基于STM32F4嵌入式的鋼絲繩漏磁檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

鋼絲繩作為人或物的承載和運(yùn)輸構(gòu)件，是工業(yè)領(lǐng)域的“生命線”。鋼絲繩在使用過程中會(huì)出現(xiàn)疲勞、銹蝕、磨損、斷絲甚至斷裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致其承載能力及可靠性下降，這直接關(guān)系著生命和財(cái)產(chǎn)安全及經(jīng)濟(jì)損失[1]。所以，對鋼絲繩進(jìn)行無損檢測及壽命預(yù)測就至關(guān)重要[2]。

從1906年南非科學(xué)家MECANN和CDSON研究的交變激勵(lì)檢測探頭，到20世紀(jì)30年代左右,德國科學(xué)家CHAPPUZEAU研究的直流勵(lì)磁檢測探頭，再變革為20世紀(jì)70年代MAGNOGRAPH研究的永磁激勵(lì)檢測探頭，探頭的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了巨大的優(yōu)化。直至20世紀(jì)80年代，以華中科技大學(xué)楊叔子院士、康宜華教授以及武新軍教授為代表的無損檢測團(tuán)隊(duì)提出了等空間采樣技術(shù)理論，開發(fā)了GDJY-I型便攜式鋼絲繩無損檢測儀，其后續(xù)組員孫燕華繼續(xù)深入開展了大量的基礎(chǔ)研究及技術(shù)開發(fā)工作[3-7]。1978年波蘭對采集的鋼絲繩缺陷信號進(jìn)行了處理，通過數(shù)學(xué)模型的仿真計(jì)算，奠定了鋼絲繩定量無損檢測的基礎(chǔ)。1987年美國無損檢測(NDT)公司的WEISCHEDEL博士提出了測量鋼絲繩磁通量的新理論,并發(fā)明了分體式線圈，大大改善了鋼絲繩探頭工藝的難題。1999年德國Stuttgart大學(xué)開發(fā)了一種新型磁敏感元件的探頭，該傳感器探頭使用周向陣列的霍爾元件，波蘭礦冶大學(xué)推出了基于漏磁檢測原理的MD系列鋼絲繩無損檢測儀，主要用于檢測直徑為8～22 mm的鋼絲繩缺陷。但這些鋼絲繩檢測儀仍未解決體積大、質(zhì)量大、集成化程度低及不易手持操作的缺點(diǎn)，因此便攜式鋼絲繩漏磁檢測儀的輕便化、易操作化和集成化一直是鋼絲繩檢測儀的發(fā)展趨勢與目標(biāo)。

1 鋼絲繩檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

鋼絲繩檢測系統(tǒng)示意如圖1所示，有別于現(xiàn)有的PC主機(jī)外加數(shù)據(jù)采集盒的這種離散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該便攜式檢測儀主要由嵌入式采集系統(tǒng)主機(jī)以及檢測探頭兩部分組成。主機(jī)采用STM32F4嵌入式芯片，集成小體積模塊化設(shè)計(jì)后，佩戴在操作員手臂上，這樣可以在不影響操作員雙手作業(yè)的情況下進(jìn)行檢測。而另一部分磁化器、傳感器和編碼輪則設(shè)計(jì)成了一個(gè)整體漏磁檢測探頭，該探頭結(jié)構(gòu)中的磁化器磁芯由內(nèi)徑為58 mm,外徑為70 mm的環(huán)形徑向充磁永磁體通過線切割分為兩個(gè)半環(huán)，通過前期漏磁檢測磁化器設(shè)計(jì)仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，當(dāng)兩組永磁鐵相距20 mm時(shí)，磁敏感元件的缺陷識別度最高。同時(shí)，為減輕磁化器重量，導(dǎo)套采用尼龍加工制作，耐磨性和潤滑性可以滿足檢測要求。磁敏感元件仍采用貼片電感周向陣列布置，并引出四個(gè)通道輸出信號；佩戴在手臂上的數(shù)據(jù)采集模塊與漏磁檢測探頭之間采用即插即用的快接頭信號線連接，線長度可選，以方便雙手操作空間為準(zhǔn)。

圖1 鋼絲繩檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

微處理器的選擇決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效率，一款高效的微處理器可以保證在工作時(shí)數(shù)據(jù)采集的可靠性及穩(wěn)定性，在選擇時(shí)主要從以下4個(gè)方面考慮。

