基于STM32F4嵌入式的鋼絲繩漏磁檢測數據采集系統

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(華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074)

鋼絲繩作為人或物的承載和運輸構件，是工業領域的“生命線”。鋼絲繩在使用過程中會出現疲勞、銹蝕、磨損、斷絲甚至斷裂等現象，導致其承載能力及可靠性下降，這直接關系著生命和財產安全及經濟損失[1]。所以，對鋼絲繩進行無損檢測及壽命預測就至關重要[2]。

從1906年南非科學家MECANN和CDSON研究的交變激勵檢測探頭，到20世紀30年代左右,德國科學家CHAPPUZEAU研究的直流勵磁檢測探頭，再變革為20世紀70年代MAGNOGRAPH研究的永磁激勵檢測探頭，探頭的結構經歷了巨大的優化。直至20世紀80年代，以華中科技大學楊叔子院士、康宜華教授以及武新軍教授為代表的無損檢測團隊提出了等空間采樣技術理論，開發了GDJY-I型便攜式鋼絲繩無損檢測儀，其后續組員孫燕華繼續深入開展了大量的基礎研究及技術開發工作[3-7]。1978年波蘭對采集的鋼絲繩缺陷信號進行了處理，通過數學模型的仿真計算，奠定了鋼絲繩定量無損檢測的基礎。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大學開發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、質量大、集成化程度低及不易手持操作的缺點，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展趨勢與目標。

1 鋼絲繩檢測系統設計方案

鋼絲繩檢測系統示意如圖1所示，有別于現有的PC主機外加數據采集盒的這種離散結構設計，該便攜式檢測儀主要由嵌入式采集系統主機以及檢測探頭兩部分組成。主機采用STM32F4嵌入式芯片，集成小體積模塊化設計后，佩戴在操作員手臂上，這樣可以在不影響操作員雙手作業的情況下進行檢測。而另一部分磁化器、傳感器和編碼輪則設計成了一個整體漏磁檢測探頭，該探頭結構中的磁化器磁芯由內徑為58 mm,外徑為70 mm的環形徑向充磁永磁體通過線切割分為兩個半環，通過前期漏磁檢測磁化器設計仿真及試驗數據得知，當兩組永磁鐵相距20 mm時，磁敏感元件的缺陷識別度最高。同時，為減輕磁化器重量，導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，并引出四個通道輸出信號；佩戴在手臂上的數據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。

圖1 鋼絲繩檢測系統結構示意

2 數據采集系統

微處理器的選擇決定了數據采集系統的效率，一款高效的微處理器可以保證在工作時數據采集的可靠性及穩定性，在選擇時主要從以下4個方面考慮。

(1) 處理性能。時鐘頻率和內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) 技術指標。微處理器的通用性和可擴展性也是選擇時所考慮的重要因素。好的通用性和高的可擴展性可以簡化數據采集系統的設計過程。同時，處理器對DMA(直接內存存取)、中斷控制器等外設的支持越全面，在后續編程仿真等處理時就越靈活。

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

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

幾種常用的嵌入式微處理器的特點如表1 所示。

表1 常用嵌入式微處理器的特點

綜合以上4點，最終選擇了ARM架構的STM32F407ZET6作為鋼絲繩無損檢測儀的微處理器。STM32的ADC(模數轉換器)模塊具有其他微處理器所不具備的特點，其可以對多種模擬信號進行獨立快速采集處理，這就為鋼絲繩無損檢測時的信號采集提供了平臺。同時，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，極大優化主處理器的數據處理能力。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，根據鋼絲繩檢測時的特點及環境，采用等時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模塊可擴展16個通道用于外部信號的采集和初步處理，設計的數據采集應用了ADC的連續掃描和轉換模式，當前ADC轉換一結束馬上就啟動下一次轉換，這個模式是通過TIM1時鐘觸發啟動的，缺陷信號通過ADC模塊采集轉換后存儲到預定義的數據寄存器中，同時使用DMA進行數據管理，程序的編寫及調試主要在KEIL軟件中完成。設計的硬件采集電路板外觀如圖2所示。

2.1 等時間采樣

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

圖3 等時間采樣的工作流程

2.2 等空間采樣

等空間采樣是在等時間采樣基礎上的發展優化，即每隔固定距離顯示一次波形信號，因此需要引入ADC的第二個通道用于輸入脈沖信號。此處通過編碼輪實現脈沖信號的輸入，已知編碼輪直徑的情況下，就可以將脈沖信號轉換為距離信號。同時數據采集前，需要設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

采集系統外部液晶顯示屏選用的是MD043SD，其分辨率為480×272，相比傳統液晶顯示屏驅動方式而言， MD043SD所使用的CPLD(復雜可編程邏輯器件)+SDRAM(同步動態隨機存儲器)驅動方式更加穩定，抗干擾能力大幅度提升，很少出現死機、白屏狀況。同時該系列的液晶顯示控制無需初始化，簡化了開發程序的工作量，控制模塊響應迅速，并且支持顯示頁和讀寫頁的獨立運行，非常適合鋼絲繩檢測儀的顯示模塊。

GUI的設計通過uCGUIBulider，針對等空間采樣和等時間采樣這兩種不同功能設計了不同的人機交互界面(見圖5)。主界面的不同之處在于右下角顯示的參數不同，等時間采樣顯示的參數是最高閾值、最低閾值、當前采樣頻率、當前缺陷個數、校準的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定步長和脈沖個數[見圖5(c)]。同時，兩種采樣方式設置參數也有所不同[見圖5(b)，5(d)]。

圖5 不同的人機交互界面

圖6 樣機測試系統外觀

圖7 鋼絲繩缺陷外觀及波形信號

4 試驗過程

搭建了針對φ40 mm鋼絲繩樣件的系統樣機，并進行缺陷檢測，對數據采集和處理以及液晶顯示部分進行了測試與優化，樣機測試系統外觀如圖6所示，包括精準磁化檢測部分和數據顯示采集系統兩個部分。磁化器及編碼輪總質量為1.47 kg，外觀為一個直徑80 mm，長10 mm的圓柱體；數據顯示采集系統總質量為1.02 kg，尺寸(長×寬×高)為150 mm×40 mm×50 mm，續航時間為10～12 h，適應溫度為-10～45 ℃，可適應大部分工作環境。試驗時選取了任意3個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定的最高閾值和最低閾值，缺陷的信號超過設定的閾值，LCD右上角紅色實心圓點亮，同時蜂鳴器報警提示缺陷存在；圖7(b)為位于相鄰繩股間的斷絲缺陷，上側端頭位于繩股間，但存在稍微翹絲現象，下側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，一側斷絲的端頭完全隱藏到繩股中，另一側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，但也使得系統對繩股內單根斷絲缺陷的識別不充分，距離比較近的較大缺陷會影響較小缺陷的信號，但系統整體測試是可靠的。

5 結語

鋼絲繩漏磁檢測系統的輕便、易操作化是其發展趨勢。針對現有鋼絲繩漏磁檢測儀體積大、質量大、操作不便等問題，設計了一款以STM32F4嵌入式芯片為基礎的數據采集液晶顯示系統，以及一體化的磁化測試探頭。最后經過整機系統的測試，表明該系統具有可靠性和實用性。