件采用结构化程序设计方法，可以将其 按功能模块划分为： 初始化模块、采样模块、数据处 理模块、液晶显示模块和 USB 通信模块。
在钢丝绳检测装置中，需要人机接口和界面，用 于显示参数输入，比如钢丝绳直径、捻距、门限值以 及钢丝绳规格、机构工作级别、顺交捻形式等参数的 输入及选择，并且实时地显示检测过程中钢丝绳的 各个不同位置的磁通量曲线以及在检测完毕之后能 够显示相应的检测结果，比如断丝数、断丝位置以及 给出该钢丝绳的安全评价即是否报废等。为了实现 上述要求，得到友好的人机界面，使用了 ＲT12864M 图 形 点 阵 式 液 晶 显 示 模 块，可 方 便 地 与 单 片 机 C8051F005 接口。通过对液晶控制器的写命令和写 数据，很容易对其进行操作，完成用户界面显示。
ＲT12864M 液晶显示模块是 128 × 64 点阵的汉 字图形型液晶显示模块，使用 ST7920 控制 / 驱动器， 可显示汉字及图形，内置 8 192 个中文汉字（ 16 × 16 点阵） 、128 个字符（ 8 × 16 点阵） 及 64 × 256 点阵显 示 ＲAM（ GDＲAM） 。可与 CPU 直接接口，提供 8 位 并行及串行 2 种界面连接微处理机。具有多种功 能： 光标显示、画面移位和睡眠模式等。 1． 1． 3 单片机与 PC 机的 USB 通信接口设计
钢丝绳检测中，检测信号是空间位置的函数而 不是时间的函数，称之为空间域信号，其特征在空间 域中才能得到真实的反映。在空间域信号检测过程 中，传感器相对于被检测钢丝绳运动完成空间位置 历程，并发出等空间脉冲信号。当传感器相对于被 测钢丝绳相对运动时，进行等时间间隔读取端口状 态，在脉冲信号作用下采样，可以将空间域离散检测 信号转换为离散时间域信号。
（ 1. The Second Artillery Engineering University Sergeant College，Qingzhou Shandong 262500，China； 2. Military Ｒepresentative Office of PLA Second Artillery Forces Stationed in Shijiazhuang Ｒegion，Shijiazhuang Hebei 050081，China）
D12 通过 4 针接口插头与 PC 机进行连接，接口 插头除了通信通道 D + 与 D － 外，还能够提供 5 V 电 源。因此在设计中采用 USB 端口供电，这样可以大 大简化电路系统并降低开发成本。由于系统中单片 机 C8051F005 和液晶显示器 ＲT12864M 等一些器件 的工作电压为 3 V，使用 TI 公司的 TPS7133 电压调节 器可以将 5 V 电压转换为 3 V 对这些器件进行供电。
单片 机 C8051 F005 内 集 成 有 ADC 子 系 统， 该子系统包括 1 个 9 通道的可配置模拟多路开 关 AMUX、1 个 可 编 程 增 益 放 大 器 PGA 和 一 个 100 ksps 12 位分辨率的逐次逼近型 ADC［3］。本系 统中，4 路模拟电信号送入单片机的 I / O 口，使用 C8051F005 内置的 ADC 模块进行模数转换，所得数 字信号存入 ADC 数据寄存器供单片机进行进一步 处理［4］。 1． 1． 2 液晶显示模块的设计
根据空间域信号采样方法，将等空间间隔脉冲 编码器固定或联动于空间域信号探测传感器，脉冲 编码器的导轮沿钢丝绳轴向作纯滚动，带动编码器 的光栅同步运动，当传感器相对于钢丝绳每移动一 个空间采样间距 ΔS 时，在光栅的作用下，光源导致 光敏输出一个脉冲信号。通过这一脉冲控制 A /D 转换器的采样器进行数据采集和转换，输入计算机 贮存。因此，经过这一脉冲序列控制的采样数字信 号序列即为等空间采样信号。这一原理实现过程如 图 2 所示。对于空间域信号的采样，首先要满足空 间域采样定理的要求，其次，时间域中的信号处理系 统又必须满足时域采样的要求。
图 2 等空间采样系统原理
旋转编码器的作用是对缺陷进行精确定位，本
研究采用了 NMI-OME /100 型旋转编码器。在检测 过程中，随着检测装置在钢丝绳上运动，编码器发出 等空间脉冲信号。检测软件在脉冲信号作用下，开 始进行数据采集，在采集的同时，系统可以对数据进 行分析和识别，并输出相应的波形图，判断出钢丝绳 的断丝和磨损等缺陷及其精确位置。
Abstract Aim at the complex working place of the wire rope testing device，from the principle of wire rope nondestructive testing， by adopting the design scheme of using C8051F005 MCU as the main part，extending the liquid crystal display and USB interface communication based on PC，this paper develops a wire rope nondestructive testing device with low power and high accuracy，which can not only carry out detection and the LCD display test results on line but also realize intelligent testing and diagnosis with PC． The paper introduces the basic principle and ideas of system hardware design，software implement method，etc． The system runs well in laboratory conditions．