(1) 處理性能。時(shí)鐘頻率和內(nèi)部寄存器的大小影響著芯片的處理性能，另外芯片的庫指令能否適用于內(nèi)外寄存器也決定著芯片的處理性能，選擇與工作要求相匹配的處理器才是最佳選擇。

(2) 技術(shù)指標(biāo)。微處理器的通用性和可擴(kuò)展性也是選擇時(shí)所考慮的重要因素。好的通用性和高的可擴(kuò)展性可以簡化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。同時(shí)，處理器對DMA(直接內(nèi)存存取)、中斷控制器等外設(shè)的支持越全面，在后續(xù)編程仿真等處理時(shí)就越靈活。

(3) 功耗。隨著集成化和智能化的發(fā)展，對微處理器要求也越來越高。超低功耗是微處理器的發(fā)展趨勢之一。當(dāng)前的微處理器速度不亞于電腦中奔騰處理器的速度，同時(shí)可選用12，5，3.3 V等直流供電，十分適合在無外接電源的環(huán)境下作業(yè)。

(4) 軟件支持工具。對于微處理器的編程開發(fā)來說，開發(fā)工具越普及，在后續(xù)的使用與維護(hù)中越容易，也就變相降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。

幾種常用的嵌入式微處理器的特點(diǎn)如表1 所示。

表1 常用嵌入式微處理器的特點(diǎn)

綜合以上4點(diǎn)，最終選擇了ARM架構(gòu)的STM32F407ZET6作為鋼絲繩無損檢測儀的微處理器。STM32的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)模塊具有其他微處理器所不具備的特點(diǎn)，其可以對多種模擬信號進(jìn)行獨(dú)立快速采集處理，這就為鋼絲繩無損檢測時(shí)的信號采集提供了平臺。同時(shí)，其芯片支持DMA工作模式，DMA工作模式可以大幅降低處理器的工作量，極大優(yōu)化主處理器的數(shù)據(jù)處理能力。提出的手持式鋼絲繩無損檢測儀選用STM32F407ZET6微處理器ADC的DMA工作方式，根據(jù)鋼絲繩檢測時(shí)的特點(diǎn)及環(huán)境，采用等時(shí)間采樣和等空間采樣兩種方案。

圖2 硬件采集電路板外觀

缺陷信號的采集主要是應(yīng)用了STM32F4的ADC模塊，另外還有一些蜂鳴器模塊、SD卡模塊和液晶屏接口模塊等。ADC模塊可擴(kuò)展16個(gè)通道用于外部信號的采集和初步處理，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用了ADC的連續(xù)掃描和轉(zhuǎn)換模式，當(dāng)前ADC轉(zhuǎn)換一結(jié)束馬上就啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換，這個(gè)模式是通過TIM1時(shí)鐘觸發(fā)啟動(dòng)的，缺陷信號通過ADC模塊采集轉(zhuǎn)換后存儲到預(yù)定義的數(shù)據(jù)寄存器中，同時(shí)使用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，程序的編寫及調(diào)試主要在KEIL軟件中完成。設(shè)計(jì)的硬件采集電路板外觀如圖2所示。

2.1 等時(shí)間采樣

信號幅值隨時(shí)間的變化即為等時(shí)間采樣。在等時(shí)間采樣工作模式下，預(yù)先設(shè)置好缺陷信號的最高最低閾值、濾波方式等，然后STM32的ADC模塊開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每隔相等的時(shí)間間隔采集一次數(shù)據(jù)，與初始設(shè)定閾值進(jìn)行比較，如果超過設(shè)定閾值，則啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，ADC采集的數(shù)據(jù)存儲在DMA開辟的指定內(nèi)存中，信號經(jīng)過放大、濾波等處理方式，用于液晶顯示屏的波形顯示。等時(shí)間采樣的工作流程如圖3所示。

圖3 等時(shí)間采樣的工作流程

2.2 等空間采樣

等空間采樣是在等時(shí)間采樣基礎(chǔ)上的發(fā)展優(yōu)化，即每隔固定距離顯示一次波形信號，因此需要引入ADC的第二個(gè)通道用于輸入脈沖信號。此處通過編碼輪實(shí)現(xiàn)脈沖信號的輸入，已知編碼輪直徑的情況下，就可以將脈沖信號轉(zhuǎn)換為距離信號。同時(shí)數(shù)據(jù)采集前，需要設(shè)定步長用于波形顯示。等空間采樣的工作流程如圖4所示。

圖4 等空間采樣的工作流程

3 液晶顯示部分

采集系統(tǒng)外部液晶顯示屏選用的是MD043SD，其分辨率為480×272，相比傳統(tǒng)液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)方式而言， MD043SD所使用的CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)+SDRAM(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器)驅(qū)動(dòng)方式更加穩(wěn)定，抗干擾能力大幅度提升，很少出現(xiàn)死機(jī)、白屏狀況。同時(shí)該系列的液晶顯示控制無需初始化，簡化了開發(fā)程序的工作量，控制模塊響應(yīng)迅速，并且支持顯示頁和讀寫頁的獨(dú)立運(yùn)行，非常適合鋼絲繩檢測儀的顯示模塊。

GUI的設(shè)計(jì)通過uCGUIBulider，針對等空間采樣和等時(shí)間采樣這兩種不同功能設(shè)計(jì)了不同的人機(jī)交互界面(見圖5)。主界面的不同之處在于右下角顯示的參數(shù)不同，等時(shí)間采樣顯示的參數(shù)是最高閾值、最低閾值、當(dāng)前采樣頻率、當(dāng)前缺陷個(gè)數(shù)、校準(zhǔn)的AD值和濾波方式[見圖5(a)]；而等空間采樣的主界面中的顯示為設(shè)定步長和脈沖個(gè)數(shù)[見圖5(c)]。同時(shí)，兩種采樣方式設(shè)置參數(shù)也有所不同[見圖5(b)，5(d)]。

圖5 不同的人機(jī)交互界面

圖6 樣機(jī)測試系統(tǒng)外觀

圖7 鋼絲繩缺陷外觀及波形信號

4 試驗(yàn)過程

搭建了針對φ40 mm鋼絲繩樣件的系統(tǒng)樣機(jī)，并進(jìn)行缺陷檢測，對數(shù)據(jù)采集和處理以及液晶顯示部分進(jìn)行了測試與優(yōu)化，樣機(jī)測試系統(tǒng)外觀如圖6所示，包括精準(zhǔn)磁化檢測部分和數(shù)據(jù)顯示采集系統(tǒng)兩個(gè)部分。磁化器及編碼輪總質(zhì)量為1.47 kg，外觀為一個(gè)直徑80 mm，長10 mm的圓柱體；數(shù)據(jù)顯示采集系統(tǒng)總質(zhì)量為1.02 kg，尺寸(長×寬×高)為150 mm×40 mm×50 mm，續(xù)航時(shí)間為10～12 h，適應(yīng)溫度為-10～45 ℃，可適應(yīng)大部分工作環(huán)境。試驗(yàn)時(shí)選取了任意3個(gè)通道作為鋼絲繩缺陷信號的輸入，液晶顯示器中分別用黃色、綠色和白色信號線表示。圖7(a)為位于繩股間的2根斷絲缺陷及其波形信號，LCD(液晶顯示器)中的兩條紅線表示設(shè)定的最高閾值和最低閾值，缺陷的信號超過設(shè)定的閾值，LCD右上角紅色實(shí)心圓點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警提示缺陷存在；圖7(b)為位于相鄰繩股間的斷絲缺陷，上側(cè)端頭位于繩股間，但存在稍微翹絲現(xiàn)象，下側(cè)端頭接近鋼絲繩表面，LCD中顯示的信號可以在一定程度上表明缺陷的特征；圖7(c)中展示的是位于相鄰繩股間的一根斷絲缺陷，一側(cè)斷絲的端頭完全隱藏到繩股中，另一側(cè)端頭接近鋼絲繩表面，LCD中顯示的信號是接近鋼絲繩表面的端頭信號。結(jié)合圖7(b)，7(c)中LCD缺陷信號的特征，信號濾波功能可以有效地避免鋼絲繩繩股信號的干擾，但也使得系統(tǒng)對繩股內(nèi)單根斷絲缺陷的識別不充分，距離比較近的較大缺陷會(huì)影響較小缺陷的信號，但系統(tǒng)整體測試是可靠的。

5 結(jié)語

鋼絲繩漏磁檢測系統(tǒng)的輕便、易操作化是其發(fā)展趨勢。針對現(xiàn)有鋼絲繩漏磁檢測儀體積大、質(zhì)量大、操作不便等問題，設(shè)計(jì)了一款以STM32F4嵌入式芯片為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集液晶顯示系統(tǒng)，以及一體化的磁化測試探頭。最后經(jīng)過整機(jī)系統(tǒng)的測試，表明該系統(tǒng)具有可靠性和實(shí)用性。